邵 婷,胡 瑛,王昌鋒,王晉安,張鵬飛

(西北機(jī)電工程研究所， 陜西 咸陽 712099)

瞄準(zhǔn)裝置是配備于某艦炮武器系統(tǒng)上的一種半自動操瞄系統(tǒng)，可以通過操縱瞄準(zhǔn)裝置來搜索、識別、捕獲、跟蹤目標(biāo)，控制艦炮獨(dú)立完成對海陸空低速目標(biāo)的打擊。瞄準(zhǔn)裝置伺服系統(tǒng)用來控制瞄準(zhǔn)鏡的運(yùn)動，它的跟蹤精度直接影響艦炮的命中率。筆者以DSP+CPLD框架為核心，從減小體積、提高伺服精度，適應(yīng)寬溫度范圍，提高系統(tǒng)抗干擾能力的角度考慮，采取帶前饋的三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和帶溫度系數(shù)的PID算法設(shè)計實(shí)現(xiàn)了位置控制精度高、體積小、集成度高的直流伺服系統(tǒng)，以適應(yīng)戰(zhàn)場惡劣環(huán)境，實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)鏡的精確運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 瞄具伺服系統(tǒng)工作原理

1.1 系統(tǒng)工作原理

瞄具伺服系統(tǒng)是一種由火控計算機(jī)給出位置量來控制瞄準(zhǔn)鏡運(yùn)轉(zhuǎn)的角位置伺服系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)方位和高低方向的獨(dú)立運(yùn)動或復(fù)合運(yùn)動。設(shè)計瞄準(zhǔn)鏡控制器實(shí)際上是設(shè)計了控制方位、高低運(yùn)轉(zhuǎn)的兩套位置環(huán)調(diào)節(jié)器，分別對方位、高低運(yùn)動進(jìn)行控制。本系統(tǒng)中，瞄準(zhǔn)鏡在方位、高低上運(yùn)行角度均受限制，主要是保證工作人員的安全以及避免瞄準(zhǔn)鏡受到損壞。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示[1]。

1.2 提高系統(tǒng)精度的措施

在瞄具伺服系統(tǒng)中，瞄準(zhǔn)鏡的最高轉(zhuǎn)速為30(°)/s，相當(dāng)于轉(zhuǎn)速5 r/min，系統(tǒng)選擇低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的直流電機(jī)來直接帶動瞄準(zhǔn)鏡；選擇精度高、可靠性強(qiáng)的速比為1∶32的粗精通道組合的旋轉(zhuǎn)變壓器作為系統(tǒng)位置檢測元件；同時本系統(tǒng)中采用力矩電機(jī)與旋轉(zhuǎn)變壓器為同軸安裝，摒棄復(fù)雜的機(jī)械傳動鏈以減小傳動間隙，提高系統(tǒng)精度[2]。

采用帶前饋的三閉環(huán)方案以提高系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能；為使瞄具在寬溫度條件下達(dá)到指標(biāo)要求，克服因溫度變化引起的系統(tǒng)摩擦力變化，系統(tǒng)采用測溫范圍寬，分辨率高的數(shù)字式溫度傳感器與DSP連接，獲取環(huán)境溫度，作為PID參數(shù)調(diào)整時的依據(jù)。

本系統(tǒng)控制器采用DSP和CPLD結(jié)合的方法，利用TMS320F28335高速浮點(diǎn)運(yùn)算能力處理軟件算法程序，利用CPLD邏輯能力強(qiáng)處理速度快的優(yōu)點(diǎn)，簡化外圍電路，減小控制器體積，提高系統(tǒng)可靠性和兼容性[3]。

