篓 PARTS D& 与ES设IG计N I● 一■ 文献引用格式:路新,闰雯雯,任健男.动载体光电稳定平台伺服控制系统设计[J].电视技术,2017,41(6):117—121. LU X,YAN W W,RENG J N.Moving carrier photoelectirc stabilized plafformservo control system design[J].Video engineering. 2017,41(6):117—121. 中国分类- ̄-:TP'273.4 文献标识码:A DOI:10.16280/j.videoe.2017.06.023 动载体光电稳定平台伺服控制系统设计 路新,闫雯雯,任健男 (中国电子科技集团第三研究所,北京100015) 摘要:基于数字控制器TMS320F28335和驱动器MSK4226模块,利用光纤陀螺作为惯性空间角速率反馈传感器,完成了一 种动载体光电稳定平台伺服控制系统的硬件和软件设计。详细介绍了硬件设计要求和原则、实现方法,分析了控制软件 需求,设计流程,控制周期。测试结果达到预期要求,并将该系统应用于实际稳定平台设计中。 关键词:光电稳定平台;伺服控制;数字控制器 Moving carrier photoelectric stabilized platform servo control system design LU Xin,YAN Wenwen,RENG Jiannan (The Third Institude ofCETC,Be ̄ifng 100015,China) Abstract:Based on the digital controller TMS320F28335 and the driver MSK4226 module,the hardware and software design of the servo control system of the photoelectric stabilized platform of a moving carrier is completed by using the fiber gyro as the inertial angular rate feedback sensor.The hardware design requirements and principle are introduced in detail.The control software re— quirement,design flow and control cycle are analyzed.The test results meet the requirements and the system is applied to the de— sign of actual stabilized platform. Key words:photoelectric stabilized platform;servo control;digital controller 光电捕获、跟踪、瞄准系统广泛应用于航天、航 负载通过专用负载框架安装于气密的俯仰球舱内。 空、森林消防、边界巡逻、激光通信、目标自动跟踪等 方位、俯仰均采用直流力矩电机直接驱动。为方便 军用、民用领域。随着应用的不断扩大,传统的光电 成像跟踪系统从陆基平台向车载、舰载、机载等运动 载体上发展,因此光电稳定平台的需求应运而生。 以速率光纤陀螺为反馈传感器的伺服控制系统作为 光电稳定平台的一个重要组成,其作用主要有两点: 后期调试及维修,采用方位、俯仰伺服控制驱动电路 板硬件、软件架构相同设计,布置方案。方位伺 服控制电路安装在平台基座正下方,俯仰伺服电路 安装于U型框架左侧,两控制板和上位机通过CAN 总线连接。稳定平台采用整体稳定的方案,即利用 1)隔离动载体的运动及振动,使安装在平台上的光 安装在俯仰球舱,敏感轴与俯仰轴平行的光纤角速 学传感器的视轴在惯性空间内保持稳定,从而获得 率陀螺感应俯仰轴在惯性空间的转动角速率,利用 清晰有效的图像,以供观测处理;2)配合光电系统驱 安装在u型框架侧耳,敏感轴与方位轴平行的光纤 动平台完成各种运动模式和图像目标跟踪 。本 角速率陀螺感应方位轴在惯性空间的转动角速率。 