滾擺式導(dǎo)引頭穩(wěn)定平臺控制器設(shè)計(jì)

曾 龍，莫 波，亓 賀

(北京理工大學(xué)，北京 100081)

滾擺式導(dǎo)引頭穩(wěn)定平臺控制器設(shè)計(jì)

曾 龍，莫 波，亓 賀

(北京理工大學(xué)，北京 100081)

滾擺式導(dǎo)引頭體積小、質(zhì)量小、框架角大，能夠?qū)崿F(xiàn)對前半球視場的覆蓋。設(shè)計(jì)了一種基于DSP TS101與PFGA的滾擺式導(dǎo)引頭伺服穩(wěn)定控制器。分析了伺服控制器硬件電路設(shè)計(jì)與控制算法，實(shí)現(xiàn)對滾轉(zhuǎn)和擺動(dòng)框架的伺服穩(wěn)定控制。最后對滾轉(zhuǎn)、擺動(dòng)框架進(jìn)行隔離度試驗(yàn)，取得較好的效果。

滾擺式導(dǎo)引頭；穩(wěn)定平臺；PID前饋控制

0 引言

導(dǎo)引頭是現(xiàn)代制導(dǎo)武器的重要組成部分，常用的導(dǎo)引頭采用俯仰和偏航2個(gè)框架，具有控制系統(tǒng)簡單、兩通道獨(dú)立、耦合較小的優(yōu)點(diǎn)。但由于結(jié)構(gòu)限制，最大離軸角一般不超過60°。滾擺式導(dǎo)引頭可以達(dá)到360°的滾轉(zhuǎn)框架角，±90°的擺動(dòng)框架角，可覆蓋整個(gè)前半球面，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的大離軸角跟蹤。但由于滾擺式導(dǎo)引頭一般應(yīng)用于跟蹤高速、大機(jī)動(dòng)目標(biāo)及其過頂跟蹤情況下存在奇異性問題，要求滾轉(zhuǎn)框具有很高的響應(yīng)速度，對伺服控制器提出了很高的要求。本文設(shè)計(jì)了一種基于DSP TS101和FPGA的滾擺式導(dǎo)引頭伺服控制器，試驗(yàn)表明該系統(tǒng)具有較好的隔離性能，能滿足工程應(yīng)用的需要。

1 滾擺式導(dǎo)引頭穩(wěn)定平臺原理及研究現(xiàn)狀

滾擺式導(dǎo)引頭穩(wěn)定平臺由直流電機(jī)、角速率陀螺及陀螺信號處理電路、電位計(jì)角測量傳感器、光學(xué)系統(tǒng)及圖像跟蹤器、伺服控制器構(gòu)成。在內(nèi)框擺動(dòng)框架上安裝光學(xué)系統(tǒng)及角速率陀螺，角速率陀螺敏感滾轉(zhuǎn)與擺動(dòng)方向相對于慣性空間的角速率，作為速度環(huán)反饋實(shí)現(xiàn)伺服穩(wěn)定控制。滾擺式導(dǎo)引頭伺服穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 滾擺式導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of roll-pitch seeker

由于滾擺式導(dǎo)引頭的大框架角、能夠覆蓋前半球面的大離軸角跟蹤的特點(diǎn)，國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究，且國外已經(jīng)有幾個(gè)型號定型并裝備。雷聲公司2002年研制了AIM-9X滾擺式導(dǎo)引頭，它在測試與軍演中取得了優(yōu)秀的成績并獲得了大量的訂單，目前成為美式戰(zhàn)機(jī)的主戰(zhàn)裝備之一。同年，以德國BGT公司為首的歐洲六國的公司推出了IRIS-T滾擺式導(dǎo)引頭，它的性能指標(biāo)與AIM-9X相當(dāng)，成為歐洲戰(zhàn)機(jī)的主戰(zhàn)武器之一。AIM-9X與IRIS-T最大離軸發(fā)射角均達(dá)到了±90°，IRIS-T最大跟蹤角速度達(dá)到1800(°)/s[2-3]。國內(nèi)對滾擺式導(dǎo)引頭穩(wěn)定平臺的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理、過頂跟蹤的奇異性原理及控制策略都進(jìn)行了很多分析和仿真[4,6-7]。在導(dǎo)引頭伺服控制器設(shè)計(jì)上，經(jīng)典控制理論依然發(fā)揮著重要的作用，引入校正環(huán)節(jié)的PID控制器有著廣泛的應(yīng)用[7]。采用位置-速度-電流的三環(huán)控制方案的導(dǎo)引頭伺服控制器相對位置-速度雙閉環(huán)的方案有更高的控制精度。在國內(nèi)關(guān)于滾擺式導(dǎo)引頭的研究多在理論研究，關(guān)于工程設(shè)計(jì)的相關(guān)論述不多。本文提出了一種采用位置-速度-電流三環(huán)控制的滾擺式導(dǎo)引頭伺服控制器的硬件設(shè)計(jì)方案。

