張雷 孟瑩

【摘要】本文提出了高精度轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的詳細設(shè)計方法，試驗結(jié)果驗證所研制的轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，功能完善，精度達到±0.002°，滿足了相關(guān)測試需求。

【關(guān)鍵詞】目標定位轉(zhuǎn)臺；定位精度；PMAC技術(shù)；冗余控制；RCS

1.引言

隨著隱身戰(zhàn)機的出現(xiàn)，飛機的隱身性能已經(jīng)成為衡量戰(zhàn)機綜合性能的重要指標之一，我們通常對飛機的雷達散射截面（RCS）進行測量，來獲取這一指標，用以評估飛機在未來戰(zhàn)爭中的生存能力。室外RCS測試平臺包含：測試場地、天線系統(tǒng)、測量系統(tǒng)及目標定位轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)四個部分，其中目標定位轉(zhuǎn)臺在室外RCS測試平臺中占有相當重要的位置，主要承擔測試過程中的目標架設(shè)、轉(zhuǎn)動、遠程通訊及高精度目標定位等功能，為外場RCS測試、成像診斷測試提供精確的角度對應(yīng)，因此，對轉(zhuǎn)臺的控制特性提出了較高的要求。

2.控制系統(tǒng)的功能、指標要求

2.1 功能指標

⑴實現(xiàn)SLEW模式、TRACK模式、SECTOR模式、DIRECT模式下轉(zhuǎn)臺水平旋轉(zhuǎn)的控制功能；

⑵具備俯仰、橫滾姿態(tài)調(diào)節(jié)功能；

⑶具備TTL脈沖輸出功能；

⑷具備IE488、RS232、以太網(wǎng)及光纖通訊功能。

2.2 技術(shù)指標

⑴轉(zhuǎn)臺定位精度≤0.005°；

⑵系統(tǒng)連續(xù)、穩(wěn)定工作時間≥15小時，且性能滿足指標要求；

⑶系統(tǒng)工作的環(huán)境溫度：-10℃～+60℃；保存溫度：-20℃～+70℃；相對濕度：20%～95%。

3.基于PMAC技術(shù)控制系統(tǒng)的設(shè)計

綜上所述，轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的設(shè)計由以下四個方面組成：

3.1 高精度控制系統(tǒng)的設(shè)計及研制

該控制系統(tǒng)由PCM-4381控制計算機、ARM微處理器、C8051F040單片機、PMAC多軸運動控制卡組成，構(gòu)成多層次、多處理器的復雜控制系統(tǒng)。系統(tǒng)各計算單元之間通過CAN總線傳遞信息，并互相監(jiān)測，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺安全可靠的控制。同時該系統(tǒng)主要包括以下三項功能：

（1）運動軌跡規(guī)劃；

（2）多處理系統(tǒng)的管理；

（3）便捷的人機操作模式。

3.1.1 控制計算機單元

控制計算機主要包含以下三項功能：

（1）實現(xiàn)人機交互，通過前面板上的按鍵、外接鼠標、鍵盤以及遠程計算機等獲得控制指令。為節(jié)省控制計算機的硬件資源，前面板按鍵由一個單片機負責管理，按鍵信息由該單片機處理后，通過CAN總線傳遞給控制計算機；

（2）根據(jù)操作人員指令生成轉(zhuǎn)臺控制命令，并將命令傳遞給PMAC控制卡；

（3）監(jiān)控各單元的工作狀態(tài)。

3.1.2 單片機單元

高精度控制系統(tǒng)包含兩個單片機?？刂朴嬎銠C與它們通過CAN總線連接，彼此傳遞控制信息，同時監(jiān)視運行狀態(tài)。其主要功能如下：

（1）控制系統(tǒng)前面板功能按鍵的管理。管理前面板控制按鍵，將操作者的按鍵操作編碼傳遞給控制計算機。

（2）實現(xiàn)控制系統(tǒng)的冗余管理。當控制計算機和PMAC出現(xiàn)故障時，單片機自動接管控制，直接向驅(qū)動器下達控制命令，防止轉(zhuǎn)臺出現(xiàn)異常動作。

（3）自整角機信號處理。擔任冗余控制的單片機，同時還負責自整角機數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)初始化時由該單片機讀入自整角機反饋數(shù)據(jù)，然后傳遞給控制計算機，由此確定轉(zhuǎn)臺的初始絕對位置。

3.1.3 ARM處理單元

為實現(xiàn)控制系統(tǒng)與其它測試設(shè)備之間可靠、快捷的通訊功能，我們采用新型的ARM開發(fā)板TE2440-II來完成。通過ARM處理單元可使本系統(tǒng)輸出一路描述轉(zhuǎn)臺位置信息（由PMAC提供）的增量式脈沖和方向信號，同時還可提供二進制/BCD編碼的轉(zhuǎn)臺當前絕對位置信息和轉(zhuǎn)速信息。

