基于DSP28335精密三軸測試轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)設(shè)計?

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

該測試轉(zhuǎn)臺作為微波暗室被測天線的承載設(shè)備,通過控制轉(zhuǎn)臺的AL/EL/AZ三個轉(zhuǎn)軸,引導(dǎo)天線精確搜索和指向空間目標(biāo),并能夠長時間鎖定在該位置,高精度天線定位指標(biāo)對伺服系統(tǒng)的控制精度、控制方式、可靠性及穩(wěn)定性等提出了很高的要求。天線定位精度主要取決于機械傳動鏈誤差和控制誤差,而齒輪傳動鏈由于存在固有的齒隙和回程誤差,一直是提高大慣量轉(zhuǎn)臺定位精度的難點。工程中常采用機械消隙的方法,主要有采用雙層齒輪、增加平衡錘或彈簧等,但是這些方法不適用于大慣量傳動系統(tǒng),并且消隙不可靠[1]。為了可靠地消除轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)誤差,本系統(tǒng)采用雙電機驅(qū)動方位達到電消隙的目的,以期提高回轉(zhuǎn)定位精度?？刂普`差主要取決于系統(tǒng)的控制策略、控制算法及控制器運算速度和運算能力,雙電機在一定程度上也增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性,為此,本文采用32 bit高速浮點控制芯片DSP28335作為控制核心,該DSP芯片主頻為150 MHz,具有16 bit或者32 bit數(shù)據(jù)外部總線接口、58個外圍中斷、3個32 bit定時器、3路SCI外設(shè)、2路CAN外設(shè)、1路SPI外設(shè)、12路ADC轉(zhuǎn)換通道、18路PWM、88個IO口等豐富的功能?？刂葡到y(tǒng)通過DSP擴展網(wǎng)口接收監(jiān)控指令,采用CAN通信口實現(xiàn)三軸互聯(lián),數(shù)據(jù)總線采集RD位置和輸出DA模擬量指令,AD采集雙電機速度,從而實現(xiàn)了基于DSP全閉環(huán)的雙電機消隙全數(shù)字交流伺服控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn)方案

控制系統(tǒng)由3塊以TMS320F28335為核心控制板組成,3塊控制板分別控制3個軸,系統(tǒng)通過下方位軸RTL8018AS網(wǎng)卡芯片與上位機連接,接收上位機的控制指令并反饋轉(zhuǎn)臺的狀態(tài),3個軸向控制器通過CAN總線實現(xiàn)控制指令和轉(zhuǎn)臺數(shù)據(jù)互聯(lián),三軸測試轉(zhuǎn)臺下方位軸控制系統(tǒng)硬件方案如圖1所示,其余兩個方位硬件方案與下方位軸一致。

圖1 下方位軸控制系統(tǒng)硬件方案

3個軸以DSP為控制器的核心控制板還包括旋變解碼及位置獲取電路、力矩分配及DA轉(zhuǎn)換輸出電路、電機轉(zhuǎn)速信號調(diào)理電路及AD采樣電路、驅(qū)動功放接口電路。驅(qū)動功放采用帶電流閉環(huán)的伺服驅(qū)動器,可以快速、精確跟蹤力矩模擬量指令并實時反饋電機的速度信息。位置檢測單元采用雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器和20 bit R/D轉(zhuǎn)換模塊,分辨率可達到0.000 3°,優(yōu)于系統(tǒng)定位精度2個數(shù)量級,滿足檢測要求,核心控制板硬件設(shè)計如圖2所示。

圖2 核心控制板硬件方案設(shè)計

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于DSP消隙算法實現(xiàn)

雙電機在驅(qū)動過程中一般處于降額工作狀態(tài),提高轉(zhuǎn)臺的可靠性,其還具有在傳動鏈啟動和停止的過程中消除齒隙的作用,因此,雙電機驅(qū)動在大慣量精密轉(zhuǎn)臺驅(qū)動中使用較多。雙電機消隙原理是利用兩套相同的電機帶動兩個相同的減速機,減速機小齒輪帶動轉(zhuǎn)臺大齒輪轉(zhuǎn)動,通過控制策略,使大齒輪在啟動、換向和停止過程中始終受到方向相反的偏置力矩作用,兩個小齒輪夾緊大齒輪,大齒輪無法在齒隙間來回擺動,從而達到消除齒隙的目的[2]。雙電機消隙力矩關(guān)系圖如圖3所示。

