陳虹麗, 劉 磊, 李 強(qiáng), 于立君

(1.哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，哈爾濱 150001;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 空間控制與慣性技術(shù)研究中心,哈爾濱 150001)

0 引 言

隨著科研能力的進(jìn)步，對(duì)慣性系統(tǒng)的性能需求愈加嚴(yán)苛，慣性元件的精度也需要跟著提高，對(duì)慣性元件的標(biāo)定設(shè)備轉(zhuǎn)臺(tái)的性能也需要提高[1]，為了滿(mǎn)足對(duì)慣性器件高性能的要求，需要研究出高精度的轉(zhuǎn)臺(tái)，也即要提高轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的性能，提高控制系統(tǒng)的性能主要體現(xiàn)在提高運(yùn)算性能和改善控制算法上[2-3]。系統(tǒng)的運(yùn)算性能包括了運(yùn)算速度和運(yùn)算精度。

高頻角振動(dòng)臺(tái)是轉(zhuǎn)臺(tái)的一種類(lèi)型，主要用來(lái)測(cè)量陀螺的動(dòng)態(tài)特性，需要無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差地跟蹤給定信號(hào)，需要能跟蹤周期性的給定信號(hào)[4]。

角振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)要求是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)[5]，對(duì)于一般性能指標(biāo)的轉(zhuǎn)臺(tái)，可以采用Windows+RTX的方案編寫(xiě)轉(zhuǎn)臺(tái)控制算法，但是,由于Windows系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理是基于消息機(jī)制的，因此不可能實(shí)現(xiàn)本質(zhì)上的實(shí)時(shí)性，RTX是一款可以嵌入Windows系統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作內(nèi)核，但RTX也是基于Windows實(shí)現(xiàn)的，因此并不是強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，只能到微秒級(jí)的定時(shí)精度。為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，針對(duì)角振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)的運(yùn)算量和速度要求，本文使用DSP[6-8]器件作為控制器，同時(shí)使用FPGA作為輔助芯片，DSP實(shí)現(xiàn)控制算法，F(xiàn)PGA為DSP搭建數(shù)據(jù)通道[9]，上位機(jī)采用工控機(jī)，使用WindowsXP系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和指令發(fā)送。

1 角振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)工作過(guò)程

控制系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。上位機(jī)和FPGA通過(guò)USB通信[10]，F(xiàn)PGA讀取光柵輸出的位置信息，解碼之后傳送給DSP做控制使用，DSP根據(jù)反饋回來(lái)的位置速度信息，執(zhí)行控制運(yùn)算，然后將控制量輸出至FPGA，F(xiàn)PGA將期望的位置和實(shí)際位置以及控制量信息發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)將位置信息處理后得到速度和位置信息以及控制量的輸出，然后將位置和速度使用曲線(xiàn)繪制出來(lái)。FPGA轉(zhuǎn)發(fā)到AD，AD將信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量之后送給驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，整個(gè)系統(tǒng)閉環(huán)。

圖1 角振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)硬件框圖

2 角振動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件包括DSP最小系統(tǒng)及擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA最小系統(tǒng)及外圍電路設(shè)計(jì)，其中本文設(shè)計(jì)的A/D轉(zhuǎn)換電路使用的是AD7606作為A/D轉(zhuǎn)換器件，同時(shí)為了提高測(cè)量精度，對(duì)于AD7606設(shè)置了跟隨電路，將輸入的模擬信號(hào)隔離，提高帶載能力，同時(shí)為了保護(hù)器件,對(duì)模擬量輸入限幅。

本設(shè)計(jì)是一款高速信號(hào)采集板，需要和上位機(jī)之間實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交換，因此使用最高速達(dá)到480 Mb/s的USB2.0[11]技術(shù)通信。USB2.0芯片采用CYPRESS公司的CY68013實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA采用16位FIFO和CY68013之間通信，時(shí)鐘達(dá)到48 MHz，CY68013可以配置為51內(nèi)核不參與數(shù)據(jù)交換，USB數(shù)據(jù)直接和FIFO通道相連，這樣可以大大增加反應(yīng)速度[12]，USB和外設(shè)使用FIFO。

本設(shè)計(jì)中使用的USB2.0中還有一片24LC64，這是一片使用IIC讀寫(xiě)的E2ROM，因?yàn)镃Y68013內(nèi)部沒(méi)有ROM，程序不能固化，為了擴(kuò)充CY68013的存儲(chǔ)能力，以便編寫(xiě)更加復(fù)雜的固件程序，設(shè)計(jì)是參考官方技術(shù)手冊(cè)。

