單軸穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)及其電磁干擾防護(hù)

康永泰，齊 蓉，袁國(guó)珍

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710129)

1 穩(wěn)定平臺(tái)控制器的總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)背景及意義

穩(wěn)定平臺(tái)技術(shù)在各國(guó)一直是經(jīng)久不衰的研究課題，在軍事、民用工業(yè)上都有著廣泛的應(yīng)用［1］。單軸穩(wěn)定平臺(tái)控制器用于當(dāng)載體在空間旋轉(zhuǎn)時(shí)穩(wěn)定載體內(nèi)的平臺(tái)負(fù)載，同時(shí)輸出載體相對(duì)平臺(tái)的角度及角速度信號(hào)。理想的單軸穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)，其內(nèi)部平臺(tái)是不會(huì)跟隨外部載體轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)的，然而實(shí)際中，由于支撐軸的摩擦力存在，當(dāng)外部載體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，支撐軸的摩擦力矩帶動(dòng)平臺(tái)隨著載體同方向轉(zhuǎn)動(dòng)。為了克服不均勻負(fù)載以及支撐軸承帶來(lái)的摩擦力矩，我們需要一個(gè)力矩電機(jī)來(lái)產(chǎn)生抵消臺(tái)體旋轉(zhuǎn)的力矩。本文采用空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)，驅(qū)動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)上述功能，并對(duì)平臺(tái)的硬件電磁隔離設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳盡的說(shuō)明和驗(yàn)證對(duì)比。

1.2 控制器的總體框架設(shè)計(jì)

伺服控制器的中心任務(wù)是控制伺服電機(jī)以一定的性能指標(biāo)快速、精確的運(yùn)動(dòng)。因此，系統(tǒng)本質(zhì)上就是一個(gè)高精度位置系統(tǒng)。伺服控制器的總體組成框圖如圖1所示，主要由伺服電動(dòng)機(jī)、伺服控制器、磁電編碼器、IMU(或模擬IMU)等構(gòu)成。

圖1 伺服控制系統(tǒng)組成框圖

2 穩(wěn)定平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)

伺服控制系統(tǒng)硬件電路主要由控制電路及功率驅(qū)動(dòng)電路組成，外加其它輔助電路?？刂齐娐分饕―SP最小系統(tǒng)電路、位置檢測(cè)電路、通訊電路、隔離電路等，主要實(shí)現(xiàn)信息采集及SVPWM控制策略實(shí)現(xiàn)。功率電路由驅(qū)動(dòng)電路、功率MOSFET、電流采樣及保護(hù)電路構(gòu)成，完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。伺服控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.2 DSP最小電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)構(gòu)造了一個(gè)DSP最小電路系統(tǒng)，使控制回路能正常工作，如圖3所示。系統(tǒng)中選用電源芯片TPS70351作為DSP電源轉(zhuǎn)換芯片，它擁有上電時(shí)序功能，保證DSP TMS320F2812的I/O供電先于內(nèi)核供電。為提高供電的質(zhì)量，在芯片的電源輸入管腳附近都使用了0.1 μF 的電容進(jìn)行濾波［2］。

圖3 DSP最小系統(tǒng)框圖

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本控制器采用事件管理器EVB產(chǎn)生六路SVPWM波經(jīng)過(guò)隔離放大形成對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)功率驅(qū)動(dòng)芯片IR2103S放大驅(qū)動(dòng)，由IRFR3412構(gòu)成的逆變電路從而提供對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2.4 相電流采樣電路

電機(jī)電流環(huán)的補(bǔ)償和矢量控制下電機(jī)的驅(qū)動(dòng)需要對(duì)電機(jī)相電流采樣。由于本系統(tǒng)采用的永磁同步電動(dòng)機(jī)是星形連接方式，故其A、B、C三相電流之和為零，因此只需采樣兩相電流。檢測(cè)相電流的任務(wù)由線性電流傳感器ACS712完成。ACS712的輸出端先經(jīng)過(guò)一個(gè)減法器限壓，然后經(jīng)過(guò)巴特沃斯低通二階濾波。另外，為了防止意外產(chǎn)生的過(guò)電流干擾，將濾波后的信號(hào)送入A/D采樣單元之前要經(jīng)過(guò)已經(jīng)設(shè)置好的保護(hù)電路。