圖3 雙電機消隙力矩關(guān)系圖

轉(zhuǎn)臺的動態(tài)性能和定位精度主要取決于雙電機的力矩配合、響應(yīng)速度及運算精度, TMS320F28335的主頻高達150 MHz,并且具備浮點運算單位,能夠?qū)崿F(xiàn)快速的對位置閉環(huán)和速度閉環(huán)進行調(diào)節(jié),非常適合高精度、快響應(yīng)的控制系統(tǒng)。實現(xiàn)雙電機消隙即實現(xiàn)力矩關(guān)系圖中的力矩分配輸出,本系統(tǒng)力矩分配采用DSP數(shù)據(jù)總線和DA轉(zhuǎn)換芯片輸出。經(jīng)過位置閉環(huán)和速度閉環(huán)計算出實時力矩大小,再經(jīng)過偏置力矩算法處理,分別計算出兩個電機的輸出力矩大小并進行量化,然后將量化后的數(shù)字量通過DSP數(shù)據(jù)總線分時寫入到8 bit雙通道DA芯片TLC7528的A通道和B通道,DA輸出力矩指令經(jīng)過信號調(diào)理電路后,分別作為兩個驅(qū)動功放的力矩指令,從而實現(xiàn)了偏置力矩的輸出。

2.2 誤差補償技術(shù)

由于轉(zhuǎn)臺在安裝過程中不可避免地存在軸系誤差及旋轉(zhuǎn)變壓器安裝誤差,該誤差會通過位置反饋單元累加到控制系統(tǒng)中,從而導(dǎo)致控制無法消除的誤差。為了修正轉(zhuǎn)臺軸系誤差和旋轉(zhuǎn)變壓器安裝誤差,本控制系統(tǒng)采用光學(xué)儀器對轉(zhuǎn)臺的絕對位置進行標(biāo)定和控制補償。控制轉(zhuǎn)臺從0°～360°每間隔10°用光學(xué)測角儀測試轉(zhuǎn)臺實際的角度S1,并記錄相應(yīng)時刻的編碼器輸出角度值S2(理論值),以二者差ΔS作為縱坐標(biāo),轉(zhuǎn)臺角度理論值S2作為橫坐標(biāo),利用傅里葉級數(shù)對該36個點的誤差數(shù)據(jù)進行擬合,得到轉(zhuǎn)臺的誤差擬合函數(shù),下方位轉(zhuǎn)臺標(biāo)定誤差圖如圖4所示[3]。在控制系統(tǒng)定位過程中,通過擬合函數(shù)計算目標(biāo)位置的誤差,并將該誤差補償?shù)娇刂浦噶钪?從而實現(xiàn)了轉(zhuǎn)臺的誤差補償,提高了轉(zhuǎn)臺的定位精度。

圖4 下方位轉(zhuǎn)臺標(biāo)定誤差

2.3 雙電機閉環(huán)控制系統(tǒng)

三軸測試轉(zhuǎn)臺要求上、下方位軸能夠在0°～360°范圍內(nèi)精確定位及連續(xù)掃描,俯仰軸實現(xiàn)-45°～90°范圍內(nèi)精確定位。三軸均實現(xiàn)位置、速度、電流三閉環(huán)控制,雙電機閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖如圖5所示[4]。

圖5 雙電機閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖

本閉環(huán)控制系統(tǒng)與常規(guī)的控制系統(tǒng)相比具有以下特點:雙電機控制系統(tǒng)旨在提高系統(tǒng)定位精度,為此在位置反饋作了前饋補償運算。由于測試轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速較低,轉(zhuǎn)速波動幅度相對轉(zhuǎn)速較大,導(dǎo)致速度調(diào)節(jié)器不穩(wěn)定,速度環(huán)輸出超調(diào)過大或者欠阻尼振蕩,從而導(dǎo)致雙電機輸出力矩不協(xié)調(diào),出現(xiàn)減速機與齒輪頻繁撞擊現(xiàn)象,因此本控制系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速作了17階FIR低通窗口濾波,以得到平滑、穩(wěn)定的速度反饋,便于更好地協(xié)調(diào)雙電機控制。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

