(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

該測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)作為微波暗室被測(cè)天線的承載設(shè)備,通過(guò)控制轉(zhuǎn)臺(tái)的AL/EL/AZ三個(gè)轉(zhuǎn)軸,引導(dǎo)天線精確搜索和指向空間目標(biāo),并能夠長(zhǎng)時(shí)間鎖定在該位置,高精度天線定位指標(biāo)對(duì)伺服系統(tǒng)的控制精度、控制方式、可靠性及穩(wěn)定性等提出了很高的要求。天線定位精度主要取決于機(jī)械傳動(dòng)鏈誤差和控制誤差,而齒輪傳動(dòng)鏈由于存在固有的齒隙和回程誤差,一直是提高大慣量轉(zhuǎn)臺(tái)定位精度的難點(diǎn)。工程中常采用機(jī)械消隙的方法,主要有采用雙層齒輪、增加平衡錘或彈簧等,但是這些方法不適用于大慣量傳動(dòng)系統(tǒng),并且消隙不可靠[1]。為了可靠地消除轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)誤差,本系統(tǒng)采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)方位達(dá)到電消隙的目的,以期提高回轉(zhuǎn)定位精度。控制誤差主要取決于系統(tǒng)的控制策略、控制算法及控制器運(yùn)算速度和運(yùn)算能力,雙電機(jī)在一定程度上也增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性,為此,本文采用32 bit高速浮點(diǎn)控制芯片DSP28335作為控制核心,該DSP芯片主頻為150 MHz,具有16 bit或者32 bit數(shù)據(jù)外部總線接口、58個(gè)外圍中斷、3個(gè)32 bit定時(shí)器、3路SCI外設(shè)、2路CAN外設(shè)、1路SPI外設(shè)、12路ADC轉(zhuǎn)換通道、18路PWM、88個(gè)IO口等豐富的功能?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)DSP擴(kuò)展網(wǎng)口接收監(jiān)控指令,采用CAN通信口實(shí)現(xiàn)三軸互聯(lián),數(shù)據(jù)總線采集RD位置和輸出DA模擬量指令,AD采集雙電機(jī)速度,從而實(shí)現(xiàn)了基于DSP全閉環(huán)的雙電機(jī)消隙全數(shù)字交流伺服控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案

控制系統(tǒng)由3塊以TMS320F28335為核心控制板組成,3塊控制板分別控制3個(gè)軸,系統(tǒng)通過(guò)下方位軸RTL8018AS網(wǎng)卡芯片與上位機(jī)連接,接收上位機(jī)的控制指令并反饋轉(zhuǎn)臺(tái)的狀態(tài),3個(gè)軸向控制器通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)控制指令和轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)據(jù)互聯(lián),三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)下方位軸控制系統(tǒng)硬件方案如圖1所示,其余兩個(gè)方位硬件方案與下方位軸一致。

圖1 下方位軸控制系統(tǒng)硬件方案

3個(gè)軸以DSP為控制器的核心控制板還包括旋變解碼及位置獲取電路、力矩分配及DA轉(zhuǎn)換輸出電路、電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理電路及AD采樣電路、驅(qū)動(dòng)功放接口電路。驅(qū)動(dòng)功放采用帶電流閉環(huán)的伺服驅(qū)動(dòng)器,可以快速、精確跟蹤力矩模擬量指令并實(shí)時(shí)反饋電機(jī)的速度信息。位置檢測(cè)單元采用雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器和20 bit R/D轉(zhuǎn)換模塊,分辨率可達(dá)到0.000 3°,優(yōu)于系統(tǒng)定位精度2個(gè)數(shù)量級(jí),滿足檢測(cè)要求,核心控制板硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 核心控制板硬件方案設(shè)計(jì)

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于DSP消隙算法實(shí)現(xiàn)

雙電機(jī)在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中一般處于降額工作狀態(tài),提高轉(zhuǎn)臺(tái)的可靠性,其還具有在傳動(dòng)鏈啟動(dòng)和停止的過(guò)程中消除齒隙的作用,因此,雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)在大慣量精密轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)中使用較多。雙電機(jī)消隙原理是利用兩套相同的電機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)相同的減速機(jī),減速機(jī)小齒輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)控制策略,使大齒輪在啟動(dòng)、換向和停止過(guò)程中始終受到方向相反的偏置力矩作用,兩個(gè)小齒輪夾緊大齒輪,大齒輪無(wú)法在齒隙間來(lái)回?cái)[動(dòng),從而達(dá)到消除齒隙的目的[2]。雙電機(jī)消隙力矩關(guān)系圖如圖3所示。

