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1、技 术 论 文学校： 南京理工大学 队伍： 7046 指导老师： 李军 成员1： 雷杨 成员2： 陈舒思 成员3： 邝平 作品名称：高精度稳定平台控制系统摘 要稳定平台能够隔离载体角运动，在载体机动状态下建立稳定基准面，使安装在平台上的光电设备不会因载体运动产生的抖动和滚动而丢失目标，保证光电设备准确瞄准和跟踪目标，因此广泛应用于民用和军事领域。设计的高精度稳定平台控制系统是以动力调谐陀螺仪为速度敏感元件，旋转变压器为角度测量元件，DSP控制器TMS320F28335为主控芯片，直流力矩电机为被控对象的闭环控制系统。根据所需关键器件的选型设计了系统的硬件电路，包括速度和角度信号采样电路、电机驱
2、动电路、通信电路等。采用电流环和位置环的双闭环控制方式实现系统载体静止时的伺服控制；采用电流环、速度环和位置环的三闭环控制方式实现系统在载体运动时的稳定控制。以上两种控制模式下的角度控制精度都能够达到0.05mrad，载体运动时系统稳定控制模式下隔离扰动效果很好。实测结果表明，该系统硬件结构简单，稳定性好，实时性强，具有良好的稳态和动态性能，能够满足稳定平台系统的性能要求。关键词：稳定平台 DSP 陀螺仪 伺服控制目 录1. 作品创意12. 方案设计与论证12.1 主控芯片的选择与论证22.2陀螺的选择与论证32.3 力矩电机的选择与论证32.4 位置检测元件的选择与论证33. 系统硬件与原理
3、图设计43.1 最小系统外围电路43.2 旋转变压器-数字转换器电路53.3 滤波采样电路63.4 电机驱动电路73.5 通信电路83.6 闭锁电路93.7 电源隔离电路94. 软件设计与流程104.1 主程序框架104.2中断程序设计105. 系统测试与分析135.1 系统调试环境135.2 系统静止状态下伺服控制调试结果135.3 系统运动状态下稳定控制调试结果156作品难点与创新186.1难点186.2创新点181. 作品创意陀螺稳定平台作为稳定视轴或瞄准线的主要手段，多年来一直是国内外科研机构的主要研究对象。从地面上的汽车、坦克到空中的飞机、卫星等，都可以看到陀螺稳定平台的身影。其主要
4、作用是用来消除载体受到的干扰，使载体能够按照既定的方向运动或者在惯性空间中保持稳定。本作品设计了双轴稳定平台控制系统。控制系统可工作在两种不同的工作模式：载体静止时的伺服控制和载体运动时的稳定控制。其中载体静止时系统工作于伺服控制模式，系统作用是使被稳定平台转角相对基座保持固定不变或跟随指令信号进行跟踪运动，采用旋转变压器作为角度反馈器件；载体运动时系统工作于稳定控制模式，控制系统主要功能是隔离载体运动及平台受到的各种扰动信号，保持平台相对于惯性空间稳定，以保证光电装置可以获得稳定的视场，采用陀螺仪作为平台速度反馈器件。系统两种控制模式如图1.1、图1.2所示。图1.1 载体静止时伺服控制框图
5、图1.2 载体运动时稳定控制框图2. 方案设计与论证针对稳定平台的功能和用途，我们设计了系统控制方案，系统硬件结构如图2.1所示，系统分为方位轴和俯仰轴两个自由度的控制电路设计，控制系统在这两个方向上的结构基本一致，主要可以分为信号采集、电机驱动和信息交互三部分。控制过程为：陀螺敏感到平台在惯性空间的角速度信号，经过A/D转换后变为数字信号传送给DSP主控制器，同时旋转变压器感应到的平台位置信号经过轴角粗精通道编码后，也传送到DSP中，在DSP中经过信号处理和控制算法处理后，产生控制力矩电机的信号，以抵消扰动力矩使平台稳定并跟踪目标。图2.1 方案整体设计图2.1 主控芯片的选择与论证TMS3