2.5 電源變換電路

外部提供對(duì)地隔離的+27 V和+5 V電源。+27 V提供母線電壓，經(jīng)電源變換后為驅(qū)動(dòng)芯片IR2103和隔離芯片ADUM1401一側(cè)提供電源;+5 V經(jīng)電源變換后為DSP I/O、DSP內(nèi)核(數(shù)字)及電流采樣芯片ACS712等提供電源。

2.6 通訊接口電路

為平臺(tái)采用慣性測(cè)量單元(IMU)提供伺服控制系統(tǒng)的給定信號(hào)。由于可以用IMU直接對(duì)平臺(tái)的角加速度進(jìn)行測(cè)量，從而對(duì)測(cè)得的角加速度進(jìn)行一次積分可以得到平臺(tái)的角速度，再進(jìn)行第二次積分就可以得到了平臺(tái)的角位置。平臺(tái)的伺服通訊信號(hào)經(jīng)由串口RS422傳送。由芯片SN74CBTD3305C構(gòu)成的電平轉(zhuǎn)換電路，將DSP輸出3.3 V轉(zhuǎn)換為5 V供給由MAX488EESA構(gòu)成的專用通訊電路，完成整個(gè)通訊接口電路的功能。

3 穩(wěn)定平臺(tái)控制器的軟件設(shè)計(jì)

在軟件方面平臺(tái)采用TI公司的集成編譯環(huán)境CCS3.3，使用混合語(yǔ)言(C語(yǔ)言+匯編語(yǔ)言)進(jìn)行編程，并采用模塊化的設(shè)計(jì)思想。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)軟件主要由兩部分構(gòu)成：主程序模塊和中斷服務(wù)處理程序模塊，每個(gè)程序模塊又包含若干子程序模塊。主程序模塊在完成系統(tǒng)的初始化(系統(tǒng)寄存器的設(shè)置和初始化變量)工作后進(jìn)入循環(huán)等待中斷狀態(tài);本系統(tǒng)的中斷服務(wù)處理程序是由SCI中斷和定時(shí)器3下溢中斷兩部分構(gòu)成：其中設(shè)定定時(shí)器3下溢中斷作為系統(tǒng)的主中斷，依次完成對(duì)系統(tǒng)的電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的三閉環(huán)控制;而SCI中斷僅用于進(jìn)行和上位機(jī)進(jìn)行通訊，傳遞平臺(tái)角度、角速度信息及控制指令。

圖4 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用了位置、速度和電流三閉環(huán)控制，為了防止控制時(shí)過(guò)飽和現(xiàn)象發(fā)生降低控制的實(shí)時(shí)性，本文采用了具有積分分離功能、抗積分飽功能的PID控制器或分段PID控制等改進(jìn)型算法，使控制性能達(dá)到了良好的效果。

4 穩(wěn)定平臺(tái)的抗干擾技術(shù)

4.1 電磁干擾產(chǎn)生途徑

在單軸穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)中，各種電磁干擾(EMI)是相當(dāng)多的，電磁干擾的產(chǎn)生需要具備三個(gè)條件：一是干擾源，二是干擾耦合途徑，三是干擾敏感設(shè)備［3］。上述三者構(gòu)成了電磁干擾的三個(gè)基本要素。系統(tǒng)中電機(jī)、逆變器中的開(kāi)關(guān)元件以及外部其它設(shè)備會(huì)產(chǎn)生各種干擾信號(hào)，并把干擾帶到系統(tǒng)中去，通常情況下這些干擾信號(hào)會(huì)通過(guò)傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種常見(jiàn)的方式傳遞到控制電路中，使電路或程序受到干擾，產(chǎn)生紊亂。

4.2 抗干擾基本措施

在硬件設(shè)計(jì)中，本系統(tǒng)干擾的抑制主要考慮了加去耦電路、截?cái)喔蓴_渠道、減小設(shè)備體積幾方面。

首先控制板上，采用Analog Devices公司的ADUM1401對(duì)六路SVPWM波進(jìn)行隔離，其內(nèi)部的噪聲抑制電路可提供高于25 kV/μs的共模抑制;為減小PCB板體積，采用四層板設(shè)計(jì)，并對(duì)電源地進(jìn)行了分割以減少干擾;數(shù)字地與模擬地之間通過(guò)電感單點(diǎn)連接減少干擾。

