基于DSP-FPGA的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 巖，丁大偉

LIU Yan, DING Da-wei

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

0 引言

在紅外尋的彈頭中，紅外目標(biāo)模擬器主要用來(lái)模擬目標(biāo)源和干擾源，用來(lái)檢測(cè)紅外尋的系統(tǒng)的靈敏度、捕獲概率和跟蹤特性等性能[1]。為了達(dá)到很好的模擬效果，受控部件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系具有一定的相關(guān)性，并且必須完成對(duì)它們的準(zhǔn)確控制，因此對(duì)目標(biāo)模擬器的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)性能要求比較高。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)已經(jīng)將單片機(jī)、FPGA和DSP等數(shù)字控制器成功的應(yīng)用到多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中。數(shù)字控制器具有對(duì)環(huán)境變化不敏感、可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法和可增加附屬功能等優(yōu)點(diǎn)，是今后控制器發(fā)展的方向[2]。數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)被廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制中，如TI公司的C2000系列DSP，其可以高速完成一些較為復(fù)雜的算法，但是其外設(shè)模塊結(jié)構(gòu)是固定的，用戶無(wú)法對(duì)其修改，使設(shè)計(jì)缺少靈活性?，F(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(FPGA)具有集成度高、功耗低、編程配置靈活且易于移植等優(yōu)點(diǎn)。將FPGA應(yīng)用到多電機(jī)的控制系統(tǒng)，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)控制器中，F(xiàn)PGA通常只負(fù)責(zé)一些簡(jiǎn)單的邏輯操作，并沒(méi)有充分發(fā)揮它的性能[3]。

本文采用DSP和FPGA的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了紅外目標(biāo)模擬器的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其具有良好的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了可變光闌電機(jī)與干擾投放電機(jī)的同步變速控制，以及兩個(gè)干擾投放電機(jī)間的同步控制，并且完成了對(duì)它們的精確定位。系統(tǒng)中對(duì)DSP和FPGA進(jìn)行了功能劃分，在硬件上實(shí)現(xiàn)了對(duì)多路電機(jī)的并行控制。

1 模擬器基本工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

目標(biāo)模擬器系統(tǒng)是由黑體作為紅外光源產(chǎn)生兩路紅外光，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)形成一路平行目標(biāo)光線和兩路平行干擾光線。其光學(xué)總體結(jié)構(gòu)中包括離軸拋物面鏡組、可變光闌、干擾模擬組件和目標(biāo)模擬組件。它是一種對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)對(duì)稱的干擾通道和一個(gè)目標(biāo)通道，主要受控部件為可變光闌(目標(biāo)通道)和干擾模擬組件 (干擾通道)，共有7個(gè)電機(jī)。

1.2 目標(biāo)模擬原理

在模擬器系統(tǒng)中可變光闌機(jī)構(gòu)的作用是模擬目標(biāo)的形狀、大小和彈目距離[4]，由圖1可知：

式中為為可變光闌開口的大小，L為彈目距離， 為投影物鏡焦距，D為目標(biāo)大小。

又因?yàn)閺椖烤嚯x：

式中L0為彈目距離初值，v為彈目接近速度，t為工作時(shí)間。

圖1 彈目距離模擬原理

由機(jī)械結(jié)構(gòu)知可變光闌開口大小和電機(jī)的位置成一定的線性關(guān)系，則電機(jī)運(yùn)動(dòng)角度：

其中k為常數(shù)。

對(duì)(3)式求導(dǎo)得：

由式(3)、式(4)知可變光闌電機(jī)模擬目標(biāo)接近時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡是不規(guī)則的，且其運(yùn)動(dòng)速度是單調(diào)增的，因此可變光闌電機(jī)需一直加速運(yùn)行。

1.3 干擾模擬原理

圖1中干擾模擬組件1和2是對(duì)稱的，都是由干擾模擬板和可控光闌組成。其中干擾模擬板的設(shè)計(jì)是以阿基米德螺旋線和高斯公式為基礎(chǔ)的，阿基米德螺旋線又稱等速螺線[5]。每個(gè)通道的模擬板包括直線板和阿基米德螺旋線板，兩塊模擬板需同軸安裝。在工作時(shí)首先使直線板旋轉(zhuǎn)一定角度，然后旋轉(zhuǎn)螺線板，輸出的光信號(hào)會(huì)按照直線板的角度勻速移動(dòng)?？煽毓怅@是用于實(shí)現(xiàn)干擾的工作狀態(tài)，單干擾時(shí)將不工作的通道光闌關(guān)閉。