6、20F28335型数字信号处理器TI公司的一款TMS320C28X系列浮点DSP控制器。与以往的定点DSP相比，该器件的精度高，成本低， 功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D转换更精确快速等。TMS320F28335具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和 EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出 (HRPWM)，12位16通道ADC。得益于其浮点运算单元，用户可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，与前代DSC相比，平均性能提高50%，并与定点C28x控制器
7、软件兼容，从而简化软件开发， 缩短开发周期，降低开发成本。与作用相当的32位定点技术相比，快速傅立叶转换（FFT）等复杂计算算法采用新技术后性能提升了一倍之多。这些特点使得TMS320F28335非常适合于本设计伺服控制系统使用。2.2陀螺的选择与论证本系统所采用的陀螺仪为动力调谐陀螺仪，与常用的输出位置信号的液浮陀螺不同，该陀螺输出的是速率信号，经过调研该型陀螺是目前国内同等体积下精度较高的一款陀螺仪。动力调谐陀螺仪是一种双自由度陀螺仪，它利用可以准确补偿摩擦力矩的挠性支承悬挂陀螺转子，消除了摩擦干扰力矩，结构简单，性能可靠。外环的转子通过外扭杆与内环的平衡环相连，平衡环通过内扭杆与力矩电机
8、轴相连，转子可以绕内外轴线转动，是目前比较常用的一款陀螺仪2.3 力矩电机的选择与论证执行元件影响着被控对象的运动状况与系统精度。通常选用电机作为稳定平台伺服控制系统的执行元件。目前使用的电机有：直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电机以及直流力矩电机等。根据平台稳定系统低转速、大转矩的工作要求，选用直流力矩电机作为稳定平台伺服系统的执行元件。其主要特点是可以长期在堵转状态下运行，和负载直接相连无需加装减速齿轮，避免了空回除此之外，力矩电机还具有反映快、精度高!藕合刚度大、低转速、线性度好，体积小等优点。2.4 位置检测元件的选择与论证平台的环架位置就是各个环的力矩电机所转动的角度，比较常用的
9、获取电机转角的装置主要有光电编码器和旋转变压器等。在工业生产中光电编码器的精度可以做到很高，测量范围广，且很多数字控制器都有专用外设结构与其相匹配，所以其使用更为广泛。但在此处力矩电机的转动角度比较小，转速快慢变化范围较大，并且由于系统使用环境存在大冲击等恶劣因素，电机角度采样装置除了需要能精确地反映电机真实的转角外，还需要有较强的抗冲击和抗误差能力。旋转变压器是在测角系统中广泛采用的一种高精度角度传感器，精度高、动态性能好、抗干扰能力强，尤其适用于高温、严寒、潮湿、高速、振动等环境恶劣、旋转编码器无法正常工作的场合。它利用电磁感应原理将直线位移或转动角度精确地转换成电信号，按极对数可以分为单
10、对极和多对极型。由于粗机（单对极旋转变压器）测量范围大但精度低，精机（多对极旋转变压器）测量范围小但精度高，在测量电机角度时一般都采用精机和粗机相组合的方式获取准确角度。3. 系统硬件与原理图设计3.1 最小系统外围电路JTAG接头是DSP与仿真器的接口，通过该接口可以很方便的对DSP进行仿针和调试，图3.1所示为无缓冲器的简易接法。需要注意的是当JTAG接口与DSP的距离大于15cm时应当考虑增加信号缓冲器。图3.1 JTAG接口TMS320F228335的最高主频为150MHZ，为了正常工作需要为其提供时钟输入信号。有两种时钟提供方式，一种是直接使用外部振荡器提供，另一种是使用DSP内部振
