雷 楊，李 軍，吳 晨，李紹軍

（南京理工大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210094）

0 引言

陀螺穩(wěn)定平臺作為穩(wěn)定視軸或瞄準(zhǔn)線的主要手段[1]，一直是國內(nèi)外科研機構(gòu)的主要研究對象。陀螺穩(wěn)定平臺主要作用是消除平臺受到的干擾，使平臺能夠按照既定的方向運動或者在慣性空間中保持穩(wěn)定，保證平臺負(fù)載能夠精確、穩(wěn)定地跟蹤目標(biāo)[2]。

穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字化，能克服以模擬電路實現(xiàn)為主的控制系統(tǒng)中體積大、成本高、故障頻繁、很難將控制精度提高到1%以上的級別、漂移誤差影響等缺陷。鑒于國內(nèi)大部分穩(wěn)定控制系統(tǒng)的控制芯片為定點型芯片，其浮點運算能力有限，參考文獻[3]設(shè)計伺服跟蹤控制器以定點DSP芯片為核心、FPGA為輔助處理器的控制結(jié)構(gòu)。而本設(shè)計以浮點型DSP芯片為主控芯片，提高數(shù)據(jù)處理速度和計算精度，使實現(xiàn)電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)多閉環(huán)復(fù)合控制成為可能。

1 穩(wěn)定平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計常采用雙軸或三軸框架式結(jié)構(gòu)，不同方向軸結(jié)構(gòu)類似，均由負(fù)載、執(zhí)行器、測量元件、功率放大器組成。為滿足各項技術(shù)指標(biāo)，實現(xiàn)高的穩(wěn)定和跟蹤精度，不僅需要精心設(shè)計機械結(jié)構(gòu)和合理選擇各類元器件，而且需要設(shè)計可靠的控制方案。本設(shè)計采用電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)組合的多閉環(huán)復(fù)合控制方案。

穩(wěn)定平臺裝置控制框圖如圖1所示，穩(wěn)定平臺裝置控制分為兩種模式：系統(tǒng)靜止?fàn)顟B(tài)下的伺服控制和系統(tǒng)運動狀態(tài)下的穩(wěn)定控制。其中載體靜止時系統(tǒng)工作于伺服控制模式，系統(tǒng)的作用是使穩(wěn)定平臺轉(zhuǎn)角相對基座保持固定不變或跟隨指令信號進行跟蹤運動，采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為角度反饋器件；載體運動時系統(tǒng)工作于穩(wěn)定控制模式，控制系統(tǒng)主要功能是隔離載體運動及平臺受到的各種擾動信號，保持平臺相對于慣性空間穩(wěn)定，以保證光電裝置可以獲得穩(wěn)定的視場，采用陀螺儀作為平臺速度反饋器件。

圖1 穩(wěn)定平臺裝置控制框圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計實現(xiàn)

該穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)分為方位軸和俯仰軸兩個自由度的運動控制，控制系統(tǒng)在這兩個方向上硬件結(jié)構(gòu)基本一致，方位控制板硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，主要可以分為信號采集、電機驅(qū)動和信息交互三部分。

圖2 控制系統(tǒng)硬件組成框圖

穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的控制過程：采樣電阻采集力矩電機電流大小傳送給DSP主控制器，同時陀螺敏感到平臺在慣性空間的角速度信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號傳送給DSP主控制器，并且旋轉(zhuǎn)變壓器感應(yīng)到的平臺位置信號經(jīng)過軸角粗精通道編碼后，也傳送到DSP主控制器，在DSP主控制器中經(jīng)過信號處理和多閉環(huán)組合控制算法處理后，產(chǎn)生控制力矩電機的信號，以抵消擾動力矩使平臺穩(wěn)定并跟蹤目標(biāo)。

2.1 檢測元件的選擇

2.1.1 角度測量元件選擇

由于系統(tǒng)使用環(huán)境存在大沖擊等惡劣因素，電機角度采樣裝置除了需要能精確地反映電機真實的轉(zhuǎn)角外，還需要有較強的抗沖擊和抗誤差能力。旋轉(zhuǎn)變壓器是在測角系統(tǒng)中廣泛采用的一種高精度角度傳感器，其精度高，動態(tài)性能好，抗干擾能力強，尤其適用于高溫、嚴(yán)寒、潮濕、高速、振動等環(huán)境惡劣、旋轉(zhuǎn)編碼器無法正常工作的場合。由于粗機測量范圍大但精度低，精機測量范圍小但精度高，在測量電機角度時一般都采用粗精組合的方式獲取準(zhǔn)確角度。本系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)要求可以將粗精通道數(shù)據(jù)組合成測量范圍為180°的16位整型數(shù)據(jù)，即測量精度可達(dá)到0.047 9 mrad。

