， ，

(1.長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022；2.北京航天控制儀器研究所，北京 100854)

0 引言

在精密儀表設(shè)備領(lǐng)域伺服回路的應(yīng)用場合頗多，隨著儀表設(shè)備集成度越來越高及產(chǎn)品批量化進(jìn)度日益加快，對伺服控制系統(tǒng)可靠性要求也隨之提高，需要對其進(jìn)行多次測試驗(yàn)證。因此若在研制前期階段運(yùn)用快速控制原型系統(tǒng)進(jìn)行算法模型的實(shí)時驗(yàn)證，就能有效避免研制周期延長、費(fèi)用增加等問題?？焖倏刂圃途褪窃谙到y(tǒng)硬件未完善時將控制算法下載到實(shí)時仿真設(shè)備并連接實(shí)物對象進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證[1-2]。這項技術(shù)近年來在國內(nèi)自動控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，如王建鋒等人建立了航空發(fā)動機(jī)快速控制原型系統(tǒng)[3],王偎蘄等實(shí)現(xiàn)了內(nèi)燃機(jī)噴油器快速控制原型[4]，呂強(qiáng)等基于快速控制原型設(shè)計了倒立機(jī)器人[5]，這些研究工作對快速控制原型技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展起到推動作用。在伺服控制領(lǐng)域，白金澤等人利用MATLAB中的RTW模塊和xPC模塊實(shí)現(xiàn)了液壓伺服快速控制原型技術(shù)[6-7]，王曉琳等也開發(fā)了基于MATLAB/RTW的控制器快速原型而實(shí)現(xiàn)了沖床伺服驅(qū)動[8]，上述研究均以MATLAB中的實(shí)時模塊作為實(shí)時環(huán)境并結(jié)合代碼自動生成工具構(gòu)建快速控制原型實(shí)現(xiàn)了預(yù)期研究目標(biāo)。

本文基于NI實(shí)時測控驗(yàn)證平臺cRIO設(shè)計了慣導(dǎo)設(shè)備快速伺服回路控制原型系統(tǒng)，經(jīng)過配置后在Labview環(huán)境下編程即可通過底層FPGA實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制，設(shè)計流程簡單且獲得較好的控制效果。

1 快速位置伺服回路組成及原理

精密慣導(dǎo)設(shè)備快速位置伺服回路的原理如圖1所示，該快速位置伺服回路由框架軸、陀螺儀、調(diào)理放大電路、位置校正網(wǎng)絡(luò)、功率放大器及力矩電機(jī)組成。在框架軸端的干擾力矩作用下，框架軸位置發(fā)生改變，此時陀螺儀敏感軸感受到此位置變化并由于陀螺效應(yīng)在其輸出軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，經(jīng)過角度傳感器變成電壓信號進(jìn)而通過調(diào)理電路對信號放大，后由校正網(wǎng)絡(luò)控制輸出驅(qū)動力矩電機(jī)，最終使框架軸保持穩(wěn)定。

圖1 慣導(dǎo)設(shè)備快速位置伺服回路組成及原理

此位置伺服回路作用過程實(shí)為框架軸與陀螺儀輸出軸各自達(dá)到力矩平衡狀態(tài)的過程，對于陀螺儀輸出軸，其平衡方程為：

(1)

式中,I、D、K、H分別表示陀螺儀輸出軸的轉(zhuǎn)動慣量、阻尼系數(shù)、彈性系數(shù)及陀螺儀角動量，α、β分別表示軸端干擾力矩下框架轉(zhuǎn)角及陀螺儀輸出軸轉(zhuǎn)角，Mr表示陀螺儀輸出軸上的干擾力矩。

其中陀螺儀輸出軸上的彈性系數(shù)很小，因此彈性力矩Kβ可以忽略。

對于框架軸，其平衡方程為：

(2)

式中，J、C分別表示框架軸的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)，MD、MG分別表示框架軸上的干擾力矩和控制力矩。

在滿足穩(wěn)定的條件下，快速位置伺服回路控制系統(tǒng)要保證調(diào)節(jié)時間在100 ms以內(nèi)，相位裕度γ大于25°，幅值裕度h大于8 dB。

2 快速位置伺服回路控制原型系統(tǒng)設(shè)計

2.1 快速位置伺服控制原型系統(tǒng)總體架構(gòu)

快速控制原型系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖2所示。其中慣導(dǎo)平臺部分包括力矩電機(jī)、陀螺儀及對應(yīng)框架軸，均視作被控對象。信號轉(zhuǎn)接盒作為快速控制原型與實(shí)物被控對象的連接樞紐。cRIO仿真平臺用來完成信號采集計算輸出功能，即實(shí)現(xiàn)控制原型。驅(qū)動電路完成功率放大驅(qū)動電機(jī)的功能。校正網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過上位機(jī)Labview編程實(shí)現(xiàn)，伺服回路原型中將位置伺服回路的控制對象慣導(dǎo)平臺的輸出作為cRIO機(jī)箱信號采集模塊的輸入，經(jīng)過校正網(wǎng)絡(luò)控制輸出脈沖調(diào)寬波，然后由功率級電路進(jìn)行放大后作用到力矩電機(jī)完成位置伺服回路控制功能。