11、荡器但需要外接石英晶振如图3.2所示。从易实现性和成本上考虑使用后种方式来为DSP提供时钟输入。图3.2 石英晶振电路电源和复位电路如图3.3所示。一路输出稳定3.3V电压，另一路选择=18.2K，由式3.1可以得到输出电压为1.9V。两路电压通过TPS3305-18来监测电压稳定情况，在按下手动复位按键和电源电压不稳时复位DSP。图3.3 电源和复位电路3.2 旋转变压器-数字转换器电路图3.4中S1，S2，S3，S4为旋转变压器输出信号，CDD0CSD11为对应的数字输出量。为了将所有输出位一次性送出，需要将BYSEL信号至高或者悬空，信号为模块的片选信号，当需要读取输出数据时需要将其置低
12、，为数据输出使能信号可以接控制器的，BUSY信号为模块转换完成标志，当转换完成时输出一个高脉冲。图3.4 旋转变压器-数字转换电路其供电电源电路如图3.5所示，电源转换模块输入为26V直流电，输出26V、400HZ交流电源。图3.5 26V交流电源3.3 滤波采样电路如前所述，陀螺速率信号、操纵瞄准信号和漂移补偿信号等需要进行滤波采样，几种信号的采样电路结构相似，以陀螺速率信号采样电路为例，如图3.6所示，信号经过前置差分放大电路进行减噪处理后，通过RC低通滤波器滤除速度信号中的高频噪声干扰，再经过电压跟随器进行前后级的隔离，最后通过模数转换转换为对应数字量。图3.6 陀螺速率信号采样电路系统
13、需要采集的模拟量比较多，对应需要读取的信号线就多，但DSP的数据线和板卡面积有限，而且对数字控制系统来说，对信号量的读取是分时进行的。因此从各方面考虑没有必要为每个读取的模拟量单独配置一个模数转换芯片，这就要求必须使用缓冲器件对信号进行锁存以便分时进行读取。以陀螺速率信号的漂移补偿和零偏补偿电路为例，就使用了多路开关来分时选通补偿量进行补偿。如图3.7所示，该多路开关最多可以选通8路模拟信号，实际中只使用了4路。图3.7 多路开关对于并行数据，使用54HC541为锁存缓冲器电路，如图3.8所示。由于锁存输出信号为5V电平标准，需要54ALVC16245进行电平转换，如图3.9所示。图3.8 锁
14、存缓冲器电路图3.9 电平转换电路3.4 电机驱动电路如图3.10所示，DSP输出的两路PWM驱动信号经过光耦HCPL2601隔离后送至集成驱动器MC33486用以驱动电机，MC33486的控制信号以及反馈信号也通过光耦进行隔离。由7805构成的电压转换电路给光耦位于电机侧信号提供单独的+5V电源。图3.10 电机驱动电路3.5 通信电路CAN通信和SCI串行通信电路如图3.11所示，本系统使用的CAN通信速率达到了1Mb/s，SCI串行通信采用了115200bit/s的波特率，经过实际调试，两路通信正常稳定，板卡间信息交互良好。图3.11 CAN和SCI串行通信电路对于CAN通信与MRC总线
15、通信转接电路，由于使用的RAM只有4K，实际只使用了1K，而DSP28335外设总线接口的ZONE0区，可以访问8K的地址空间，所以其访问范围是足够的。在此使用28335的ZONE0区访问信号线作为该双向RAM DSP侧片选，另一侧接MRC总线控制器，其电路图如图3.12所示，设置RAM为字访问模式。图3.12 双向RAM应用电路3.6 闭锁电路稳定平台在断电情况下是无法正常工作的，为了使平台方位轴和俯仰轴在断电情况下不随载体的运动颠簸作无规则运动，保护上反光镜和机械装置，本系统设置了闭锁保护电路用于在断电情况下锁定稳定平台。其工作电路如图3.13所示，由于闭锁电机是大电流设备，同样使用光耦对
16、控制信号和功率设备进行隔离，闭锁电路不需要高频触发，所以在此处使用了导通频率相对不高的普通光耦完全满足使用要求。输入高电平将使稳定平台处于闭锁状态，反之则打开电磁铁，系统工作时应打开闭锁状态的电磁铁。图3.13 闭锁电路3.7 电源隔离电路由于数字电源通常均含有高频干扰，因此模拟电源与数字电源不能直接相连通，需要经过磁珠之类的元件进行一定的隔离，如图3.14所示。图3.14 共地电路4. 软件设计与流程4.1 主程序框架系统中用到了DSP芯片的多个模块，需对其进行初始化。另外，系统在运行过程中，我们定义了多种状态，为了标识这些状态，定义一个标志位flag，通过flag的值来记录和识别系统所处的