文重点介绍了一种基于TMS320F28335和直流电机 方位或俯仰陀螺敏感到绕轴的扰动运动时,通过 驱动器MSK4226的动载体光电稳定平台伺服系统 RS422总线,将陀螺数据送至控制电路,经DSP处理 的实现方法。 后输出控制信号驱动与框架直连的力矩电机反向运 l 稳定平台结构及稳定方案的选择 动,使视轴在惯性空间保持稳定。另外,方位、俯仰 轴上还安装有RS422接口的绝对值光电编码器。图 稳定平台的机械主体结构包括方位和俯仰两个 1为稳定平台单轴伺服系统框图。 运动轴系,两轴系采用U—O的框架组合形式。光学 投稿网址http://www.videoe.cnf《电视技术》第41卷第6期(总第494期)117 - RT I十D 嘲期擞蛹 idt o n qi…t-in d 图1 稳定平台单轴伺服系统框图 由于本系统方位轴和俯仰轴采用同样的控制策 略,其方位、俯仰轴伺服稳定控制回路框图如图1所 输 示。由图1可知,系统内环是电流环,它是高性能伺 服系统构成的根本,直接影响整个系统的动态性能, 其动态特性又直接关系到控制策略的实现。中环是 速度环,它是平台稳定的关键,光电传感器所摄图像 的稳定及清晰性直接由速度环的性能决定_4 J。图中 的角速率命令,可以是单杆手动操作输出,角位置闭 翥1 1芬 T 环调节器输出,图像跟踪调节器输出,这三者的输出 构成伺服外环,即各种工作模式。 2 控制系统硬件设计 硬件设计原则:基于TI的TMS320F28335完成 RS42A ̄ lI卧sC IB oAs ssx 盯lI一 囊 LH舄鎏一爱莫 较大程序的仿真、在线编程的需要。由于集成3个 UART,2个CAN控制器,18个PWM输出,便于应用 功耗小,性能高,外设丰富。片上数据存储区高达 方位、俯仰控制电路采用相同的硬件设计,功率电路 大,34 kword(word,字),程序存储区高达256 kword,满足 和控制弱电要隔离,对外通信接口要隔离。 接口:1)光纤陀螺输入RS422接口1路,周期 0.5 nls,数据传输速率614.4 kbit/s;2)光电编码器 输入RS422接口1路,周期1 ms,传输速率1 15.2 在各种电机运运动控制系统中。由于具有如上特点, kbit/s;3)与上位机进行CAN通信接口1路,周期20 本硬件方案选择该款芯片作为主控制器。InS,获得工作模式命令和图像跟踪误差,传输速率 2.2驱动器MSK4226电路设计 MSK4226是一款H桥混合电路,可用作DC有刷 500 kbit/s。 直流力矩电机驱动能力:48 V DC供电时,连续 电机控制。由于内部导通电阻仅有0.013 Q,所以当 流过8 A电流时,内部功率耗散为0.832 W,为了适应 峰值电流不小于8 A。 完成功能: 1)完成电机电流采集,电流闭环; 在70 ̄C环境下工作,在该功率模块的顶部安装散热 片,保证功率模块不会因为过热损毁。内部自带高低 边逻辑控制,输入可以单独控制任一个MOSFET,死区 2)完成陀螺数据接收,角速率闭环; 3)接收上位机的命令,完成各种工作模式的切 换,1 H1S一次角位置闭环,20 ms一次跟踪闭环。 控制可以保护任意桥臂上的两只管子不会出现上下 短路,具有使能关断功能。最大工作电压75 V,具有 连续峰值电流10 A,峰值电流20 A的输出能力。 在驱动器11、12脚,19、20脚分别放置两片 控制系统硬件结构框图,如图2所示。 2.1 主控芯片TMS32OF28335 Q精密采样电阻,用于电流采集。在电机电源、 TMS320F28335运算主频150MHz,并带浮点运算 0.0l用 单元的C2000运动控制MCU。该芯片运算动态范同 驱动器输出端、电机电源地之间放置续流二极管,118《电视技术》第41卷第6期(总第494期)I投稿网址http://www.videoe ca .吗稠魏 “j H…f rl” PARTS D& l与ES G计N_ ■ L 于保护驱动器免受换相电流的冲击。在驱动器两条 输jIj线之问放置阻容吸收电路,消减PWM电 【 冲 尖峰,减少电磁十扰 电路如图3所示 n ^ 广 ] …I 1^ 剜 丑睦 _L Il1()R_f’ !: 7 j 图 图3 MSK4226驱动模块的设计电路(截i习) .信号调理电路(截图) 1 电 l A电流产生. 