2.1.2 速度敏感元件選擇

動力調(diào)諧陀螺儀與常用的輸出位置信號的液浮陀螺不同，該陀螺輸出的是速率信號。光纖陀螺輸出為速率信號，但其對供電電源要求很苛刻，而且信號輸出范圍大，頻率高，易受干擾[4]。經(jīng)過調(diào)研，動力調(diào)諧陀螺儀是目前國內(nèi)同等體積下精度較高的一款陀螺儀。動力調(diào)諧陀螺儀是一種雙自由度陀螺儀，它利用可以準(zhǔn)確補償摩擦力矩的撓性支承懸掛陀螺轉(zhuǎn)子，消除了摩擦干擾力矩，結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠。

2.2 電流反饋模塊分析與設(shè)計

電流環(huán)控制電機電樞電流同時使電樞電流嚴(yán)格跟蹤控制電壓指令的變化，從而準(zhǔn)確控制電機輸出力矩[5]。電流環(huán)作為控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)提高系統(tǒng)響應(yīng)速度和精度，實際系統(tǒng)中還可以提高系統(tǒng)靜態(tài)力矩剛度。在實際系統(tǒng)中PWM電壓輸出與電機電流輸出并非線性關(guān)系，其比值在低電流段較大，隨著電流增加而減小，故增加電流環(huán)可以提高控制輸出與電機輸出力矩線性度，優(yōu)化系統(tǒng)控制特性。同時電流環(huán)能夠削弱電機在低速運行時出現(xiàn)的“爬行”現(xiàn)象和換向時的“平頂”情況。電流采樣的硬件電路如圖3所示，通過電阻采樣、電壓信號差分放大、低通濾波、A/D采樣實現(xiàn)，低通濾波采用二階Butterworth濾波電路。A/D采樣采用快速、低功耗的14位A/D轉(zhuǎn)換芯片 AD7899。

圖3 電流反饋電路圖

2.3 電機驅(qū)動模塊

電機功率驅(qū)動模塊由專門的24 V電源供電，由于電機驅(qū)動工作于高頻、大電流狀態(tài)，對控制電路容易產(chǎn)生信號干擾，需將控制信號與電機驅(qū)動信號可靠隔離，防止高頻干擾。DSP控制芯片輸出的兩路PWM驅(qū)動信號經(jīng)過光耦HCPL2601隔離后送至集成驅(qū)動器MC33486用以驅(qū)動電機，MC33486的控制信號以及反饋信號也通過光耦進行隔離。由7805構(gòu)成的電壓轉(zhuǎn)換電路給光耦位于電機側(cè)信號提供單獨的+5 V電源。

3 陀螺信號處理

3.1 調(diào)零調(diào)漂補償電路

本系統(tǒng)所選陀螺儀的標(biāo)度因數(shù)為8.5μV/℃，對應(yīng)10Ω采樣電阻的標(biāo)度因數(shù)就為 65.3 mV/°/s，但陀螺儀在檢測速度為零時輸出存在零位偏差。除元器件本身隨著溫度、時間會產(chǎn)生信號漂移以外，由于地球自轉(zhuǎn)，當(dāng)陀螺指向不同時，其自身輸出信號漂移量也有所變化，由此設(shè)計調(diào)零調(diào)漂補償電路，補償陀螺信號零位偏差和漂移影響。其電路圖如圖4所示，調(diào)零補償電路與調(diào)漂補差電路相同，故圖中省略調(diào)漂補償電路。該系統(tǒng)使用兩個不同電阻值分辨率的旋鈕式滑動變阻器實現(xiàn)0～5 V電壓的粗、精補償。利用穩(wěn)壓芯片BS0505S-2W隔離系統(tǒng)電壓波動對輸出補償信號的影響。陀螺速率信號的漂移補償和零偏補償電路使用多路開關(guān)來分時選通，并經(jīng)過同一個A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進行補償。

圖4 調(diào)零調(diào)漂補償電路

3.2 信號調(diào)理電路

為了提取有用的信號，保證穩(wěn)定環(huán)路的輸出精度，必須對陀螺輸出信號進行濾波預(yù)處理[6]。處理電路如圖5所示，利用差分放大電路抑制共模信號的特性進行減噪處理。運算放大器INA117的偏置電壓為25μV且其溫漂典型值只有8.5μV/℃，該溫漂值與常用的運算放大器相比并不小，但是此處主要是利用其搭建差分放大電路來抑制共模信號，而且其內(nèi)部集成典型放大電路，可以省去外接電阻，簡化電路。由于陀螺受隨機干擾力矩及不確定因素影響，輸出信號含有很多高頻干擾信號，常用的無源RC低通濾波器能夠達(dá)到一定的濾波效果。本系統(tǒng)所要求的陀螺儀帶寬需要≥60 Hz，并不是無限寬的，為了避免高頻振動時低通濾波器造成陀螺信號失真同時兼顧對陀螺信號的濾波效果，需要合理地選取電阻值和電容值。為了隔離前后級間的影響，運算放大電路中一般都接一個電壓跟隨器，這里選用OP177運算放大器來構(gòu)成電壓跟隨器，相比較常用的LM158，其最大的優(yōu)點是溫漂非常小，典型值只有0.1μV/℃。對于具有陀螺隨機漂移信號的系統(tǒng)，選用低溫漂的器件是必要的。