圖2 快速位置伺服控制原型系統(tǒng)框圖

2.2 cRIO仿真平臺軟硬件搭建

目前快速控制原型仿真平臺有xPCtarget、RT-lab、dSpace、NI cRIO及YH-AStar等。xPCtarget、RT-lab及dSpace快速控制原型平臺均依賴于MATLAB/Simulink工具箱[9-10]，基于模型運(yùn)用代碼生成工具及實(shí)時軟件接口在實(shí)時操作系統(tǒng)如VxWorks、QNX、Linux等或?qū)崟r硬件上建立實(shí)時控制系統(tǒng)。YH-AStar[11]以YHSIM專用仿真語言為基礎(chǔ)，配置專用IO設(shè)備完成一體化建模及軟硬件仿真工作，但其對用戶專業(yè)仿真知識有較高要求，操作難度大。NI cRIO快速控制原型平臺基于用戶界面良好的Labview圖形化編程環(huán)境，其實(shí)時控制器與自定義FPGA結(jié)合可實(shí)現(xiàn)兩種接口模式，具備方便易用的可重配置工業(yè)級IO[12]，能提供較高的安全可靠性，快速控制原型上位機(jī)代碼易于移植到目標(biāo)控制器，系統(tǒng)集成度高、輕小便攜，因此采用cRIO快速原型仿真平臺實(shí)現(xiàn)快速位置伺服回路控制原型。

圖3 cRIO仿真平臺結(jié)構(gòu)框圖

cRIO仿真平臺的硬件組成如圖3所示，包括可擴(kuò)展IO模塊、FPGA及實(shí)時控制器三部分?？蓴U(kuò)展I/O模塊實(shí)現(xiàn)陀螺儀輸出信號采集，控制信號PWM輸出以及驅(qū)動電路開斷的功能。陀螺儀輸出是處于零附近的小偏信號，所以對模擬量采集要求在零位附近有較高的轉(zhuǎn)換精度，經(jīng)放大的電壓信號變化在-10 V到+10 V范圍內(nèi)，同時考慮快速率及減小死區(qū)，選用100 Ks/s每通道采樣率，16位分辨率的NI 9215數(shù)據(jù)采集模塊。該模塊具有4 個-10 V到+10 V的同步模擬輸入通道，有兩種接口類型可供選擇，一種是螺栓端子接口的，另一種是BNC接口的，前者較后者接線方式復(fù)雜且安全可靠性低，所以本文采用BNC接口類型的9215采集模塊。校正網(wǎng)絡(luò)輸出作用到直流力矩電機(jī)，目前直流力矩電機(jī)的控制大多采用PWM控制，考慮到本文位置伺服回路控制靈敏度要求較高，因此選擇PWM數(shù)字輸出模塊更新率也要高，選取5V/TTL更新率高達(dá)100 ns的NI 9401數(shù)字I/O模塊。Xilinx Kintex-7系列FPGA用于實(shí)現(xiàn)對信號的采集控制、處理運(yùn)算及存儲，該FPGA直接和每個I/O模塊相連，可高速訪問I/O電路并靈活實(shí)現(xiàn)定時、觸發(fā)和同步等功能。實(shí)時控制器通過以太網(wǎng)與上位機(jī)通信，其64位微處理器與Linux操作系統(tǒng)完成與FPGA端數(shù)據(jù)交互。

快速位置伺服控制原型系統(tǒng)軟件設(shè)計在上位機(jī)Labview編譯環(huán)境中開發(fā)。開發(fā)環(huán)境的配置包括IP配置、cRIO設(shè)備識別及訪問I/O 的接口模式選擇。建立項目后存在三種VI程序編寫方式，即本機(jī)端VI、RT端VI及FPGA端VI，三者實(shí)時性依次增強(qiáng)，對數(shù)據(jù)的處理運(yùn)算速度也依次提高。根據(jù)設(shè)計要求，需建立RT端VI下載至實(shí)時控制器與FPGA交互并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控，建立FPGA端VI實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集處理和控制輸出功能。LabVIEW 環(huán)境下建立的FPGA vi需要編譯才能運(yùn)行，被合成了到可編程邏輯門硬件上，這些門電路通過可重構(gòu)的內(nèi)部連線連接。但其編譯過程與傳統(tǒng)Windows上的LabVIEW應(yīng)用程序不同。當(dāng)向FPGA寫入代碼時，同時也將這些相同的LabVIEW代碼寫入到了其他目標(biāo)上，但運(yùn)行后，LabVIEW則通過不同的進(jìn)程來運(yùn)行這些代碼。運(yùn)行進(jìn)程生成的VHDL代碼經(jīng)過 Xilinx編譯器編譯，生成硬件可執(zhí)行的bit文件。上述過程通過邏輯映射，時鐘同步和啟用鏈三個環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)，由此保證了FPGA與Labview的數(shù)據(jù)流能嚴(yán)格一致，最終與Labview程序中數(shù)據(jù)并行運(yùn)行。