其次，對(duì)于整個(gè)穩(wěn)定平臺(tái)的供電，外部電源經(jīng)若干隔離變壓器的隔離才分別供給平臺(tái)、IMU以及工控上位機(jī)，并且供給控制板的電源線均采用屏蔽線;工控上位機(jī)的電源線和信號(hào)線分路走線。

以上措施都是為了避免電磁干擾的影響而采取的抗電磁干擾措施。

4.3 編碼器干擾及解決方案

對(duì)于輻射干擾和電磁耦合性干擾，切斷其傳播途徑的最有效措施是屏蔽［4］。我們采用的是金屬殼屏蔽，但金屬屏蔽也有其缺點(diǎn)，當(dāng)被屏蔽干擾信號(hào)的波長(zhǎng)正好與金屬殼的某個(gè)尺寸接近的時(shí)候，金屬殼很容易會(huì)變成一個(gè)大諧振腔，即電磁波會(huì)在金屬殼內(nèi)來(lái)回反射，并會(huì)產(chǎn)生互相迭加，如圖5所示。當(dāng)電機(jī)尾部的磁電編碼器及控制板裝入試驗(yàn)臺(tái)外部拖動(dòng)電機(jī)的尾部的封閉的金屬艙體中時(shí)，磁電編碼器產(chǎn)生的電磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁波經(jīng)金屬艙體反射震蕩對(duì)控制板上的采樣電流產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，導(dǎo)致控制效果很差，遠(yuǎn)不能達(dá)到指標(biāo)要求，為此設(shè)計(jì)了一種由純鐵作為屏蔽材料打造的能緊包編碼器的屏蔽外罩，很好地隔離干擾源，控制效果得到大大提高。

圖5 平臺(tái)的試驗(yàn)臺(tái)

以下為幾組編碼器加屏蔽前后實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中得到的平臺(tái)IMU傳回?cái)?shù)據(jù)的對(duì)比，如圖6～圖9所示。

在有強(qiáng)烈的電磁干擾的情況下(磁電編碼器未加屏蔽罩)，穩(wěn)定平臺(tái)運(yùn)行的結(jié)果如圖6及圖8所示。曲線1為既有高轉(zhuǎn)速又有低轉(zhuǎn)速且運(yùn)行方式和實(shí)際情況最為接近的曲線，曲線2為載體勻速5 r/s時(shí)的運(yùn)行曲線，與對(duì)應(yīng)的圖7和圖9相比較可以發(fā)現(xiàn)，與在屏蔽了電磁干擾以后得到的結(jié)果，要遠(yuǎn)好于未加屏蔽罩前的運(yùn)行效果，可以發(fā)現(xiàn)磁電編碼器在入艙之后產(chǎn)生的電磁干擾的影響十分之大，使由IMU獲得的角度偏差和角速度偏差嚴(yán)重超出指標(biāo)。針對(duì)平臺(tái)中可能出現(xiàn)的電磁干擾情況進(jìn)行了有效的預(yù)防，同時(shí)通過(guò)對(duì)其中一種特殊情況下電磁干擾的分析解決，說(shuō)明了電磁干擾的廣泛性和突發(fā)性，要仔細(xì)排查。

圖6 編碼器未屏蔽曲線1

圖7 編碼器屏蔽曲線1

圖8 編碼器未屏蔽曲線2

圖9 編碼器屏蔽曲線2

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了單軸穩(wěn)定平臺(tái)伺服控制系統(tǒng)，結(jié)合工程實(shí)踐與技術(shù)指標(biāo)，其伺服系統(tǒng)硬件及軟件的性能優(yōu)異，結(jié)構(gòu)整齊劃一。針對(duì)系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的電磁干擾需要全面地考慮防護(hù)，以防止造成嚴(yán)重的影響。

［1］ 吳樹(shù)平.車(chē)載三軸穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)的研制［D］.南京理工大學(xué)，2007.

［2］ 蘇奎峰，呂強(qiáng).TMS320X281xDSP原理及C程序開(kāi)發(fā)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［3］ 錢(qián)照明，陳恒林.電力電子裝置電磁兼容研究最新進(jìn)展［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，22(7)：1-11.

［4］ 王宏，陳懷春.PWM控制系統(tǒng)中的電磁兼容設(shè)計(jì)［J］.電子工程師，2004，30(11)：7-9.