17、工作状态。对于这些状态的具体定义，会在后面详细介绍。如图4.1为系统的主程序框图。系统一开始先关闭所有中断，对系统初始化，然后对用到的模块进行初始化，再设置中断向量表，完成这些工作后打开中断，等待中断。中断程序是用来处理信号采集、控制算法计算等工作。图4.1 系统主程序框图4.2中断程序设计整个系统的运行主要依赖于中断程序的运行，中断程序的设计直接关系到系统的信号采集、算法计算以及控制执行。因此可以说中断程序的设计是整个软件设计的核心。由于陀螺信号的精度对系统影响非常重要，因此对于陀螺信号的采集频率要求很高。这就要求定时中断的间隔时间尽可能短。又由于信号采样、信号处理、控制计算都要在中断程序内
18、完成，在中断的间隔时间内必须保证能完成这些工作。因此在综合考虑了这两个因素后，将定时中断的时间定为100us。在这个时间内，能兼顾上述两种情况。陀螺的采样需要在每次中断执行中都完成一次，而旋转变压器的采样则不用这么频繁，控制算法的执行频率也不用这么高。因此在定时中断程序内定义一个计数器count_interrupt，将中断任务分为十次一组，count_interrupt在不同的值时对应不同的任务。具体安排如表5.1：表4.1 中断任务分配count_interrupt的值对应的任务0陀螺仪信号采样1陀螺仪信号采样、置位调零选通信号2陀螺仪信号采样、采样调零信号3陀螺仪信号采样、置位调漂选通信号
19、4陀螺仪信号采样、采样调漂信号5陀螺仪信号采样6陀螺仪信号采样7陀螺仪信号采样、采样旋转变压器信号8陀螺仪信号采样9陀螺仪信号采样、计算并输出控制量中断程序流程图如图4.2。图4.2中的tiaoling_tiaopiao_count是用来计数保证每隔0.1s的时间计算一次调零调漂的补偿值。中断程序中，首先判断中断任务计数器count_interrupt是否为最大值，是则清零，否则累加。然后进行陀螺仪信号的采样，这是每次进中断都要运行的，目的是为了采集到尽可能多的数据来保证信号的精度。然后根据中断任务计数器的值，按照表5.1分别执行响应的任务。在count_interrupt=9时，任务是计算并
20、输出控制量，这里还要根据系统状态flag的不同分别进行不同的算法计算，论文后面将会详细介绍系统在不同状态下的工作过程。在完成了以上工作后，计数器tiaoling_tiaopiao_count每计数满1000次就计算一次调零调漂的补偿值。由于调零调漂的采样值相对稳定，因此计算补偿值的周期不需要很短。图4.2 中断程序流程图5. 系统测试与分析5.1 系统调试环境最终成型的板子实物图如图5.1和图5.2所示，其中图5.1为俯仰轴控制电路板，图5.2为方位轴控制电路板。系统在具备双轴陀螺稳定平台系统样机的基础上，进行了一系列的调试。图5.3为系统功能样机，图5.4为系统调试环境，主要包括电脑、26V
21、直流电源、示波器、控制箱、仿真器、CAN通信板卡等。如前所述，在调试的过程中可以通过CAN通信在CCS3.3开发环境中对接收到的数据进行实时显示分析，也可以通过CAN通信板卡在上位机界面上对系统状态进行观察分析、发送控制命令、调节控制算法参数等。5.2 系统静止状态下伺服控制调试结果系统工作于静止状态下伺服控制模式时，主要的功能就是根据指令调转到相应的位置并相对基座坐标系保持位置不变。初上电时系统打开处于闭锁状态的电磁铁，然后进入静止状态下伺服控制寻零，并保持在零位。平台开始上电时电磁铁为闭锁状态，在7.08s时系统切换到静止状态下伺服控制模式，电磁铁开锁，控制方位电机和俯仰电机旋转，使方位和