2.3 外圍驅(qū)動電路設(shè)計

由cRIO數(shù)字模塊輸出的信號電流位于毫安級，無法驅(qū)動力矩電機(jī)，設(shè)計驅(qū)動電路如圖4所示。GH281-4光電耦合器使cRIO輸出的PWM控制信號隔離傳輸至驅(qū)動芯片。LMD18200功率橋驅(qū)動芯片的輸入端為方向控制信號DIP及PWM控制信號PIP，DIP與外部信號源提供的3.3 V比較控制光電耦合器1導(dǎo)通與關(guān)斷，PIP與外部信號源提供的5 V比較控制光電耦合器2導(dǎo)通與關(guān)斷。為提高電壓上升時間在驅(qū)動芯片輸出端VO1、VO2分別接10uF的電容，輸出為幅值28 V的PWM信號。通過外接電源提供的PWM+5 V、VCC_PWM(28 V)用作方向控制(引腳2)及PWM控制(引腳4)邏輯比較時的參考電壓。芯片電源端VS由28 V電源提供。

圖4 外圍驅(qū)動電路

驅(qū)動功率橋芯片運(yùn)行有雙極性和單極性兩種方式。若采用雙極性驅(qū)動方式，在每個PWM周期里電動機(jī)電樞電壓極性呈正負(fù)變化。但若采用單極性驅(qū)動方式，在每個PWM周期內(nèi)，電動機(jī)電樞電壓表現(xiàn)為單極性。前者對應(yīng)的電機(jī)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)低速平穩(wěn)運(yùn)行的同時也存在一些缺陷，比如電流波動大，功率損耗較大等，特別是必須增加死區(qū)來避免開關(guān)管直通的危險，限制了開關(guān)頻率的提高，比較適用于中小功率直流電動機(jī)的控制。本文伺服回路采用的直流電動機(jī)功率相對較大，因此采用單極性驅(qū)動方式。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

cRIO控制原型系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)主要依靠FPGA端VI程序?qū)崿F(xiàn)，如圖5所示。

圖5 Labview FPGA VI程序

其中功能模塊主要由以下5個子模塊組成，以此實(shí)現(xiàn)伺服控制功能：

1)模擬量采集模塊：采集經(jīng)陀螺儀前置放大后輸出的電壓信號。為保證位置伺服回路的控制速率，將陀螺儀輸出電壓采集經(jīng)過時鐘頻率為40 MHz的單周期定時循環(huán)完成求均值降噪。

2)控制計算模塊：實(shí)現(xiàn)伺服回路校正網(wǎng)絡(luò)。該位置伺服回路控制的校正網(wǎng)絡(luò)采用經(jīng)典超前滯后控制，經(jīng)過Matlab建模仿真后將控制器模型經(jīng)雙線性變換離散化進(jìn)行數(shù)字控制。為了充分利用FPGA并行執(zhí)行任務(wù)的能力，運(yùn)用雙層流水線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)陀螺儀輸出電壓信號和校正網(wǎng)絡(luò)控制輸出的的迭代運(yùn)算。

3)數(shù)字輸出模塊：完成PWM控制信號輸出。利用循環(huán)定時器改變數(shù)字輸出的高低電平持續(xù)時間，從而實(shí)現(xiàn)任意占空比的脈沖信號輸出。由于受到驅(qū)動電路光耦隔離芯片傳遞速率的限制，PWM信號的載波頻率不宜過高。

4)參數(shù)設(shè)置模塊：主要進(jìn)行控制器參數(shù)等的配置。采用簇結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)各輸入控件的集成一體化，使界面整潔美觀的同時降低了配置錯誤率。

5)數(shù)據(jù)傳遞模塊：運(yùn)用DMA FIFO在FPGA端與RT端傳遞數(shù)據(jù)，運(yùn)用寄存器在并行循環(huán)間傳遞數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)運(yùn)行過程如圖6所示，系統(tǒng)上電為驅(qū)動使能斷開狀態(tài)，初始化將陀螺前放輸出電壓信號清零，寄存器清零，使能打開。進(jìn)行參數(shù)設(shè)置后開始采集陀螺前放輸出電壓，連續(xù)采集四幀在單周期定時循環(huán)內(nèi)完成求均值降噪后，輸出到校正網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制器解算，計算后的控制輸出進(jìn)行占空比換算，通過寄存器將值傳遞到PWM輸出模塊的輸入端，該模塊輸出PWM波完成對驅(qū)動電路的控制。