若干擾彈從平飛的飛機(jī)向下以速度V拋射，模擬的彈目距離為L(zhǎng)，則根據(jù)高斯公式：

又由于:

其中x'，x分別為模板線位移和模擬的干擾位移，則：

對(duì)上式求導(dǎo)得模板旋轉(zhuǎn)的線速度：

根據(jù)式(9)知螺線板的運(yùn)行速度與可變光闌電機(jī)的位置有關(guān)，其也為變速運(yùn)動(dòng)。模擬一次干擾時(shí)，螺線板旋轉(zhuǎn)一圈，因此需對(duì)螺線板進(jìn)行定位，同時(shí)在模擬連射干擾時(shí)，兩次干擾間的間隔可調(diào)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用基于定點(diǎn)DSP和FPGA的結(jié)構(gòu)，結(jié)合電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及編碼器來(lái)完成對(duì)多路步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)DSP和FPGA的不同特點(diǎn)，在本系統(tǒng)中對(duì)它們進(jìn)行了功能劃分。DSP負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)的初始化、與上位機(jī)的通信和PWM信號(hào)的產(chǎn)生，以及完成對(duì)電機(jī)的同步變速和電機(jī)位置的計(jì)算；FPGA主要負(fù)責(zé)完成對(duì)編碼器和傳感器信號(hào)的采集，通過(guò)與DSP之間的數(shù)據(jù)交換完成對(duì)電機(jī)的控制。在FPGA中還設(shè)計(jì)了脈沖發(fā)生器模塊，用于模擬器系統(tǒng)的初始化，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展。系統(tǒng)中選用的電機(jī)均為兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，本系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路是基于東芝公司的大電流驅(qū)動(dòng)芯片THB6064H設(shè)計(jì)的, THB6064H采用雙全橋MOSFET驅(qū)動(dòng)，輸出峰值電流可以達(dá)4.5A,高耐壓，具有多種細(xì)分選擇，最高可以進(jìn)行64細(xì)分。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的是一種離線編制數(shù)據(jù)表，實(shí)時(shí)查表控制的方法。電機(jī)的同步變速是在DSP中實(shí)現(xiàn)的，由于DSP不僅是只用來(lái)對(duì)電機(jī)的控制，還需要實(shí)時(shí)的控制SCI串口，接受和發(fā)送人機(jī)交互界面需要的數(shù)據(jù)。如果采用實(shí)時(shí)計(jì)算的控制方法，一方面系統(tǒng)運(yùn)行速度受限制，另一方面由于系統(tǒng)資源有限，實(shí)時(shí)計(jì)算會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)其它功能受影響。

3.1 同步變速算法

可變光闌電機(jī)在有效工作時(shí)間內(nèi)運(yùn)行軌跡為不規(guī)則的，所以采用多份勻速運(yùn)動(dòng)來(lái)擬合變速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)彈目接近速度為v時(shí)，可變光闌電機(jī)從閉合運(yùn)行到最大尺寸時(shí)(即模擬目標(biāo)從初始位置到終點(diǎn))的工作時(shí)間為tmax。設(shè)每份勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間為T(與系統(tǒng)采樣時(shí)間相等)，則：

由式(10)、式(11)可以計(jì)算出可變光闌電機(jī)的位置數(shù)據(jù)表。在通過(guò)查表運(yùn)行時(shí)，在[nT,(n+1)T]內(nèi)，電機(jī)需轉(zhuǎn)過(guò)的角度為：

式中 n = 0,1,2 … N-1。

其中R[·]為取整運(yùn)算。如果mn大于一個(gè)脈沖當(dāng)量，在nT時(shí)刻，輸出脈沖周期 ，如果mn小于一個(gè)脈沖當(dāng)量，則不輸出脈沖，這樣就實(shí)現(xiàn)了可變光闌電機(jī)的變速。

干擾模擬電機(jī)運(yùn)行速度與可變光闌位置有關(guān)，因此需把可變光闌的最大開口尺寸等分，計(jì)算出對(duì)應(yīng)干擾模擬電機(jī)的速度，建立速度表。在每個(gè)可變光闌工作時(shí)間T內(nèi)，首先讀出其位置，然后通過(guò)查表給出干擾模擬電機(jī)的運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)干擾模擬電機(jī)與可變光闌電機(jī)間的同步變速。