2 伺服系統(tǒng)硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)功能

該伺服方位(高低)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)功能框圖如圖2所示[4-5]，由DSP控制電路用定頻調(diào)寬法調(diào)制PWM波，輸入至驅(qū)動電路以驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動；數(shù)字式溫度傳感器通過IO口讀入溫度數(shù)據(jù)，作為PID參數(shù)選擇的依據(jù)；電流檢測電路用于對電機(jī)的輸入電流進(jìn)行檢測，經(jīng)AD采樣后輸入至DSP作為電流反饋；位置檢測電路用于完成對電機(jī)運(yùn)動角度的提取和量化，輸入至DSP作為速度和位置反饋；CAN總線通信電路用于將伺服系統(tǒng)連接至CAN總線網(wǎng)絡(luò)，DSP與火控計算機(jī)之間接收位置給定、發(fā)送位置反饋，交互電路主要是實(shí)現(xiàn)計算機(jī)與DSP的通信，設(shè)置電機(jī)參數(shù)和期望的被控對象運(yùn)動軌跡，計算機(jī)通過與DSP的通信實(shí)時掌握系統(tǒng)的運(yùn)行情況；存儲電路用于儲存PID參數(shù)。

2.2 主要電路功能模塊介紹

由于直流電動機(jī)要求工作在正反轉(zhuǎn)的場合，本系統(tǒng)采用雙極性驅(qū)動的可逆PWM系統(tǒng)，選擇體積小，功率大集成了驅(qū)動電路、功放電路、過電壓電流檢測及熱過載保護(hù)電路的SA03作為功率驅(qū)動器件，DSP的定時計數(shù)器比較單元根據(jù)軟件控制算法計算出PWM控制量，輸出一定頻率的調(diào)寬波，由輸出引腳GPIO0經(jīng)光耦6N137給至SA03的+PWM引腳[2]。

將SA03的保護(hù)電機(jī)的引腳接入CPLD，同時接入CPLD的還有DSP停止信號、DSP運(yùn)行信號，瞄準(zhǔn)鏡機(jī)械位置的上限和下限信號，在CPLD中編寫相應(yīng)的保護(hù)邏輯電路，以避免程序運(yùn)行死鎖或跑飛導(dǎo)致負(fù)載電機(jī)飛車。

電流檢測選用霍爾電流傳感器LTSR6-NP，將傳感器測得的電壓信號經(jīng)放大器的比例電路和電壓跟隨后進(jìn)入DSP的AD轉(zhuǎn)換通道[2]。

位置檢測選用AD公司的AD2S83將旋轉(zhuǎn)變壓器信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入DSP中[6]。本系統(tǒng)需要2片AD2S83，采用CPLD作為AD2S83和DSP之間的接口芯片，用CPLD來控制AD2S83的BUSY信號。當(dāng)DSP不需要讀取數(shù)據(jù)時，GPIO置為高電平，每一個BUSY的下降沿將每次轉(zhuǎn)化后的角度鎖存到CPLD中。當(dāng)DSP需要讀取各通道的數(shù)據(jù)時，首先把GPIO置為低電平，禁止CPLD中鎖存器內(nèi)容變化，然后分別讀取每個鎖存器的數(shù)據(jù)，不需要加入任何等待狀態(tài)，提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時性，只需讀完以后再把GPIO置為高電平即可[6]。

采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20通過一個IO口與DSP連接，通過軟件編程按照一定時序讀出12bit數(shù)字量表示的溫度信息，作為PID參數(shù)調(diào)節(jié)的依據(jù)。

3 軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

3.1 控制算法設(shè)計

從通常意義上來理解，相同PID參數(shù)情況下，恒速段位置跟蹤誤差與傳動機(jī)構(gòu)摩擦轉(zhuǎn)矩有關(guān)。而在加減速段，位置跟蹤誤差不僅與傳動機(jī)構(gòu)中摩擦轉(zhuǎn)矩有關(guān)，還與伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上轉(zhuǎn)動慣量的大小有關(guān)。而提高轉(zhuǎn)動慣量的加減速能力，就必須增加轉(zhuǎn)矩大小，或增加轉(zhuǎn)矩命令信號的提前量，也就是轉(zhuǎn)矩前饋[7]。基于以上考慮引入了速度前饋和轉(zhuǎn)矩前饋。