三軸測試轉(zhuǎn)臺軟件主要由上位機監(jiān)控軟件和控制系統(tǒng)軟件組成,監(jiān)控軟件在Visual C++6.0編程環(huán)境下,通過UDP串口協(xié)議與DSP控制板發(fā)送控制指令、接收轉(zhuǎn)臺狀態(tài),并顯示實時位置、故障、速度等信息?？刂葡到y(tǒng)主要是實現(xiàn)三軸定位控制,其核心為主程序控制流程和調(diào)節(jié)器算法,下文對主程序和調(diào)節(jié)器作詳細(xì)分析。

3.1 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計

三軸測試轉(zhuǎn)臺要求實現(xiàn)上方位軸、下方位軸能夠在0°～360°范圍內(nèi)定位及連續(xù)運行,要求在俯仰方向?qū)崿F(xiàn)-45°～90°范圍內(nèi)定位運行,從而實現(xiàn)對空間目標(biāo)的指向。完成目標(biāo)指向的關(guān)鍵是協(xié)調(diào)3個軸向合理的運行,控制系統(tǒng)主程序流程如圖6所示,系統(tǒng)上電后首先進行系統(tǒng)初始化,檢查系統(tǒng)狀態(tài),繼而通過UDP和CAN分別實現(xiàn)監(jiān)控通信和三軸間通信,然后依次判斷并執(zhí)行下方位、俯仰、上方位運行,最終實現(xiàn)三軸定位。

圖6 控制系統(tǒng)主程序流程

3.2 調(diào)節(jié)器設(shè)計

由于測試轉(zhuǎn)臺適用于定位系統(tǒng),并且采用了雙電機消隙,因此對調(diào)節(jié)器提出了較高要求。首先,定位系統(tǒng)不允許系統(tǒng)有超調(diào)的存在,其次,調(diào)節(jié)器有過大超調(diào)也會導(dǎo)致調(diào)節(jié)器輸出波動,從而導(dǎo)致雙電機輸出力矩不協(xié)調(diào),出現(xiàn)減速機齒輪頻繁撞擊現(xiàn)象。為了避免減速機齒輪撞擊現(xiàn)象,提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性及消除位置超調(diào)量,調(diào)節(jié)器用分段抗飽和的積分分離智能PI調(diào)節(jié)器,分段抗飽和的積分分離智能PI調(diào)節(jié)器程序流程如圖7所示[5]。

圖7 分段抗飽和積分分離PI程序流程

3.3 軟件優(yōu)化算法設(shè)計

由該測試三軸轉(zhuǎn)臺使用場合的特殊性,位置不允許有超調(diào)量,轉(zhuǎn)臺運行速度慢,又由于采用雙電機驅(qū)動,轉(zhuǎn)臺慣量較大,轉(zhuǎn)速平穩(wěn)性較差,給控制帶來了一些困難。得益于TMS320F28335處理器具備的浮點運算能力、150 MHz處理速度及中斷處理功能,控制系統(tǒng)采用10 k Hz高頻中斷來處理閉環(huán)控制和實時檢測位置超調(diào)量,并采用分段抗飽和智能PI調(diào)節(jié)器,并按照無超調(diào)的邊界條件優(yōu)化PI參數(shù),從而避免位置的超調(diào)。為了得到平穩(wěn)的速度反饋,對反饋速度進行了17階FIR窗口濾波,并采用MATLAB FDATool對濾波器參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計,實現(xiàn)了穩(wěn)定的速度閉環(huán)控制。

4 結(jié)束語

本文以緊密三軸測試轉(zhuǎn)臺為研究對象,在齒輪設(shè)計及加工要求不高的情況下,采用高性能浮點DSP處理芯片、雙電機消隙的控制策略、智能PID控制器相結(jié)合的設(shè)計方法,實現(xiàn)了消除傳動回差及控制超調(diào),實現(xiàn)了三軸精密定位要求,目前該測試轉(zhuǎn)臺正在試運行階段。經(jīng)過長時間的試運行試驗,轉(zhuǎn)臺運行穩(wěn)定可靠、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、定位響應(yīng)快,在測試過程中,每隔60°選取一個測試點,測試結(jié)果誤差均小于±0.01°,滿足指標(biāo)要求,試驗結(jié)果表明該控制系統(tǒng)設(shè)計達到了較高的控制精度和良好的動態(tài)性能。

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