2 伺服控制器硬件設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

伺服控制器的主要功能：1)接收圖像處理器的失調(diào)角信息、陀螺傳感器的導(dǎo)引頭角速度信息；2)采集電位機(jī)的位置反饋，通過霍爾電流傳感器采集電機(jī)電流反饋；3)根據(jù)反饋參數(shù)通過控制算法生成控制信號，然后通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制滾轉(zhuǎn)框電機(jī)和擺動(dòng)框電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)引頭位置角度與角速度的控制；4)在跟蹤狀態(tài)下保證導(dǎo)引頭光軸時(shí)刻對準(zhǔn)目標(biāo)，向彈載計(jì)算機(jī)發(fā)送視線角速度信息。

伺服控制器主要由處理器DSP TS101、FPGA EP3C16F256I7、通信接口電路、電流采集電路、AD轉(zhuǎn)換電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 伺服控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Schemetic diagram of servo controller

2.2 DSP與FPGA主控電路

采用ADI公司的高速DSP處理芯片TS101作為伺服系統(tǒng)的主控芯片，TS101是ADI公司推出的32位高性能定浮點(diǎn)DSP。它采用超級哈佛結(jié)構(gòu)，工作主頻300MHz，擁有豐富的片內(nèi)資源，包括6Mbytes片內(nèi)SRAM、主機(jī)接口、DMA控制器、鏈路口以及可以無縫組成多處理器的共享總線。64位數(shù)據(jù)總線和32位的地址總線為TS101提供4G的統(tǒng)一尋址空間，4通道全雙工鏈路接口最大的通信速度可以達(dá)到250Mbytes/s。同時(shí)支持8/16/32/64bit定點(diǎn)和32/64bit浮點(diǎn)數(shù)據(jù)格式，大大提高浮點(diǎn)運(yùn)算能力，為編寫復(fù)雜的控制算法提供較強(qiáng)的硬件支持。

由于TS101數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，但與外部的連接以并行總線與鏈路口的方式，而伺服控制器與圖像處理板、陀螺信號處理板、彈載計(jì)算機(jī)都通過RS422通信，與AD采集芯片通過SPI通信，同時(shí)需要生成4路高精度的PWM信號，而這些外部接口很難在DSP中完成。因此本文采用了1片F(xiàn)PGA處理所有與外設(shè)的通信，F(xiàn)PGA與DSP間采用總線方式連接，大大提高了數(shù)據(jù)交互的速度，同時(shí)讓DSP更加專注于控制算法的實(shí)現(xiàn)。本文采用的FPGA EP3C16F256I7是Altera公司推出的Cyclone III系列FPGA。Cyclone III FPGA所具有的體系結(jié)構(gòu)和特性為低功耗、低成本應(yīng)用提供了理想的解決方案。它具有200K邏輯單元(LE)、8Mbits存儲器且靜態(tài)功耗不到1/4W[8]。

