高性能瞄準(zhǔn)裝置伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(yáng) 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(dòng)操瞄系統(tǒng)，可以通過(guò)操縱瞄準(zhǔn)裝置來(lái)搜索、識(shí)別、捕獲、跟蹤目標(biāo)，控制艦炮獨(dú)立完成對(duì)海陸空低速目標(biāo)的打擊。瞄準(zhǔn)裝置伺服系統(tǒng)用來(lái)控制瞄準(zhǔn)鏡的運(yùn)動(dòng)，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(jì)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(chǎng)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(jì)算機(jī)給出位置量來(lái)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(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)瞄準(zhǔn)鏡控制器實(shí)際上是設(shè)計(jì)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(duì)方位、高低運(yùn)動(dòng)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(lái)直接帶動(dòng)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(cè)元件；同時(shí)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(dòng)鏈以減小傳動(dòng)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(dòng)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(cè)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(shí)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(jiǎn)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(jì)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(dòng)電路以驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)；數(shù)字式溫度傳感器通過(guò)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(cè)電路用于對(duì)電機(jī)的輸入電流進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)AD采樣后輸入至DSP作為電流反饋；位置檢測(cè)電路用于完成對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)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(jì)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(jì)算機(jī)與DSP的通信，設(shè)置電機(jī)參數(shù)和期望的被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)軌跡，計(jì)算機(jī)通過(guò)與DSP的通信實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)的運(yùn)行情況；存儲(chǔ)電路用于儲(chǔ)存PID參數(shù)。

2.2 主要電路功能模塊介紹

由于直流電動(dòng)機(jī)要求工作在正反轉(zhuǎn)的場(chǎng)合，本系統(tǒng)采用雙極性驅(qū)動(dòng)的可逆PWM系統(tǒng)，選擇體積小，功率大集成了驅(qū)動(dòng)電路、功放電路、過(guò)電壓電流檢測(cè)及熱過(guò)載保護(hù)電路的SA03作為功率驅(qū)動(dòng)器件，DSP的定時(shí)計(jì)數(shù)器比較單元根據(jù)軟件控制算法計(jì)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(shí)接入CPLD的還有DSP停止信號(hào)、DSP運(yùn)行信號(hào)，瞄準(zhǔn)鏡機(jī)械位置的上限和下限信號(hào)，在CPLD中編寫(xiě)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(chē)。

電流檢測(cè)選用霍爾電流傳感器LTSR6-NP，將傳感器測(cè)得的電壓信號(hào)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(cè)選用AD公司的AD2S83將旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)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(lái)控制AD2S83的BUSY信號(hào)。當(dāng)DSP不需要讀取數(shù)據(jù)時(shí)，GPIO置為高電平，每一個(gè)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(shí)，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(gè)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(shí)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(guò)一個(gè)IO口與DSP連接，通過(guò)軟件編程按照一定時(shí)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 控制算法設(shè)計(jì)

從通常意義上來(lái)理解，相同PID參數(shù)情況下，恒速段位置跟蹤誤差與傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)慣量的大小有關(guān)。而提高轉(zhuǎn)動(dòng)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(hào)的提前量，也就是轉(zhuǎn)矩前饋[7]?；谝陨峡紤]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(hào)上，同時(shí)命令信號(hào)中的加速度信息(即轉(zhuǎn)矩前饋信號(hào))作用到轉(zhuǎn)矩閉環(huán)給定信號(hào)上。電流環(huán)每1個(gè)PWM周期、速度環(huán)每20個(gè)PWM周期、位置環(huán)每200個(gè)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(shí)不同的摩擦力，避免參數(shù)變換時(shí)瞄準(zhǔn)鏡出現(xiàn)抖動(dòng)，本設(shè)計(jì)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(cè)溫芯片測(cè)出的實(shí)際溫度。在每個(gè)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(shí)，溫度系數(shù)起到調(diào)整PID參數(shù)的作用。同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)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(shì)圖中比例、積分、微分的基本曲線特征，從而對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定。

參數(shù)整定時(shí)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(gè)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(shí)，把P、I、D 隔離開(kāi)來(lái)，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(hào)和反饋信號(hào)系數(shù)，及時(shí)調(diào)整系數(shù)，避免因前饋信號(hào)和反饋信號(hào)過(guò)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(duì)系統(tǒng)影響較大，電流環(huán)參數(shù)調(diào)好后可基本不動(dòng)。每次整定時(shí)，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(kāi)中斷后等待啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)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(hào)隔離后輸出至驅(qū)動(dòng)電路，啟動(dòng)信號(hào)清零后等待下一次循環(huán)。在定時(shí)器中斷中開(kāi)啟啟動(dòng)信號(hào)。在ECANa中斷中等待火控計(jì)算機(jī)主令并回發(fā)火控計(jì)算機(jī)所要求的信號(hào)。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(hào)。

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(kāi)發(fā)而成。它能接收DSP發(fā)出的隨動(dòng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并且能夠把所需數(shù)據(jù)用實(shí)時(shí)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(hào)，讓系統(tǒng)在指定信號(hào)下運(yùn)行，觀測(cè)其各項(xiàng)指標(biāo)，了解系統(tǒng)性能，更好的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)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(hào)、三角波信號(hào)和正弦信號(hào)作為系統(tǒng)輸入信號(hào)測(cè)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(duì)含有加速度和加加速度信號(hào)的正弦信號(hào)的跟蹤誤差也滿足指標(biāo)要求。系統(tǒng)具有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，并具有很好的實(shí)時(shí)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(jiǎn)化了系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)可靠性，并通過(guò)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(dòng)態(tài)品質(zhì)，系統(tǒng)工作指標(biāo)完全滿足要求。

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