的电 , 2.3 电流隔离放大采集电路设计 放大芯片 具有.俯的典 放大f 教,fJf 组成的放大倍数为3的负反馈放人fU 『fi于电机功率驱动噪声较大,为避免 扰卡Il拟 m ’n. 当电流为8A时,电 输…1. 州 !、A1)采集电路和数字电路等弱点区域I 作,必 路后输}须 电路饭I:实施电气隔离 本方案中采川岛 度 线性比粥ACPL79B对0.01 Q电阻采样的电 ,l配 成可以采集±.5、的愤拟U 满 没汁电 采集的 需要一 控击4 ,If1. 、1)一 接[『n,J碰什没 进 隔离 ACI’L79B输f且差分模拟信号送人刽fl1 2.3对外隔离通信电路设计 币lJ j 白 苻 骶噪J:i 运钟:放大器OPA2209组成的差分转I 端负 反馈放大 路,进行调理 南C30、R15、R16、【:3l组 成 阶彳丁源巴特沃斯低通滤波电路对渊理信 进行 滤波,最终『11采样速率高达l MHz的16位AI) 1“2。,片 A1)767 l 成模拟到数字的转换,通过并L]总线浸入 u 利J ’t 对于 隔离 l产乍电气隔离和3.3 V到5 V的f 、卜转换, 接f I芯片完成 总线接口的i=殳汁,利 TI公・d的 片J收发器完成,陔芯J Ll J。以 的电爪 ,隔离通信电路 汁『』I1 1)SP28335完成采集功能. 电流采样隔离电路没汁 离至少 所,J 隔离通信没汁的天键在于产生隔离I 源,以 』『Il【矧4/;Ji:4 ̄,信 ’州理电路如同5所示 免外部通信线缆【:的噪声通过通信线和小 路饭』 : 也l 1路,十扰水板、 I,q 图4 电流采样隔离电路(截图) 图 对外通信隔离电路设计(截阳) 投稿网址 : . . 《电视技术》第 卷第期(总第 期) _ RT .十D 嘲拥弦趱 矿 i E 0 4i…rin 3 控制回路分析与软件流程 3.1控制回路分析 周期,电流环采用0.05 ms的调节周期,所以在时钟 定时器中,使用50 s定时中断作为控制系统基本 时间节拍。经电流环校正输出的计算结果,通过 控制系统包括各种工作模式切换(外环),角速 TMS320F28335自带的EPWM片上外设,调制频率 率调节、电流调节,三环调节。由于工作模式不同, 为20 kHz的PWM波占空比,控制驱动器MSK4226 外环校正的周期也不同。图像跟踪调节由于受摄像 输出电压,带动电机运转。 机场频,调节周期为20 ms。角位置回路由于编 工作模式包括平台归零、自动跟踪、手动、自动 码器输出为1 IIlS一次,可以完成1 ms一次的调节校 搜索、外部引导,它们之间存在优先级关系,模式切 正。根据经典控制理论,内环的调节周期要为外环 换流程如图7所示。 周期的整数倍,因此决定采用角速率0.5 nqs的调节 v//rL| 人 Ⅱ日[ 、\N N \ N \ Y lY f 『转动到指定位置, 志位,清闭环命令, 转台PEADY命令。 直接从CAN ̄g箱中 方位角位置命令赋 值,位置控制闭环, 设置扫描位置边界, |府仰角速率命令赋 俯仰角速率命令赋 值为0 1 置平台归零完成标 谈取目标相对市场 中心的误差差命令 进行校正_输出校正 结果给角速率命令 直接从CAN¥ ̄箱 中读取角速率命 令赋值 值为0,方位角速率 I 、赋值为5。/s,在左右 离开外部引导要将 边界之间往复扫描 方位命令闭环变 量清零 图7各工作模式切换流程 3.2软件流程 控制将电流环校正成典型1型系统 。 根据控制回路分析以及工作模式转换流程,软 令电流校正函数G (S)= ( s+1)/ r s,其中 件设计流程如冈8所示。CAN口每20 hiS从上位机 r 为电机电气时间常数。 获取T作模式和控制数据,同时,方位、俯仰控制板 根据以往T程经验,开环截至频率满足: 将本轴当前 ] 作模式,绝对角度,角速率通过CAN 1 总线不同的邮箱反馈给上位机。方位、俯仰控制板 根据工作模式选择闭环校正方式,按时间节拍输出 cp ,。、 ) 角速率命令。角速率环根据角速率命令和光纤陀螺 式中: 为谐振峰值; 为控制回路的采样周期; 反馈数据,每0.5 ms校正一次并将赋值给电流控制 ∑Ti为时问常数小于 的小时间常数总和。将电 命令。电流环根据电流控制命令和AD7671采集电 流环调节周期设置为50 s,调节参数后 ,使电流阶 机电流数据,每50 s校正一次改变PWM波占空 跃满足快速性的同时,无超调或超调较小,即可完成 比,使驱动模块MSK4226调节电机运动。 