三閉環(huán)控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示[8]。在電流環(huán)和速度環(huán)均采用增量式PI調(diào)節(jié)，在位置環(huán)采用增量式PID調(diào)節(jié)，速度前饋?zhàn)饔迷谒俣乳]環(huán)的給定信號上，同時命令信號中的加速度信息(即轉(zhuǎn)矩前饋信號)作用到轉(zhuǎn)矩閉環(huán)給定信號上。電流環(huán)每1個PWM周期、速度環(huán)每20個PWM周期、位置環(huán)每200個周期可調(diào)節(jié)1次。

為使系統(tǒng)適應(yīng)寬溫度范圍，克服高低溫時不同的摩擦力，避免參數(shù)變換時瞄準(zhǔn)鏡出現(xiàn)抖動，本設(shè)計引入了溫度系數(shù)A(t),A(t)=t/T,其中，T為常量，是常溫溫度，本文取值25，t為變量，為數(shù)字測溫芯片測出的實(shí)際溫度。在每個環(huán)節(jié)的PID參數(shù)前均加有溫度系數(shù)，當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度時，溫度系數(shù)起到調(diào)整PID參數(shù)的作用。同時，系統(tǒng)對三環(huán)的最大輸出均進(jìn)行了限制。限制電流環(huán)主要是限制PWM輸出，保護(hù)電機(jī)不受損壞，限制速度環(huán)主要是為了減小系統(tǒng)振蕩，限制位置環(huán)主要是為了避免瞄準(zhǔn)鏡撞限。

3.2 參數(shù)整定

PID參數(shù)決定系統(tǒng)性能的好壞，本系統(tǒng)在參數(shù)調(diào)試界面中讀取系統(tǒng)給定、回路輸出和兩者之間的誤差曲線，依靠分析比例、積分、微分的基本性質(zhì)，判讀趨勢圖中比例、積分、微分的基本曲線特征，從而對PID參數(shù)進(jìn)行整定。

參數(shù)整定時遵循的基本原則是：把三閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)孤立成3個單回路；先整定電流環(huán)回路，再整定速度環(huán)和位置環(huán)回路，再全面考慮；在各回路調(diào)節(jié)時，把P、I、D 隔離開來，先去掉積分、微分作用，讓系統(tǒng)變?yōu)榧儽壤{(diào)節(jié)方式，然后再考慮積分，最后再考慮微分；設(shè)置前饋信號和反饋信號系數(shù)，及時調(diào)整系數(shù)，避免因前饋信號和反饋信號過強(qiáng)造成系統(tǒng)振蕩。

在實(shí)際調(diào)試中，速度環(huán)參數(shù)對系統(tǒng)影響較大，電流環(huán)參數(shù)調(diào)好后可基本不動。每次整定時，可將速度環(huán)作為主調(diào)回路，位置環(huán)作為副調(diào)回路，主調(diào)的比例弱，積分強(qiáng)，以消除靜差；副調(diào)的比例強(qiáng)，積分弱，以消除干擾。

3.3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)控制軟件包括主程序和中斷服務(wù)子程序。程序流程框圖如圖4所示。

主程序主要完成DSP初始化、開中斷后等待啟動信號。當(dāng)啟動信號到達(dá)后進(jìn)行AD采集，溫度采集，RDC轉(zhuǎn)換，獲取電流反饋和位置反饋的數(shù)據(jù)，進(jìn)入位置環(huán)調(diào)節(jié)器、速度環(huán)調(diào)節(jié)器和電流環(huán)調(diào)節(jié)器，最終產(chǎn)生PWM信號隔離后輸出至驅(qū)動電路，啟動信號清零后等待下一次循環(huán)。在定時器中斷中開啟啟動信號。在ECANa中斷中等待火控計算機(jī)主令并回發(fā)火控計算機(jī)所要求的信號。在ECANb中斷中等待PC機(jī)主令并回發(fā)PC機(jī)所要求的信號。