3.2 可變光闌與干擾模擬程序設(shè)計(jì)

在DSP接受到上位機(jī)發(fā)射命令后，將執(zhí)行電機(jī)同步變速子程序，其流程如圖3所示。θ0、θ1、V分別為可變光闌電機(jī)初始位置、需要工作到的位置和干擾模擬電機(jī)速度。在此程序中，主要任務(wù)是設(shè)定系統(tǒng)工作的初值，系統(tǒng)采樣的時(shí)間可以由制表間隔確定。

圖3 同步變速子程序流程圖

中斷程序主要完成主從電機(jī)位置的采集，以及對(duì)可變光闌電機(jī)和干擾模擬電機(jī)工作速度值的更新，即對(duì)定時(shí)器1、2重新裝載周期值，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速，其程序流程如圖4所示。

圖4 中斷服務(wù)程序

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)編碼器對(duì)可變光闌電機(jī)和干擾模擬電機(jī)進(jìn)行了速度測(cè)試。測(cè)試方法為在一定采樣時(shí)間內(nèi)，通過(guò)編碼器讀取電機(jī)的位置值，通過(guò)仿真器把數(shù)據(jù)導(dǎo)出，然后通過(guò)Matalb軟件計(jì)算分析。

4.1 可變光闌電機(jī)速度實(shí)驗(yàn)

可變光闌電機(jī)工作速度與模擬的彈目接近距離和速度有關(guān)，實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了模擬彈目距離初值為10000m，終點(diǎn)為450m，模擬速度分別為1000m/s、600m/s、100m/s時(shí)的可變光闌電機(jī)工作情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，電機(jī)在三種模擬速度下，工作時(shí)間滿足設(shè)計(jì)的要求。電機(jī)在前段部分速度是一直加速運(yùn)行的，運(yùn)行速度與建立的速度數(shù)據(jù)表相比，通過(guò)計(jì)算均方誤差在1%以內(nèi)。為了使電機(jī)能夠停在最終模擬位置，在電機(jī)工作末尾還作了一定的減速處理。

4.2 干擾模擬電機(jī)速度實(shí)驗(yàn)

干擾模擬電機(jī)工作速度與可變光闌電機(jī)位置有關(guān)，實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了投放一次干擾時(shí)電機(jī)的工作速度值，如圖6所示。

圖5 可變光闌電機(jī)運(yùn)行結(jié)果

圖6 干擾模擬電機(jī)運(yùn)行結(jié)果

圖6中上圖是左右通道干擾模擬電機(jī)在目標(biāo)模擬速度為250m/s，干擾投放速度為10m/s時(shí)的運(yùn)行結(jié)果對(duì)比，從圖中可以看出，兩邊干擾同時(shí)投放時(shí)電機(jī)基本保持同步，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。下圖是在模擬目標(biāo)速度為600m/s和250m/s，干擾投放速度為10m/s時(shí)的運(yùn)行結(jié)果。從圖中可以看出干擾電機(jī)運(yùn)行速度與可變光闌電機(jī)位置有關(guān)，模擬速度在600m/s時(shí)，干擾模擬電機(jī)速度上升比較快，對(duì)應(yīng)可變光闌位置變化比較大；而250m/s時(shí)投放一次干擾，干擾模擬電機(jī)速度基本保持不變，可變光闌電機(jī)位置基本不變。通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)中的一些數(shù)據(jù)計(jì)算分析，其誤差可以保證在2%以內(nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以某紅外目標(biāo)模擬器系統(tǒng)為背景，設(shè)計(jì)了一套基于DSP和FPGA的控制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)DSP和FPGA的功能劃分，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)模擬器中多路步進(jìn)電機(jī)的控制。文中首先通過(guò)分析目標(biāo)模擬器的基本工作原理，即在正常工作時(shí)，模擬器中受控部件如可變光闌電機(jī)和干擾模擬電機(jī)需同步變速運(yùn)行。系統(tǒng)中提出一種三路電機(jī)的同步變速算法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三路電機(jī)的同步變速以及其他電機(jī)的聯(lián)動(dòng)操作，可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行定位，具有較好的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能，滿足模擬器系統(tǒng)的性能要求。另外使用DSP和FPGA的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有一定的通用性，便于進(jìn)一步研究其他多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

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