2.3 電流、電位計(jì)信號調(diào)理電路

系統(tǒng)中需要采集紅外導(dǎo)引頭的4路模擬量，包括2路電位計(jì)信號和2路霍爾信號，該4路模擬信號采用共地接法。為滿足采樣需要AD分辨率不低于12位，對于4路模擬量的采集精度為±10mV；單路轉(zhuǎn)換時(shí)間不大于5μs。AD采集芯片采用AD公司集成芯片ADS723，這是一個(gè)單通道AD轉(zhuǎn)換芯片，采用SPI通信，采樣精度高、AD轉(zhuǎn)換時(shí)間短。為了采集4路模擬信號，選用了一個(gè)8路通道選擇器ADG608BR，前4通道接2路電位計(jì)信號、2路霍爾電流信號。采用多通道選擇器進(jìn)行選通模擬通道可以減少AD轉(zhuǎn)換電路、光耦隔離電路以及運(yùn)算放大電路，減小布線面積。為了給AD轉(zhuǎn)換芯片提供穩(wěn)定的參考源，本文采用精密電源芯片REF3325為AD提供2.5V基準(zhǔn)電壓，通過放大電路放大2倍后為AD轉(zhuǎn)換芯片提供5V基準(zhǔn)電壓。為了匹配輸入阻抗和模擬量信號范圍，所有模擬信號經(jīng)過放大電路進(jìn)行信號調(diào)理。模擬信號調(diào)理與AD采集的系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 模擬信號調(diào)理與AD采集的系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of analog signal adjusting circuit and AD acquisition

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流有刷電機(jī)，由于滾轉(zhuǎn)框負(fù)載較大而響應(yīng)要求很快，對驅(qū)動(dòng)電路提出很高的要求。由于驅(qū)動(dòng)電路對控制電路干擾較大，本文采用光耦隔離電路將FPGA輸入的控制信號與驅(qū)動(dòng)部分隔離，驅(qū)動(dòng)電路采用隔離電源單獨(dú)供電。光耦輸出端的PWM信號邊沿可能抖動(dòng)，采用反向器對信號進(jìn)行整理然后給MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片。

MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片作用是驅(qū)動(dòng)MOSFET的通斷，為了讓芯片穩(wěn)定工作，本文采用獨(dú)立隔離電源為芯片提供高端懸浮隔離電源。本文采用IRF1404 MOSFET，瞬時(shí)最大驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到100A，滿足在滾轉(zhuǎn)框過載情況下對電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力的要求。圖4所示為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)框圖[9]。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Block diagram of motor driving

3 伺服控制算法

導(dǎo)引頭伺服系統(tǒng)可分解成滾轉(zhuǎn)和擺動(dòng)2個(gè)框架上的位置伺服系統(tǒng)。圖像跟蹤器處理由紅外成像傳感器傳送過來的圖像，識別目標(biāo)并計(jì)算出目標(biāo)的失調(diào)角信息，將失調(diào)角通過RS422發(fā)送給伺服控制系統(tǒng)。為滿足制導(dǎo)精度，位置伺服系統(tǒng)必須快速響應(yīng)，保證導(dǎo)引頭光軸時(shí)刻對準(zhǔn)目標(biāo)，因此必須加入速度環(huán)和電流環(huán)。位置控制器根據(jù)偏差信息形成角速度指令信號傳遞至速度控制器，速度控制器使用撓性陀螺作為速度反饋，通過PID算法生成控制信號給電流控制器。電流控制器可以提高伺服系統(tǒng)的低頻性能，克服伺服結(jié)構(gòu)摩擦力。圖5所示為控制系統(tǒng)的控制框圖[10-11]。

圖5 控制系統(tǒng)框圖Fig.5 Block diagram of control system

前饋PID控制器

PID控制器由比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，它的結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)易于調(diào)整，適用于控制對象模型不明確、難以建立精確的數(shù)學(xué)模型的場合。PID控制器在連續(xù)系統(tǒng)控制上應(yīng)用最為成熟，在定參數(shù)的線性系統(tǒng)中，PID參數(shù)經(jīng)過整定，系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能都能達(dá)到滿意的效果。PID控制器系統(tǒng)原理框圖如圖6所示[12-13]。

圖6 PID控制器原理圖Fig.6 Schematic diagram of PID controller

傳統(tǒng)PID控制器存在一定的滯后，在高速高精度的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，很難在滿足相位不滯后的同時(shí)保證系統(tǒng)穩(wěn)定且超調(diào)量小。對于滾擺式導(dǎo)引頭伺服穩(wěn)定控制系統(tǒng)，由于目標(biāo)在過頂區(qū)對滾轉(zhuǎn)框的伺服響應(yīng)速度要求非常高，傳統(tǒng)的PID控制器很難滿足其高速響應(yīng)要求。前饋環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)具有一定遇見性，因此本文在跟隨回路的速度環(huán)在傳統(tǒng)PID上引入前饋環(huán)節(jié)，提高運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的響應(yīng)性能以及隔離度等指標(biāo)。加入前饋環(huán)節(jié)的PID控制系統(tǒng)如圖7所示[14-15]。