PC機(jī)交互界面是基于周立功公司的USBCAN-2A智能接口卡的接口函數(shù)用Delphi開發(fā)而成。它能接收DSP發(fā)出的隨動系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并且能夠把所需數(shù)據(jù)用實(shí)時曲線繪制，能把數(shù)據(jù)保存到excel表格中；能根據(jù)選擇給DSP發(fā)送常用的調(diào)試信號，讓系統(tǒng)在指定信號下運(yùn)行，觀測其各項(xiàng)指標(biāo)，了解系統(tǒng)性能，更好的對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，對系統(tǒng)參數(shù)改進(jìn)提供依據(jù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

用階躍信號、三角波信號和正弦信號作為系統(tǒng)輸入信號測試伺服系統(tǒng)的性能。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，系統(tǒng)靜態(tài)誤差小，穩(wěn)態(tài)精度高，對含有加速度和加加速度信號的正弦信號的跟蹤誤差也滿足指標(biāo)要求。系統(tǒng)具有良好的靜、動態(tài)性能，并具有很好的實(shí)時性和較好的可靠性。

表1 伺服系統(tǒng)跟蹤精度

5 結(jié) 論

筆者提出并研究了高性能瞄準(zhǔn)裝置伺服系統(tǒng)，利用TMS320F28335高速浮點(diǎn)運(yùn)算能力、豐富的外圍接口和CPLD強(qiáng)大的邏輯功能，大力簡化了系統(tǒng)電路設(shè)計，提高了系統(tǒng)可靠性，并通過軟件實(shí)現(xiàn)了控制算法和交互界面程序。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)采用的帶速度前饋和轉(zhuǎn)矩前饋的三閉環(huán)帶溫度系數(shù)的增量式PID控制策略使系統(tǒng)獲得了較高的跟蹤精度和優(yōu)良的動態(tài)品質(zhì)，系統(tǒng)工作指標(biāo)完全滿足要求。

[1] 賈建輝.基于DSP的天線伺服控制器設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

JIA Jian-hui.Design and implementation of antenna servo controller based on DSP[D].Harbin: Harbin Institute of Technology,2011.(in Chinese)

[2] 胡瑛.數(shù)字化瞄具伺服系統(tǒng)的研究[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2009.

HU Ying.Study of digital servo control system[D].Xi’an:Xi’an Technological University,2009. (in Chinese)

[3] Texas Instruments Incorporated.TMS320C28X系列DSP的CPU與外設(shè)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

Texas Instruments Incorporated.TMS320C28X DSP CPU and peripherals[M].Beijing：Tsinghua University Press，2004.(in Chinese)

[4] 代普.基于DSP控制的全數(shù)字轉(zhuǎn)臺直流伺服系統(tǒng)研究[J].電氣傳動自動化，2008,30(6):15-18.

DAI Pu.Research on fully-digital DC servo system of rotational equipment based on DSP control[J].Electric Drive Automation, 2008,30(6):15-18.(in Chinese)

[5] 李慶申，婁曉光，李桂花，等.基于TMS320F2812的運(yùn)動控制系統(tǒng)應(yīng)用[J].電子測量技術(shù)，2007,30(9):87-89.

LI Qing-shen，LOU Xiao-guang，LI Gui-hua，et al. Application of motion control system based on TMS320F2812[J].Eclectic Measurement Technology,2007,30(9):87-89.(in Chinese)

[6] 袁保倫，陸煜明.基于AD2S82A的多通道測角系統(tǒng)及與DSP的接口設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007(3):54-55.

YUAN Bao-lun，LU Yu-ming. Multi channel angle measuring system based on AD2S82A and it’s interface circuit design with DSP[J]. Instrument Technique and Sensor, 2007(3)：54-55.(in Chinese)

[7] 滕福林，李宏勝，葛紅宇，等.伺服系統(tǒng)中一種新型前饋控制結(jié)構(gòu)的研究[J].電氣傳動，2012,42(2):61-64.

TENG Fu-lin，LI Hong-sheng，GE Hong-yu，et al. Design on a novel feed forward control structure in servo system[J].Electric Drive,2012,42(2):61-64.(in Chinese)

[8] 劉金琨.先進(jìn)PID控制MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

LIU Jin-kun.Advance PID control MATLAB simulation[M].Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2007. (in Chinese)