22、俯仰方向归零（方位和俯仰方向上旋变角度值为零），平台响应曲线如图5.5所示，经过3s系统归零且一直稳定在零位。经测试平台稳定误差为mrad，即上下波动一个码位。图5.1 俯仰板电路图 图5.2 俯仰板电路图图5.3 系统功能样机图5.4 系统调试环境静止状态下伺服控制状态下稳瞄装置可以切换到方位和俯仰上的任意角度，调试中4.23s处输入命令使方位角从0到409.5mrad，俯仰不变。经过7.53s方位和俯仰角度误差为mrad以内，到25s处误差为零，实验效果如图5.6所示。由于实验条件的限制，平台基座受到小扰动信号为认为触碰基座产生扰动效果，实验效果如图5.7所示。图5.5 切换到静止状态下伺
23、服控制模式平台响应图图5.6 方位角度切换平台响应图5.3 系统运动状态下稳定控制调试结果由于实际中没有给定跟踪速度的操纵杆，所以在调试时我们使用CAN通信来设定跟踪速度给定值以及该值对应的标度因数，通过动态修改跟踪速度给定值的方式来模拟操纵杆给定跟踪速度。这里给方位环加入约的操纵速度，从图5.8可以看到方位环原处于稳定控制下的稳定状态，加入操纵速度后可以看到，方位电机迅速跟随操纵速度运动，运动轨迹整体呈线性，从横轴约2100点开始到2500点运动了约566个码值，即在1.923s内运动了，运动速度约为，跟踪较为准确。图5.7 平台基座受到扰动下的响应图5.8 方位环跟踪运动轨迹给俯仰环加入约
24、的操纵速度，从图5.9可以看到俯仰环原处于稳定模式下的稳定状态，在加入操纵速度后，俯仰电机迅速作出响应，从运动轨迹看基本无失真。俯仰电机从横轴2000点到2500点运动了约1440个码，即在2.5s内运动了，对应运动速度为，从运动轨迹看俯仰环跟踪准确性能良好。图5.9 俯仰环跟踪运动轨迹当系统处于运动状态下稳定控制时，给系统基座水平方向加入一定的扰动最大幅值约为，从图5.10可以看到，系统能够很好的隔离扰动速度的影响，保持位于俯仰环的视轴稳定。在没有给定操纵速度时，基座水平移动下光电装置水平方向保持在正负0.25mrad范围内，垂直方向保持在正负0.05mrad范围内。扰动速度撤去后能够迅速回
25、到零位且保持稳定状态，总体稳定性良好。图5.10 光电装置受扰动运动轨迹6作品难点与创新本文内容是以双轴陀螺稳定平台项目为依托，以实现平台的高精度为目的，对稳定平台控制系统的设计展开了研究。现对本设计中难点和创新点叙述如下：6.1难点稳定平台系统所要完成的任务是使得系统要求具有很高的稳态精度和较好的动态品质，同时又要有足够大的稳定裕度和抗干扰能力。因此高精度稳定平台必须具有高刚度、高谐振频率、高稳定性、高强度。6.2创新点1对稳定平台控制系统实现数字化，克服了以模拟电路实现为主的传统的稳定平台控制方法中体积大、成本高、故障频繁、对微弱信号信噪分离困难，很难将控制精度提高到1以上的级别、模拟器件
26、的工作状态极易受温度漂移的影响，使位置控制产生零点漂移误差等缺陷；鉴于国内大部分稳定控制系统的控制芯片为定点型芯片，其浮点运算能力有限，本设计采用浮点DSP以提高算法的计算精度。2控制系统控制方案的选择对高精度的实现也至关重要。本设计采用电流环、速度环、位置环组合实现多闭环的复合控制方案。在位置环增加前馈控制器，对位置给定进行滤波和预测，以超前的控制作用来补偿系统的动态滞后,提高系统的响应速度，解决系统的稳定性和精度之间的矛盾。4平台的环架位置测量采用旋转变压器粗机、精机组合方式提高测量的角度范围和精度。旋转变压器的测量精度达到0.0479mrad。5角速率陀螺信号经过一阶RC硬件滤波电路滤除高频干扰后输出，控制板采集的陀螺信号再在软件上采用滑动平均滤波、小波变换滤、FIR滤波等多种滤波算法滤除干扰，提高陀螺信号的采样精度。6研究了陀螺稳定平台中陀螺的最优安装位置。陀螺的不同安装位置将导致不同的补偿角速度形式，最终影响系统的精度。本系统采用采用2个陀螺，一个陀螺安装在俯仰框(内框)上，测量轴与俯仰框的OX轴平行，用于测量横滚角速度；另一个陀螺同样安装在俯仰框(内框)上，测量轴与俯仰框的OY轴平行，用于测量俯仰角速度。