3.1.4 PMAC多軸運動控制器單元

控制系統(tǒng)的實時控制任務(wù)由PMAC（Progra-mmable Multi-Axis Controller）可編程多軸運動控制器來完成。它使用數(shù)字信號處理器（DSP）作為計算單元，采用模塊化的硬件和軟件結(jié)構(gòu)，能夠適應(yīng)目前運動控制領(lǐng)域各種控制要求。

PMAC與控制計算機采用以太網(wǎng)通訊，接收運動控制指令，并將系統(tǒng)的狀態(tài)傳遞給控制計算機，依據(jù)控制計算機的控制指令計算出各伺服周期的目標位置、速度、加速度，根據(jù)實時的感應(yīng)同步器的反饋信號，計算出控制命令電壓，傳遞給電機驅(qū)動器。同時監(jiān)視電機驅(qū)動器的工作狀態(tài)，以防止意外發(fā)生時轉(zhuǎn)臺出現(xiàn)異常運動。

3.1.5 高精度定位功能的設(shè)計

轉(zhuǎn)臺的位置傳感器由自整角機和感應(yīng)同步器兩部分組成，原有控制系統(tǒng)使用的是自整角機粗通道結(jié)合感應(yīng)同步器的方式，實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺±0.005°的定位精度。為了獲取更高的定位精度，我們在原有的基礎(chǔ)上加入了自整角機精通道數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自整角機粗、精通道結(jié)合感應(yīng)同步器的三級位置反饋機制。

系統(tǒng)初始化時，PMAC讀取感應(yīng)同步器絕對位置數(shù)據(jù)，單片機讀取粗、精通道自整角機數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳遞給控制計算機?？刂朴嬎銠C將三組數(shù)據(jù)組合在一起，獲得轉(zhuǎn)臺的初始絕對位置。此后PMAC根據(jù)感應(yīng)同步器的增量式脈沖信號，計算當前轉(zhuǎn)臺位置相對于初始絕對位置的變化。這個變化值與初始絕對位置組合構(gòu)成轉(zhuǎn)臺當前的絕對位置，信息獲取流程。

3.2 電機驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計及研制

轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)中，其多軸運動、協(xié)調(diào)、限位等功能均由控制器來完成，對電機驅(qū)動裝置的要求大大減低，因此我們選擇西門子開發(fā)的6RA7018-6DV62直流電機驅(qū)動器作為轉(zhuǎn)臺的驅(qū)動系統(tǒng)。該驅(qū)動器提供模擬測速機、脈沖編碼器、電機電樞電動勢等多種方式測量電機速度以實現(xiàn)速度閉環(huán)控制，同時還提供電流前饋及反饋控制優(yōu)化、速度控制優(yōu)化，能夠自動設(shè)定相關(guān)控制參數(shù)及電機電樞的電阻和電感。

3.3 控制系統(tǒng)安全措施的設(shè)計

控制系統(tǒng)中包含控制計算機、PMAC多軸運動控制器、ARM處理器、單片機、電機驅(qū)動系統(tǒng)等多個計算單元，任何一部分都可能由于軟件或硬件的原因出現(xiàn)故障。因此在系統(tǒng)安全措施方面我們采取以下兩項措施保證系統(tǒng)安全可靠運行。

（1）采用冗余控制單元配置，控制計算機為主控制單元，執(zhí)行正常的控制任務(wù)。同時配置輔助控制單元—C8051F040單片機，在控制計算機發(fā)生故障時，自動接管控制任務(wù)，保證系統(tǒng)安全可靠運行；

（2）各計算單元彼此監(jiān)視，一個單元出現(xiàn)故障，其他單元自動進入故障處理模式，保證系統(tǒng)安全可靠運行。

4.驗證試驗

為了驗證轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)各項功能、指標的實際效果，我們開展了以下對比驗證試驗：

（1）控制系統(tǒng)功能驗證試驗；

（2）控制系統(tǒng)技術(shù)指標驗證試驗。

由于篇幅所限，我們僅給出轉(zhuǎn)臺以20%轉(zhuǎn)速，在順時針旋轉(zhuǎn)、逆時針旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的定位精度測試數(shù)據(jù)，如表1所示。從表中可知，新轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的定位精度已達±0.002°，相比于原有控制系統(tǒng)±0.005°的定位精度有了極大的提升。

5.結(jié)論

從驗證試驗中可以看出，轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的各項功能、指標達到了我們預期的設(shè)計要求，部分指標、性能在同類產(chǎn)品中已達到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。

下一步，將針對轉(zhuǎn)臺的機械結(jié)構(gòu)開展升級改造或重新研制工作，再配合該控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺大承載、高精度定位及俯仰、橫滾調(diào)節(jié)等功能。

參考文獻

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