圖6 快速控制原型系統(tǒng)運(yùn)行過程框圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

驅(qū)動電路能否按要求輸出PWM占空比是系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的前提，在上位機(jī) 設(shè)置PWM輸出頻率為2 kHz，分別進(jìn)行斷使能、45%、50%、55%的占空比驗(yàn)證，結(jié)果如圖7所示，其中(A)表示在上位機(jī)進(jìn)行斷使能操作后的驅(qū)動電路輸出，結(jié)果顯示為0，表明操作有效；(B)、(C)、(D)依次表示按上位機(jī)指令要求驅(qū)動電路應(yīng)輸出PWM占空分別為45%、50%、55%時對應(yīng)的實(shí)測PWM波型，可以看出三者的占空比存在0.1%的誤差，對于2 kHz的載波頻率，相當(dāng)于0.5 us的延時，輸出結(jié)果符合較為理想，表明cRIO程序設(shè)計及驅(qū)動電路設(shè)計合理。

圖7 占空比波形

完成占空比驗(yàn)證后，將設(shè)計好的快速位置伺服回路控制原型設(shè)備與某型慣導(dǎo)系統(tǒng)連接，驗(yàn)證快速控制原型設(shè)備軟硬件功能。階躍干擾響應(yīng)可用回路閉合過程模擬，此過程框架角波動反映了系統(tǒng)在干擾力矩作用下的動態(tài)響應(yīng)情況，在框架軸位置處于任意位置狀態(tài)下閉合回路，框架角波動曲線如圖8所示，可以看出伺服控制從響應(yīng)到達(dá)穩(wěn)定的時間約為88 ms，滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

圖8 閉合回路時框架角波動曲線

通過頻率響應(yīng)分析儀TD1250測量系統(tǒng)幅相頻率曲線的方式對系統(tǒng)的頻域特性進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置分析儀激勵信號為正弦信號，分二次掃頻測試，每10倍頻程40個點(diǎn)，第一次輸入信號為10V，頻率為5～10 Hz；第二次輸入信號為2 V，頻率為10～200 Hz。讀取上位機(jī)數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 仿真與實(shí)驗(yàn)幅相曲線

圖9中“+”標(biāo)記曲線代表實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)際測量的幅相頻率特性，實(shí)線型曲線為Matlab建模仿真結(jié)果。對比兩條曲線，可以看出實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與仿真結(jié)果曲線一致性良好，數(shù)學(xué)仿真分析得幅值裕度為12 dB,相位裕度為33.9°，半實(shí)物仿真結(jié)果分析得幅值裕度為11.5 dB，相位裕度約為35°，均滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

通過上述對cRIO快速位置伺服回路控制原型系統(tǒng)的開環(huán)測試及實(shí)物在環(huán)測試驗(yàn)證了本文系統(tǒng)設(shè)計的正確性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明位置伺服回路工作正常，性能滿足設(shè)計需求。然而實(shí)際測量結(jié)果和理論設(shè)計還是存在差距，圖7中PWM波形在上升沿和下降沿均出現(xiàn)尖峰，可能是受到功率芯片開關(guān)死區(qū)的影響，也可能是因?yàn)轵?qū)動電路濾波電容的選擇不合適。另外，由于慣導(dǎo)設(shè)備中相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)可能存在老化變形，伺服回路仿真模型與實(shí)際會有不可避免的偏差，這是導(dǎo)致穩(wěn)定裕度與幅值裕度的測試結(jié)果與仿真存在微小差異的主要原因。圖9中幅相頻率曲線在中頻段實(shí)際測試與仿真的吻合度要高于低頻和高頻段，可能是由于激勵信號的設(shè)置引起的。下一步將針對這些問題進(jìn)一步進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試優(yōu)化。

5 結(jié)束語

本文在分析了慣導(dǎo)設(shè)備快速位置伺服回路原理的基礎(chǔ)上，搭建cRIO控制原型半實(shí)物仿真平臺并編寫Labview軟件程序，最后通過半實(shí)物仿真平臺實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該快速位置伺服回路控制原型系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)正常，滿足控制回路調(diào)節(jié)時間在100 ms以內(nèi)，幅值裕度大于8 dB，相位裕度大于25°，符合預(yù)期的設(shè)計指標(biāo)要求。表明該快速位置伺服控制原型系統(tǒng)兼具實(shí)時性、便捷性，是一種高效測試驗(yàn)證模型及控制性能的手段。

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