电流校正环的调试。 3.3电流环、角速率环PID设计 电流环是高性能伺服系统构成的根本,直接影 角速率环是平台稳定的关键,光电传感器所摄 图像的稳定及清晰性直接由速度环的性能决定。它 响整个系统的动态性能,其动态特性又直接关系到 要满足系统所要求的动态范围,即要有足够大的开 控制策略的实现。根据经典控制理论,电流环主要 环增益、较好的机械特性。影响角速率环动态特性 完成对电流的跟随,并且电流阶跃无超调,故使用PI 的主要网素是传递函数的增益、带宽以及结构形式。 120《电视技术》第41卷第6期(总第494期】l投稿网址http://www.videoe.cn ●秘麓● i ¨ _■I川ri PARTS D& 与ES设IG计N舞露● ■ 系统上电初始化 CAN口接收数据处理 、 f 赔 辍 曼 l CAN口向方位板发 l送数据和工作状态 角速率校正 \ \ l Time/s a方位电流阶跃 1.5 转台转动到相对零度位置, 置转台准备好标志位置位 根据发送的 模式命令,工作于不 同工作模式 l f 0.5 、 0 辍 一O.5 1 需要跟 要位. 习环? ——\ { 0005 .一一V 1.5 0 m0.01 0 015 0.02 0.025 Time/s N 收到? 跟踪误差校正 b俯仰电流阶跃 图9方位、俯仰电流阶跃响应 15 角速率命令赋 l0 图8控制软件设计流程图 5 P I 角速率环设计从跟随指令输入和隔离载体扰动两方 面来考虑。从稳定角度考虑,提高速率环增益,则隔 离载体低频扰动的效果就好,但高增益将受到机械 结构谐振频率环节的。控制程序中将角速率校 正环节设计为滞后超前的形式_6 J。 O 一蒋0 一7 5 10 -—15 O 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Time/s 4 调试结果 4.1电流环测试 i a方位角速率阶跃 在电流命令端输入±I A的阶跃命令。通过 AD7671的采集结果观察测试结果。方位、俯仰电流 环测试结果如图9所示。电机电流无明显超调,方 位、俯仰电流上升时间均小于2 Ins。 4.2角速率环测试 /r f I i ; ; ; 在角速率命令端输入-I-l0。/s的阶跃命令。通 过接收光纤陀螺反馈数据观察测试结果。方位、俯 仰角速率测试结果如图l0所示。方位角速率阶跃 O 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 l Time/s b俯仰角速率阶跃 超调12%,俯仰角速率阶跃超调20%,方位、俯仰电 流上升时间均小于50 ms,并在小于160 ms的时间 内进入稳定状态。 图10方位、俯仰角速率阶跃响应 (下转第126页) 投稿网址http://www.videoe.cnl《电视技术》第41卷第6期(总第494期)121 I P 1 /I叠|甥皴攫 8/I 。 … … 大小,比较了两者的RCS变化趋势,给 了优化改 进方向。按照优化方法,重新设计了转台外形—— 6, 、 六棱锥形光电转台。通过仿真可以看到,尤沦檄值 点或是后向散射,六棱锥形光电转台郁比常规外形 一、蓄一量 ,,一 ,//一、、、、 一、、 喜一 ; 、\、、 ,,, 一 , ,j 、\、 ,,,/ 、 / 一 、光电转台耍低,外形改进隐身效果明显。 但也应看到,同等特 尺寸下,六棱锥_彤转俞外 形隐身效果的改进,伴随着载荷空问变小,俯仰运动 、、,,一一一\一 1 5 ,\,\ / 、,j ,\、 ,范同的降低,所以在选择无人艇光电转 时,需要根 据使用要求,综合权衡载荷、运动范闱、工艺可行性 及经济因素等各方面要求,以期综合性能最佳 本文通过对常规外形光电转俞优化改进,为无人 艇载光电转台隐身设计提供了思路,但限于篇幅,仿 真还不够全面,接下来还需要进行不同频率、不同姿 态、不同入射方向、不同极化方式下,转俞RCS的仿真 验证,进一步为转台的优化选型,提供更全面的参考 参考文献: [1]阮颖铮.雷达截而与隐身技术[M].北京:【下J防I 、【 …版 社,1998. 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