圖3 雙電機(jī)消隙力矩關(guān)系圖

轉(zhuǎn)臺(tái)的動(dòng)態(tài)性能和定位精度主要取決于雙電機(jī)的力矩配合、響應(yīng)速度及運(yùn)算精度, TMS320F28335的主頻高達(dá)150 MHz,并且具備浮點(diǎn)運(yùn)算單位,能夠?qū)崿F(xiàn)快速的對(duì)位置閉環(huán)和速度閉環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié),非常適合高精度、快響應(yīng)的控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)消隙即實(shí)現(xiàn)力矩關(guān)系圖中的力矩分配輸出,本系統(tǒng)力矩分配采用DSP數(shù)據(jù)總線和DA轉(zhuǎn)換芯片輸出。經(jīng)過(guò)位置閉環(huán)和速度閉環(huán)計(jì)算出實(shí)時(shí)力矩大小,再經(jīng)過(guò)偏置力矩算法處理,分別計(jì)算出兩個(gè)電機(jī)的輸出力矩大小并進(jìn)行量化,然后將量化后的數(shù)字量通過(guò)DSP數(shù)據(jù)總線分時(shí)寫入到8 bit雙通道DA芯片TLC7528的A通道和B通道,DA輸出力矩指令經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后,分別作為兩個(gè)驅(qū)動(dòng)功放的力矩指令,從而實(shí)現(xiàn)了偏置力矩的輸出。

2.2 誤差補(bǔ)償技術(shù)

由于轉(zhuǎn)臺(tái)在安裝過(guò)程中不可避免地存在軸系誤差及旋轉(zhuǎn)變壓器安裝誤差,該誤差會(huì)通過(guò)位置反饋單元累加到控制系統(tǒng)中,從而導(dǎo)致控制無(wú)法消除的誤差。為了修正轉(zhuǎn)臺(tái)軸系誤差和旋轉(zhuǎn)變壓器安裝誤差,本控制系統(tǒng)采用光學(xué)儀器對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的絕對(duì)位置進(jìn)行標(biāo)定和控制補(bǔ)償?？刂妻D(zhuǎn)臺(tái)從0°～360°每間隔10°用光學(xué)測(cè)角儀測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)際的角度S1,并記錄相應(yīng)時(shí)刻的編碼器輸出角度值S2(理論值),以二者差ΔS作為縱坐標(biāo),轉(zhuǎn)臺(tái)角度理論值S2作為橫坐標(biāo),利用傅里葉級(jí)數(shù)對(duì)該36個(gè)點(diǎn)的誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到轉(zhuǎn)臺(tái)的誤差擬合函數(shù),下方位轉(zhuǎn)臺(tái)標(biāo)定誤差圖如圖4所示[3]。在控制系統(tǒng)定位過(guò)程中,通過(guò)擬合函數(shù)計(jì)算目標(biāo)位置的誤差,并將該誤差補(bǔ)償?shù)娇刂浦噶钪?從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)臺(tái)的誤差補(bǔ)償,提高了轉(zhuǎn)臺(tái)的定位精度。

圖4 下方位轉(zhuǎn)臺(tái)標(biāo)定誤差

2.3 雙電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)

三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)要求上、下方位軸能夠在0°～360°范圍內(nèi)精確定位及連續(xù)掃描,俯仰軸實(shí)現(xiàn)-45°～90°范圍內(nèi)精確定位。三軸均實(shí)現(xiàn)位置、速度、電流三閉環(huán)控制,雙電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖如圖5所示[4]。

