基于DSP+FPGA的兩軸穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李衡　曹文喆

摘要：為了實(shí)現(xiàn)兩軸穩(wěn)定平臺(tái)的控制，設(shè)計(jì)了一種基于DSP+FPGA架構(gòu)的伺服控制系統(tǒng)，描述了該系統(tǒng)的組成及工作原理，并給出了具體硬件電路設(shè)計(jì)和相關(guān)的軟件設(shè)計(jì)。開(kāi)展相關(guān)驗(yàn)證工作，結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的響應(yīng)速度和穩(wěn)定精度，兩軸的隔離度均小于2%，能夠有效的隔離載體擾動(dòng)。同時(shí)，該系統(tǒng)為后續(xù)復(fù)雜的控制算法提供了驗(yàn)證平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：TMS320C28346 穩(wěn)定平臺(tái) 控制系統(tǒng) 陀螺

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）06-0006-03

穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)由伺服控制器、穩(wěn)定平臺(tái)以及負(fù)載等組成。在工作時(shí)，需要實(shí)時(shí)地獲取負(fù)載的角速度和角位置信息，從而形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)不斷地調(diào)整姿態(tài)或位置來(lái)隔離載體運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的干擾，從而精確保持動(dòng)態(tài)姿態(tài)基準(zhǔn)[1]。由于目前控制系統(tǒng)對(duì)精度、運(yùn)算量以及實(shí)時(shí)性都有比較高的要求，所以通常采用DSP做為控制器的運(yùn)算核心，使得復(fù)雜的算法以及功能能夠快速的實(shí)現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)的穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)采用TI公司的TMS320C28346DSP芯片作為運(yùn)算單元，其工作頻率達(dá)到300Hz，具有強(qiáng)大浮點(diǎn)運(yùn)算能力，片內(nèi)集成了516KRAM，同時(shí)，本設(shè)計(jì)還有采用FPGA作為接口器件，能夠方便靈活的擴(kuò)展A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器以及各種接口的傳感器。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

穩(wěn)定平臺(tái)主要由框架、角度傳感器、電機(jī)和速度傳感器組成，穩(wěn)定平臺(tái)根據(jù)需求的不同，可以采用兩軸、三軸或兩軸四框架等結(jié)構(gòu)形式，本設(shè)計(jì)中采用的是兩軸結(jié)構(gòu)形式，組成框圖如圖1所示，外框架為方位框架，內(nèi)框架為俯仰框架。

該穩(wěn)定平臺(tái)具有方位和俯仰兩套獨(dú)立的穩(wěn)定控制回路，兩個(gè)控制回路結(jié)合起來(lái)可使安裝內(nèi)框的光學(xué)相機(jī)在空間中具有穩(wěn)定視軸的功能。系統(tǒng)采用高精度光電編碼器作為角位置傳感器以及高精度的速率陀螺作為速度傳感器，方位框和俯仰框分別安裝一個(gè)陀螺，敏感軸與安裝框架旋轉(zhuǎn)方向平行，控制系統(tǒng)利用陀螺測(cè)量的空間角速率來(lái)構(gòu)成速度穩(wěn)定回路，當(dāng)載體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的擾動(dòng)耦合到平臺(tái)時(shí)，其角速率被框架上的陀螺敏感，陀螺輸出的信號(hào)經(jīng)控制系統(tǒng)處理后，產(chǎn)生的相反力矩來(lái)平衡干擾力矩，從而保證視軸在慣性空間的穩(wěn)定。同時(shí)整個(gè)控制系統(tǒng)采用串級(jí)多閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)形式，由內(nèi)置外依次為速度穩(wěn)定環(huán)以及位置環(huán)。穩(wěn)定控制回路的示意圖如圖2所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電路總體設(shè)計(jì)

控制器硬件電路由TI公司的浮點(diǎn)DSPTMS320C28346，以及Xilinx公司的Spartan-6系列XC6SLX75 FPGA，以及外圍的輔助電路組成，輔助電路包括A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、RS422接口電路以及電源電路、電平轉(zhuǎn)換電路和保護(hù)電路等。系統(tǒng)外擴(kuò)了512K×16bit的SRAM作為運(yùn)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元；外掛了8M×16bit的FLASH芯片用于程序存儲(chǔ)；采用一片AD7609外擴(kuò)8路模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端口，用于陀螺數(shù)據(jù)的采集；采用2片AD5574作為數(shù)模輸出端口，將方位軸和俯仰軸的控制電壓輸出給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；采用2片MAX490E做為RS422橋接芯片外接SSI接口的角編碼器；采用1片MAX490E連接TMS28346的SCIB接口用于DSP與上位機(jī)的通信?？刂破饔布娐肥疽鈭D如下圖3所示。

2.2 主控制器特點(diǎn)

TMS320C28346基于TI現(xiàn)有的F2833X高性能浮點(diǎn)控制器，具有300MHz（3.33ns周期）的浮點(diǎn)性能，并具有516KB的片上RAM；高性能的32位CPU（TMS320C28x）包含IEEE-754單精度浮點(diǎn)單元；16×16和32×32位的乘法累加器，哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有6通道DMA，可用于McBSP，XINTF和SRAM；具有16位或32位的外部接口，超過(guò)2M×16地址范圍；具有3個(gè)32位CPU定時(shí)器，同時(shí)具有2個(gè)CAN總線接口，3個(gè)SCI接口，2個(gè)SPI接口以及1個(gè)I2C接口，還具有88個(gè)有輸入濾波功能且可單獨(dú)編程的多路復(fù)用通用輸入輸出（GPIO）引腳。本設(shè)計(jì)充分利用該DSP的特點(diǎn)，采用TI公司官方的參考設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)硬件和軟件開(kāi)發(fā)難度。

