基于DDS的慣性器件特性測量轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張瑞民，王明建，汪徐勝，宋仔標(biāo)

（火箭軍工程大學(xué)士官學(xué)院，山東青州，262500）

基于DDS的慣性器件特性測量轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張瑞民，王明建，汪徐勝，宋仔標(biāo)

（火箭軍工程大學(xué)士官學(xué)院，山東青州，262500）

設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)T性器件特性進(jìn)行測量的轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用DDS數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)和伺服電動(dòng)機(jī)組合的方法來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的自動(dòng)控制；系統(tǒng)軟件采用LabVIEW與MATLAB混合編程，完成慣性器件的性能狀態(tài)評估曲線與轉(zhuǎn)臺(tái)監(jiān)控曲線等功能，通過MCGS組態(tài)軟件技術(shù)建立了PLC和上位機(jī)之間的通信連接，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)控制和遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、適應(yīng)性強(qiáng)、性價(jià)比高，具有廣闊的應(yīng)用前景。

慣性器件；轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)；DDS

0　引言

隨著科技的發(fā)展，高新技術(shù)應(yīng)用于武器裝備的領(lǐng)域越來越多，尤其是以陀螺儀、加速度計(jì)為代表的慣性器件更為突出。由于慣性器件的抽象性以及原理復(fù)雜性，使得對其原理的學(xué)習(xí)和測試變得較為復(fù)雜。因此，設(shè)計(jì)一種慣性器件特性測量轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生，它能較好地解決慣性器件特性監(jiān)測控制的難題。系統(tǒng)以高可靠性的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為該系統(tǒng)的控制核心，采用DDS數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)和伺服電動(dòng)機(jī)組合的方法來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的自動(dòng)控制，完成對慣性器件特性的監(jiān)測和顯示，同時(shí)基于MCGS組態(tài)軟件建立PLC與上位PC機(jī)之間的通信連接，實(shí)現(xiàn)了友好的人機(jī)交互界面，且操作方便、可靠，節(jié)省費(fèi)用。

1　設(shè)計(jì)思路

該方案的基本設(shè)計(jì)思路是通過構(gòu)建一個(gè)自動(dòng)控制轉(zhuǎn)臺(tái)來模擬實(shí)現(xiàn)飛行器在飛行過程中加速度及角速率變化情況，并通過加速度或陀螺儀傳感器將此信號(hào)傳至主控機(jī)，然后由主控機(jī)完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理及圖形仿真，從而實(shí)現(xiàn)慣性器件特性的測量、標(biāo)定及其原理展示。

2　系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由主控機(jī)、DDS電機(jī)調(diào)速模塊、伺服電動(dòng)機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊和轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)體組成。轉(zhuǎn)臺(tái)加速度傳感器隨轉(zhuǎn)臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，而接口電路與PLC機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與接口電路之間通過滑環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)傳輸。被測傳感器固定在轉(zhuǎn)臺(tái)的圓盤上，圓盤的半徑為0.6m。圓盤通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)選用日本安川SGMAV-06A 500W伺服電機(jī)，由主控機(jī)通過串口控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化。數(shù)據(jù)采集模塊通過滑環(huán)系統(tǒng)獲得被測器件的相關(guān)測試數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)通過串口傳入測控柜主控機(jī)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1測控機(jī)柜設(shè)計(jì)

測控柜的控制系統(tǒng)部分是整個(gè)測控柜設(shè)計(jì)過程中的難點(diǎn)和重點(diǎn)部分。測控主機(jī)采用高可靠性的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為該系統(tǒng)的控制核心。其中在數(shù)據(jù)通信接口電路的處理上，充分考慮被測件高頻弱電數(shù)據(jù)信號(hào)在整個(gè)傳輸過程中的抗干擾問題，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的RS485與計(jì)算機(jī)的RS232進(jìn)行接口，這樣一方面解決了弱電信號(hào)的傳輸距離問題；另一方面也解決了被測件與測控計(jì)算機(jī)的接口融合問題。在數(shù)據(jù)的監(jiān)控及融合處理方面，充分考慮整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的需求，采用了專門的數(shù)據(jù)采集處理接口模塊，這樣一方面降低了工控機(jī)的數(shù)據(jù)處理壓力；另一方面減少了高頻數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸環(huán)節(jié)，降低了干擾的產(chǎn)生機(jī)率。

中央處理器是整個(gè)模塊的核心，完成數(shù)據(jù)采集、處理和通信等功能。該模塊選擇高性能DSP TMS320C31芯片，該芯片具有精度高、速度快、集成度高等特點(diǎn)，硬件條件完全符合設(shè)計(jì)需求。電源模塊給各個(gè)組成模塊部分進(jìn)行供電，保證整個(gè)模塊的正常工作。