圖5 信號調(diào)理電路

3.3 數(shù)字濾波處理

經(jīng)過信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換后的陀螺采樣信號波動范圍仍達(dá)到±3 mV，利用此信號作為陀螺反饋信號控制力矩電機，系統(tǒng)隔離精度達(dá)不到設(shè)計要求?；瑒悠骄鶠V波器計算時所需的內(nèi)存空間少，運算時間短。它實質(zhì)上是一個低通濾波器，在平滑信號、濾除高頻分量方面有顯著的作用。

滑動平均濾波的原理：將長度固定為M的連續(xù)采樣數(shù)據(jù)隊列，在每次新的測量之后，去掉隊列的第一個數(shù)據(jù)，剩下的M-1個數(shù)據(jù)依次向前移動，在隊尾插入新的采樣數(shù)據(jù)，然后對此隊列作算數(shù)運算，其結(jié)果記為本次測量結(jié)果。M項滑動平均濾波器的表達(dá)式為：

該系統(tǒng)中對陀螺信號的采樣時間間隔為 100μs，即采樣頻率fs=10 kHz。陀螺儀的帶寬為≥60 Hz。取M=100，每次用100個最新的采樣數(shù)據(jù)對其求算數(shù)平均。得到的結(jié)果如圖6所示。

圖6 滑動平均濾波效果圖

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計實現(xiàn)

4.1 主程序設(shè)計

系統(tǒng)中用到了DSP芯片的多個模塊，在系統(tǒng)正常工作前需對其進行初始化。首先關(guān)閉所有中斷，對系統(tǒng)初始化，然后對用到的模塊進行初始化，再設(shè)置中斷向量表，完成這些工作后打開中斷，等待中斷。中斷程序是用來處理信號采集、控制算法計算等工作。

4.2 中斷程序設(shè)計

整個系統(tǒng)的運行主要依賴于中斷程序的運行，中斷程序的設(shè)計直接關(guān)系到系統(tǒng)的信號采集、算法計算以及控制執(zhí)行。因此，中斷程序的設(shè)計是整個軟件設(shè)計的核心。

由于電流采樣信號和陀螺信號的精度對系統(tǒng)影響非常重要，因此對于電流采樣和陀螺信號的采集頻率要求很高。這就要求定時中斷的間隔時間盡可能短。又由于信號采樣、信號處理、控制計算都要在中斷程序內(nèi)完成，在中斷的間隔時間內(nèi)必須保證能完成這些工作。因此在綜合考慮了這兩個因素后，將定時中斷的時間定為100 μs。

電流采樣和陀螺采樣需要在每次中斷執(zhí)行中都完成一次，而旋轉(zhuǎn)變壓器的采樣則不用這么頻繁，控制算法的執(zhí)行頻率也不用這么高。因此在定時中斷程序內(nèi)定義一個計數(shù)器CNT，將中斷任務(wù)分為7次一組，CNT在不同的值時對應(yīng)不同的任務(wù)。具體安排如表1所示。

表1 中斷任務(wù)分配表

5 系統(tǒng)性能測試

當(dāng)系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)下的伺服控制時，跟蹤指令使光電裝置在水平方向上0°跟蹤到 22.5°，跟蹤曲線如圖7所示，跟蹤過程運動平穩(wěn)，且最后穩(wěn)定在22.5°位置，穩(wěn)定誤差在±0.047 9 mrad范圍內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)處于運動狀態(tài)下穩(wěn)定控制時，如圖8所示，在7.2 s處給系統(tǒng)基座水平方向加入最大幅值約為3°/s的擾動，系統(tǒng)能夠很好地隔離擾動速度的影響，保持位于俯仰環(huán)的視軸穩(wěn)定。在沒有給定操縱速度時，基座在水平方向擾動下，光電裝置水平方向保持在±0.25 mrad范圍內(nèi)，垂直方向保持在±0.05 mrad范圍內(nèi)。擾動速度撤去后能夠迅速回到零位且保持穩(wěn)定狀態(tài)，總體穩(wěn)定性良好，能有效隔離載體擾動。

圖7 水平軸跟蹤曲線圖

6 結(jié)論

圖8 光電裝置受擾動運動軌跡

本文介紹了一種高精度數(shù)字穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。電流環(huán)設(shè)計在伺服控制系統(tǒng)設(shè)計中比較常見，而且實現(xiàn)方法多種多樣，本文基于采樣電阻的電流采樣方法簡單易實現(xiàn)，使系統(tǒng)穩(wěn)定度和控制精度有明顯提高。采集的陀螺信號經(jīng)過調(diào)零調(diào)漂補償電路、低通濾波電路及數(shù)字濾波處理，能夠準(zhǔn)確反映陀螺角速率變化，使力矩電機能夠有效抵消擾動力矩。實驗測試結(jié)果表明，此穩(wěn)定平臺系統(tǒng)能夠精確、穩(wěn)定地跟蹤目標(biāo)并能有效地隔離載體擾動。

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