2.3 陀螺采樣電路設(shè)計(jì)

陀螺為穩(wěn)定平臺(tái)的關(guān)鍵傳感器，這里選用的是模擬輸出的速率陀螺，陀螺輸出為電壓信號(hào)，輸出的電壓值與速度成正比，其輸出電壓的范圍為±10V，且對(duì)應(yīng)速度范圍為±150°/s，根據(jù)陀螺輸出信號(hào)的特性，以及考慮到控制系統(tǒng)的擴(kuò)展，本設(shè)計(jì)選用的A/D轉(zhuǎn)換芯片為AD7609，分辨率為18bit，具有8個(gè)通道，真差分輸入，輸入范圍為雙級(jí)性±10V，每個(gè)通道的采樣率為200k，片內(nèi)還帶有二階抗混疊模擬濾波器，輸出接口可以是串行，也可以是并行，本設(shè)計(jì)中，為了節(jié)約FPGA的管腳，采用串行輸出的方式。

2.4 角度編碼器接口電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用的是SSI接口的角度編碼器，SSI為同步串口信號(hào)，以RS422為物理接口，分為時(shí)鐘脈沖和數(shù)據(jù)兩個(gè)部分，F(xiàn)PGA產(chǎn)生時(shí)序脈沖，通過(guò)RS422芯片轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)由發(fā)送端發(fā)送給編碼器，編碼器在接收到時(shí)鐘脈沖時(shí)，逐位按時(shí)鐘脈沖位數(shù)輸出編碼器數(shù)值，包括角位置、校驗(yàn)信號(hào)或編碼器狀態(tài)，F(xiàn)PGA再通過(guò)RS422芯片的接收端口相關(guān)的數(shù)據(jù)，然后按規(guī)定編碼傳輸給DSP，DSP根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行角位置結(jié)算。

2.5 上位機(jī)接口

本設(shè)計(jì)采用TMS320C28346內(nèi)部的SCI串行通信模塊，外接RS422橋接芯片MAX490E與上位機(jī)進(jìn)行通信，通過(guò)對(duì)DSP內(nèi)部的寄存器進(jìn)行設(shè)置，對(duì)數(shù)據(jù)的位數(shù)，波特率，校驗(yàn)位進(jìn)行配置，上位機(jī)按約定的通信協(xié)議發(fā)送指令，DSP對(duì)指令進(jìn)行響應(yīng)，并控制兩軸框架進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。

3 軟件設(shè)計(jì)及穩(wěn)定平臺(tái)隔離度測(cè)試

本控制系統(tǒng)的軟件調(diào)試和開(kāi)發(fā)均采用TI公司的CCS（Code Composer Studio）v3.3版本，該開(kāi)發(fā)工具提供了可視化的窗口，便于用戶(hù)進(jìn)行程序編寫(xiě)、編譯和調(diào)試。軟件的構(gòu)成包括DSP的初始化，定時(shí)器中斷程序等相關(guān)內(nèi)容。對(duì)于方位軸和俯仰軸的位置環(huán)和速度穩(wěn)定環(huán)分別采用PID算法進(jìn)行校正，程序流程圖如下圖4所示。

軟件調(diào)試完成，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定隔離度的測(cè)試。測(cè)試時(shí)，將兩軸框架安裝于擾動(dòng)臺(tái)上，對(duì)方位軸和俯仰軸的穩(wěn)定隔離度分別進(jìn)行測(cè)試。先測(cè)試方位軸，首先將位置環(huán)斷開(kāi)，只采用速度穩(wěn)定環(huán)，且速度輸入指令為0，在此軸向方向施加一個(gè)1°/2Hz的角擾動(dòng)，通過(guò)安裝在框架上的角位置陀螺記錄方位軸在慣性空間中的運(yùn)動(dòng)角度。測(cè)試俯仰軸時(shí)的方法和測(cè)試方位軸一樣。

下圖5為方位軸在1°/2Hz擾動(dòng)下在慣性空間中運(yùn)動(dòng)的角度波形，縱坐標(biāo)表示角度，單位為°，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，單位為ms，可以看出最大值約為0.0123°，可計(jì)算出穩(wěn)定平臺(tái)方位的隔離度約為 1.23%。下圖6為俯仰軸在1°/2Hz擾動(dòng)下在慣性空間中運(yùn)動(dòng)的角度波形，其縱坐標(biāo)表示角度，單位為°，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，單位為ms，可以看出最大值約為0.0174°，可計(jì)算出穩(wěn)定平臺(tái)俯仰隔離度約為 1.74%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于DSP 和FPGA的兩軸穩(wěn)定平臺(tái)的伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)采用DSP實(shí)現(xiàn)相關(guān)的控制算法，并采用FPGA作為接口擴(kuò)展器件，解決了不同接口傳感器信號(hào)接入問(wèn)題，且具有很強(qiáng)的靈活性，方便后期采用不同接口的傳感器。系統(tǒng)中采用速率陀螺作為反饋器件完成速度穩(wěn)定回路的控制，在對(duì)方位軸與俯仰軸的穩(wěn)定隔離度測(cè)試中，兩軸的隔離度均小于2%。研究表明，該系統(tǒng)具有較高的響應(yīng)速度和穩(wěn)定精度，設(shè)計(jì)合理，同時(shí)為后續(xù)復(fù)雜的控制算法提供了驗(yàn)證平臺(tái)。

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