3 角振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

USB發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)需要使用上位機(jī)接收，并顯示出來(lái)。Windows自從Windows XP開(kāi)始就不再提供底層接口，因此為了使USB設(shè)備能夠正常工作，使CY68013工作于SLAVE FIFO模式，需要為CY68013編寫(xiě)固件程序。對(duì)于從USB發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，需要上位機(jī)進(jìn)行處理，然后將數(shù)據(jù)保存并顯示出來(lái)，因此上位機(jī)是提供人機(jī)接口的不可或缺的一環(huán)。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)操作，必須設(shè)定實(shí)時(shí)中斷對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，這樣才能保證數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確接收。最后，使用DSP實(shí)現(xiàn)控制功能，完成控制算法的編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)控制程序。

3.1 USB固件程序設(shè)計(jì)

固件的主要功能是配置芯片，使硬件在上電后工作在指定的狀態(tài)，通過(guò)配置MCU的各個(gè)寄存器完成這一目的，固件程序?qū)ο到y(tǒng)的配置有以下方面：配置FX2工作頻率為48 MHz，IO口設(shè)置PB和PD作為數(shù)據(jù)端口，端點(diǎn)選擇EP2和EP6，端點(diǎn)使能，設(shè)置端點(diǎn)工作方式，端點(diǎn)極性，完成設(shè)備的枚舉和重枚舉，對(duì)主機(jī)向USB設(shè)備發(fā)送的請(qǐng)求進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)，設(shè)置USB設(shè)備和外設(shè)通信使用SLAVEFIFO模式。

3.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序設(shè)計(jì)包括Winform界面設(shè)計(jì)和后程臺(tái)序設(shè)計(jì)。

本文的上位機(jī)一共兩個(gè)界面，一個(gè)主界面，用來(lái)控制USB傳輸;另一個(gè)界面是繪圖界面，使用chart控件實(shí)時(shí)繪制曲線(xiàn)。

后臺(tái)程序設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)初始化主要作用為初始化程序界面，初始化USB控制過(guò)程中的各個(gè)控制類(lèi)，定時(shí)中斷接收數(shù)據(jù)，使用定時(shí)100 ms的中斷接收數(shù)據(jù)，使用bulk方式傳送，其他部分的程序主要功能為實(shí)現(xiàn)一些底層函數(shù)和上位機(jī)界面的繪制工作，實(shí)時(shí)曲線(xiàn)繪制工作。

術(shù)前意識(shí)狀態(tài)是預(yù)后最重要的決定因素,有無(wú)意識(shí)的障礙和他們的程度,可以直接反映腦實(shí)質(zhì)受損的情況。我們提倡盡快手術(shù),及時(shí)清除血腫對(duì)腦組織的壓力[3]。術(shù)前腦出現(xiàn)腦疝的預(yù)后較差,死亡率也大大增加,因?yàn)轱B內(nèi)壓力極高導(dǎo)致不良結(jié)局,在腦疝發(fā)生前尋求早期手術(shù)和改善患者是很重要的,能夠有效提高患者預(yù)后和提高生存質(zhì)量。

3.3 DSP底層程序設(shè)計(jì)

DSP是整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的處理中心，所有的控制算法都在DSP上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，必須合理配置DSP，才能為算法移植提供一個(gè)好的工作環(huán)境。

首先進(jìn)行DSP初始化程序設(shè)計(jì)，DSP的初始化程序執(zhí)行的工作主要為：配置鎖相環(huán)，將系統(tǒng)的工作時(shí)鐘設(shè)置為200 MHz；配置中斷服務(wù)程序，設(shè)置中斷服務(wù)程序地址，關(guān)閉中斷，清除標(biāo)志；配置EMIF，配置管腳，將一些復(fù)用的管腳設(shè)置為EMIF的地址總線(xiàn)[13]；配置實(shí)時(shí)中斷，設(shè)置實(shí)時(shí)中斷的定時(shí)周期20 kHz，最后使能中斷。

然后進(jìn)行系統(tǒng)定時(shí)中斷處理程序設(shè)計(jì)，定時(shí)器是系統(tǒng)滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的核心，系統(tǒng)的控制程序都是在定時(shí)器中完成的。通過(guò)配置DSP的寄存器，設(shè)置片上定時(shí)器的周期，配置好定時(shí)器中斷和中斷處理程序，在中斷處理程序中，執(zhí)行控制算法。每當(dāng)定時(shí)器完成一次定時(shí)，就會(huì)引發(fā)定時(shí)器中斷，然后程序跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序中，在中斷處理程序中，實(shí)現(xiàn)使能定時(shí)器中斷，讀取角振動(dòng)臺(tái)位置，執(zhí)行控制算法。