2.2轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)由上位機(jī)控制部分和調(diào)速模塊、驅(qū)動(dòng)模塊及測速采樣模塊組成。本系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)采用的是伺服電機(jī)，電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)數(shù)字交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。該調(diào)速系統(tǒng)是采用伺服電機(jī)和測速機(jī)機(jī)組，以單片機(jī)8098為核心，數(shù)字量給定，軟件PID調(diào)節(jié)，數(shù)字PWM輸出。IGBT功率驅(qū)動(dòng)，是高精度、低漂移的雙向調(diào)速系統(tǒng)。電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可以通過主控機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，主控機(jī)通過串口為DDS調(diào)速系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)的控制指令就可以控制電機(jī)工作在某一轉(zhuǎn)速，從而加速度信號(hào)或角速率信號(hào)的動(dòng)態(tài)模擬。系統(tǒng)主電路采用的是交—直—交電壓型大功率全控型電力電子器件絕緣門極雙極性晶體管（IGBT）橋式逆變電路?？刂齐娐凡捎妹}寬調(diào)制（PWM）技術(shù)和單片微機(jī)控制技術(shù)。脈寬調(diào)制電路采用HEF4725，另因主電路中存在著電感，采用R、C、VD集中在直流側(cè)的吸收電路。速度反饋信號(hào)采用1024脈沖/r的光電碼盤來實(shí)現(xiàn)。

DDS采用數(shù)字化技術(shù)，最終合成信號(hào)是經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到的。信號(hào)調(diào)理模塊采用的是二階壓控電壓源低通濾波器作為信號(hào)調(diào)理電路，首先需要對其進(jìn)行濾波、放大等預(yù)處理，然后再輸入單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

軟件編程采用C++語言進(jìn)行程序開發(fā)，采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想，從上到下的設(shè)計(jì)方式，使得程序的結(jié)構(gòu)清晰、可讀性、擴(kuò)展性強(qiáng)，分布式計(jì)算機(jī)的全數(shù)字化控制策略，高性能計(jì)算機(jī)控制下的電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的數(shù)字伺服控制體制。

在系統(tǒng)啟動(dòng)后，會(huì)自動(dòng)向各號(hào)位發(fā)送通訊信號(hào)，檢測硬件通訊線路是否正常，如果UDP和RS232均通訊正常則開始監(jiān)控用戶操作，如出現(xiàn)故障則提示用戶發(fā)生通訊故障的工位和方式，在獲取到用戶操作的輸入信號(hào)后，程序設(shè)計(jì)了測試項(xiàng)目的自動(dòng)判斷的算法，并提交數(shù)據(jù)庫進(jìn)行判斷，如果目前用戶操作確實(shí)符合某一測試項(xiàng)目的操作邏輯，則觸發(fā)該項(xiàng)目測試的界面顯示、現(xiàn)象顯示、監(jiān)控輸出并開始記錄用戶操作，如果用戶操作與所有已記錄的邏輯集合均不對應(yīng)，則判定用戶誤操作，給出用戶相應(yīng)的提示，軟件流程圖如圖2所示。

3.2數(shù)據(jù)采集監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集監(jiān)控中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)和各種狀態(tài)的顯示。該軟件采用LabVIEW與MATLAB混合編程，充分利用了MATLAB提供的大量高效率可靠的算法和LabVIEW高效的圖形化編程能力。采用LabVIEW編寫的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)分析模塊在讀取數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)字濾波，經(jīng)過計(jì)算得到轉(zhuǎn)臺(tái)及被測件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，調(diào)用MATLAB的大型算法進(jìn)行圖形化仿真顯示，并將被測件的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合后與給定曲線進(jìn)行綜合分析比較，最后得到慣性器件的性能狀態(tài)評估曲線與轉(zhuǎn)臺(tái)監(jiān)控曲線一起實(shí)時(shí)進(jìn)行仿真顯示，其實(shí)時(shí)顯示效果如圖3所示。

圖3　圖形化仿真實(shí)時(shí)顯示主畫面

圖2　軟件流程圖

4　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于DDS慣性器件特性測量轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了速率可控、數(shù)據(jù)采集、通信、安全控制、特性測量、狀態(tài)評估等功能，與傳統(tǒng)慣性器件轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有精度高、可靠性強(qiáng)、價(jià)格低廉、便于維修等特點(diǎn)，有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值和市場前景。

［1］ 郭金淮，湯漢屏，等.DDS技術(shù)淺析［J］.數(shù)據(jù)通信，2002（03）.

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［3］ 秦永元.慣導(dǎo)系統(tǒng)［M］.北京：科學(xué)出版社，2006（05）.

［4］ 嚴(yán)恭敏.捷聯(lián)慣導(dǎo)算法及車載組合導(dǎo)航系統(tǒng)研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2004.

［5］ 潘智昊，謝少榮，羅均，等.仿生雙目異向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2009，31（1）：34～37.

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張瑞民（1971―），男，山東單縣人，副教授，主要從事導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制等方面的研究與教學(xué)。

Design of swivel table control system for IMU characteristic test based on DDS

Zhang Ruimin，Wang Mingjian，Wang Xusheng，Song Zaibiao
（College of Sergeant，the Rocket Force Engineering University，Shandong，262500，China）

A swivel table control system for IMU characteristic test which controlled automatically by DDS system and servo motor was designed.LabVIEW and MATLAB were used in software program of system.The control system can draw property evaluation curve and monitor curve.Communication connection between PLC and computer was founded by MCGS software.Locale facilities were monitored real-time and controlled longdistance on this system.The system which has a amplitude application future runs well and low-cost.

IMU；swivel table control system；DDS