圖5 雙電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖

本閉環(huán)控制系統(tǒng)與常規(guī)的控制系統(tǒng)相比具有以下特點(diǎn):雙電機(jī)控制系統(tǒng)旨在提高系統(tǒng)定位精度,為此在位置反饋?zhàn)髁饲梆佈a(bǔ)償運(yùn)算。由于測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速較低,轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度相對(duì)轉(zhuǎn)速較大,導(dǎo)致速度調(diào)節(jié)器不穩(wěn)定,速度環(huán)輸出超調(diào)過(guò)大或者欠阻尼振蕩,從而導(dǎo)致雙電機(jī)輸出力矩不協(xié)調(diào),出現(xiàn)減速機(jī)與齒輪頻繁撞擊現(xiàn)象,因此本控制系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速作了17階FIR低通窗口濾波,以得到平滑、穩(wěn)定的速度反饋,便于更好地協(xié)調(diào)雙電機(jī)控制。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)軟件主要由上位機(jī)監(jiān)控軟件和控制系統(tǒng)軟件組成,監(jiān)控軟件在Visual C++6.0編程環(huán)境下,通過(guò)UDP串口協(xié)議與DSP控制板發(fā)送控制指令、接收轉(zhuǎn)臺(tái)狀態(tài),并顯示實(shí)時(shí)位置、故障、速度等信息?？刂葡到y(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)三軸定位控制,其核心為主程序控制流程和調(diào)節(jié)器算法,下文對(duì)主程序和調(diào)節(jié)器作詳細(xì)分析。

3.1 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)要求實(shí)現(xiàn)上方位軸、下方位軸能夠在0°～360°范圍內(nèi)定位及連續(xù)運(yùn)行,要求在俯仰方向?qū)崿F(xiàn)-45°～90°范圍內(nèi)定位運(yùn)行,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)的指向。完成目標(biāo)指向的關(guān)鍵是協(xié)調(diào)3個(gè)軸向合理的運(yùn)行,控制系統(tǒng)主程序流程如圖6所示,系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化,檢查系統(tǒng)狀態(tài),繼而通過(guò)UDP和CAN分別實(shí)現(xiàn)監(jiān)控通信和三軸間通信,然后依次判斷并執(zhí)行下方位、俯仰、上方位運(yùn)行,最終實(shí)現(xiàn)三軸定位。

圖6 控制系統(tǒng)主程序流程

3.2 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

由于測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)適用于定位系統(tǒng),并且采用了雙電機(jī)消隙,因此對(duì)調(diào)節(jié)器提出了較高要求。首先,定位系統(tǒng)不允許系統(tǒng)有超調(diào)的存在,其次,調(diào)節(jié)器有過(guò)大超調(diào)也會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)器輸出波動(dòng),從而導(dǎo)致雙電機(jī)輸出力矩不協(xié)調(diào),出現(xiàn)減速機(jī)齒輪頻繁撞擊現(xiàn)象。為了避免減速機(jī)齒輪撞擊現(xiàn)象,提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性及消除位置超調(diào)量,調(diào)節(jié)器用分段抗飽和的積分分離智能PI調(diào)節(jié)器,分段抗飽和的積分分離智能PI調(diào)節(jié)器程序流程如圖7所示[5]。

圖7 分段抗飽和積分分離PI程序流程

3.3 軟件優(yōu)化算法設(shè)計(jì)

由該測(cè)試三軸轉(zhuǎn)臺(tái)使用場(chǎng)合的特殊性,位置不允許有超調(diào)量,轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行速度慢,又由于采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng),轉(zhuǎn)臺(tái)慣量較大,轉(zhuǎn)速平穩(wěn)性較差,給控制帶來(lái)了一些困難。得益于TMS320F28335處理器具備的浮點(diǎn)運(yùn)算能力、150 MHz處理速度及中斷處理功能,控制系統(tǒng)采用10 k Hz高頻中斷來(lái)處理閉環(huán)控制和實(shí)時(shí)檢測(cè)位置超調(diào)量,并采用分段抗飽和智能PI調(diào)節(jié)器,并按照無(wú)超調(diào)的邊界條件優(yōu)化PI參數(shù),從而避免位置的超調(diào)。為了得到平穩(wěn)的速度反饋,對(duì)反饋速度進(jìn)行了17階FIR窗口濾波,并采用MATLAB FDATool對(duì)濾波器參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的速度閉環(huán)控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以緊密三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)為研究對(duì)象,在齒輪設(shè)計(jì)及加工要求不高的情況下,采用高性能浮點(diǎn)DSP處理芯片、雙電機(jī)消隙的控制策略、智能PID控制器相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)了消除傳動(dòng)回差及控制超調(diào),實(shí)現(xiàn)了三軸精密定位要求,目前該測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)正在試運(yùn)行階段。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的試運(yùn)行試驗(yàn),轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、定位響應(yīng)快,在測(cè)試過(guò)程中,每隔60°選取一個(gè)測(cè)試點(diǎn),測(cè)試結(jié)果誤差均小于±0.01°,滿足指標(biāo)要求,試驗(yàn)結(jié)果表明該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到了較高的控制精度和良好的動(dòng)態(tài)性能。

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