本設(shè)計(jì)使用的DSP芯片TMS320C6726是32位浮點(diǎn)型DSP處理器。

3.4 自抗擾算法實(shí)現(xiàn)

實(shí)際運(yùn)行時(shí)，將速度環(huán)自抗擾和位置環(huán)自抗擾寫(xiě)成一個(gè)函數(shù)，這樣看起來(lái)更加方便，調(diào)參也更靈活。位置反饋使用光柵讀取的位置值;速度反饋使用光柵讀取的位置值進(jìn)行差分求得。然后進(jìn)行過(guò)零處理，過(guò)零之后作為反饋值帶入自抗擾控制器[14]中，算法采用后向差分法離散化，程序使用C語(yǔ)言編寫(xiě)。

4 角振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)調(diào)試實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)的調(diào)試實(shí)驗(yàn)是在一款單軸轉(zhuǎn)臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的，雖然單軸轉(zhuǎn)臺(tái)和角振動(dòng)臺(tái)的相關(guān)參數(shù)差別很大，使用直流力矩電動(dòng)機(jī)而不是音圈電動(dòng)機(jī)，但是直流力矩電動(dòng)機(jī)和音圈電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型相同[15]，且單軸轉(zhuǎn)臺(tái)和角振動(dòng)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)相似，因此數(shù)學(xué)模型只差在一些參數(shù)上，主要體現(xiàn)在電動(dòng)機(jī)的時(shí)間常數(shù)和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量上。轉(zhuǎn)臺(tái)為了使轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，波動(dòng)小，會(huì)將臺(tái)體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量設(shè)計(jì)的很大，而角振動(dòng)臺(tái)為了加快動(dòng)態(tài)過(guò)程，會(huì)將臺(tái)體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量設(shè)計(jì)的盡可能小，以上這些區(qū)別使轉(zhuǎn)臺(tái)和角振動(dòng)臺(tái)在反應(yīng)速度上有很大差別，但是其基本模型相同，因此使用單軸轉(zhuǎn)臺(tái)來(lái)代替角振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行調(diào)試，最后只需要重設(shè)調(diào)節(jié)參數(shù)即可完成算法移植。實(shí)驗(yàn)中使用的控制板為本文設(shè)計(jì)的高速控制板，如圖2所示,轉(zhuǎn)臺(tái)為一款單軸轉(zhuǎn)臺(tái)，如圖3所示，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器為帶電流環(huán)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器如圖4所示，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器使用單獨(dú)的線(xiàn)性恒壓電源供電，如圖5所示。

4.1 階躍輸入調(diào)試實(shí)驗(yàn)

先將轉(zhuǎn)臺(tái)的位置歸零，然后給定一個(gè)5°的階躍信號(hào)，調(diào)整自抗擾控制器參數(shù)，得到其階躍響應(yīng)。從階躍響應(yīng)可以看出，自抗擾觀測(cè)器穩(wěn)態(tài)精度高，略有超調(diào)，超調(diào)在0.38%左右，調(diào)節(jié)速度快，性能良好。

4.2 振動(dòng)輸入調(diào)試實(shí)驗(yàn)

角振動(dòng)臺(tái)作為振動(dòng)仿真平臺(tái)，其最常見(jiàn)的輸入信

圖2 轉(zhuǎn)臺(tái)高速控制板

圖3 單軸轉(zhuǎn)臺(tái)

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電源

圖6 跟蹤1 Hz正弦波

圖7 跟蹤20 Hz正弦波

從圖7可以看出，跟蹤20 Hz正弦波時(shí)已經(jīng)有很大的誤差了，此時(shí)時(shí)間滯后0.005 s，折合相位滯后為36°，波形賦值衰減7.5%，波形基本不失真，基本可以跟蹤20 Hz正弦波。

跟蹤30 Hz正弦波時(shí)，波形已經(jīng)失真，波形和輸入波形有很大差距，而且輸出波形不穩(wěn)定，隨時(shí)間在變化，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此，系統(tǒng)不能跟蹤30 Hz正弦波。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)角振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)要求較高實(shí)時(shí)性的要求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)功能全面的控制系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)及上位機(jī)界面，采用DPS加FPGA的控制方案，基于C#設(shè)計(jì)了上位機(jī)程序，使用USB控制類(lèi)庫(kù)控制USB傳輸，將數(shù)據(jù)反饋到主機(jī)上進(jìn)行分析，驗(yàn)證了硬件平臺(tái)的性能可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，證實(shí)了自抗擾控制器的性能，適合于運(yùn)動(dòng)控制，反應(yīng)快速，超調(diào)小，穩(wěn)態(tài)精度高。

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