圖7 前饋PID控制器原理圖Fig.7 Schematic diagram of feedforward PID controller

式中,Kp為比例系數(shù)；T1為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù);Kf為前饋系數(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文設(shè)計(jì)了基于上述結(jié)構(gòu)的滾擺式導(dǎo)引頭原理樣機(jī)，為了測試伺服控制器的性能，采用隔離度測試實(shí)驗(yàn)測試滾轉(zhuǎn)框和擺動(dòng)框電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。指令由伺服控制器自動(dòng)生成，通過RS422將指令與反饋信息傳回計(jì)算機(jī)。本文采用虛擬儀器軟件labwindows設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件與伺服系統(tǒng)通信，繪制伺服系統(tǒng)數(shù)據(jù)曲線，并保存測試數(shù)據(jù)。

隔離度測試方法是將導(dǎo)引頭安裝在轉(zhuǎn)臺上，讓轉(zhuǎn)臺在測試軸上做正弦擺動(dòng)，同時(shí)導(dǎo)引頭伺服系統(tǒng)控制導(dǎo)引頭光軸方向不動(dòng)。在正弦擺動(dòng)幅值2°頻率3Hz的情況下，計(jì)算導(dǎo)引頭實(shí)際擺動(dòng)幅值與彈體正弦擺動(dòng)幅值的百分比。由于導(dǎo)引頭上的陀螺傳感器不能直接檢測彈體擺動(dòng)速度，本文采用導(dǎo)引頭上電位計(jì)角度信息差分后與陀螺角速度合成的方法計(jì)算實(shí)際的彈體擾動(dòng)。

圖8所示為擺動(dòng)框隔離度檢測曲線，圖9所示為滾轉(zhuǎn)框隔離度檢測曲線。由于導(dǎo)引頭隔離彈體擾動(dòng)后擺動(dòng)速度非常小，為了便于觀察將滾動(dòng)框與擺動(dòng)框的速度均乘以10后繪制曲線。分析隔離度測試數(shù)據(jù)，擺動(dòng)框的隔離度達(dá)到2.9%，滾轉(zhuǎn)框的隔離度為3.3%，滿足工程實(shí)際的要求。

圖8 擺動(dòng)框隔離度檢測曲線Fig.8 Anti-jamming result of the pitch channel

圖9 滾轉(zhuǎn)框隔離度檢測曲線Fig.9 Anti-jamming result of the roll channel

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了滾擺式導(dǎo)引頭伺服穩(wěn)定控制器。硬件上討論了伺服控制器的硬件電路設(shè)計(jì)，分析了伺服控制器各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)思路；軟件上研究分析了前饋PID控制器在伺服控制器控制上的應(yīng)用。最后，通過隔離度測試實(shí)驗(yàn)，滾轉(zhuǎn)框和擺動(dòng)框均能滿足在實(shí)際工程系統(tǒng)中的要求，達(dá)到了預(yù)期的指標(biāo)。

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Design of Servo Controller for Roll-Pitch Seeker’s Stabilized Platform

ZENG Long, MO Bo, QI He

(Beijing Institute of Technology, Beijing 100081，China)

Roll-pitch seeker has the advantages of small size, light weight and large frame angle which make covering over the front field of hemisphere facilely. The paper designs a servo stability controller of the roll-pitch seeker based on DSP TS101 and FPGA and then analyzes the hardware circuit design of servo controller and control algorithm which makes the servo control of roll and swing frame stable. Finally, the isolation experiment of the roll-pitch seeker and swing frame is performed, achieving good results.

Roll-pitch seeker ; Stabilized platform ; Feedforward PID control

10.19306/j.cnki.2095-8110.2016.06.008

2015-06-28；

2015-08-12。

曾龍(1991 - )，男，碩士，主要從事導(dǎo)引頭伺服控制研究。E-mail:13366409052@163.com

TJ765.3

A

2095-8110(2016)06-0040-05