基于DSP的高速旋轉(zhuǎn)修正機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

張記發(fā)，王 玲，郝永平，張嘉易，趙洪力

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159；2.遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司 研發(fā)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)從對(duì)目標(biāo)的面殺傷逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)目標(biāo)的精確打擊，而彈道修正可以在控制成本的情況下大大提高彈藥的打擊精度和效費(fèi)比，彈道修正彈越來(lái)越受各國(guó)的關(guān)注[1].各國(guó)都在不斷加強(qiáng)本國(guó)國(guó)防力量，抓緊傳統(tǒng)炮彈的改造過(guò)程，彈道修正彈的研究也成為了諸多國(guó)家的軍工研發(fā)重點(diǎn).目前，彈道修正彈技術(shù)從一維彈道修正發(fā)展到二維彈道修正，已取得長(zhǎng)足的進(jìn)步.南京理工大學(xué)、北京理工大學(xué)等對(duì)二維彈道修正彈的修正方法、氣動(dòng)分析以及鴨舵式修正機(jī)構(gòu)等主要技術(shù)進(jìn)行了比較深入的研究，取得了一定成果.沈陽(yáng)理工大學(xué)通過(guò)原理性探索與研究，在二維彈道修正機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、修正彈的氣動(dòng)仿真和SINS/GPS(Strapdown Inertialnavigation System/Global Positioning System)組合導(dǎo)航方面取得了一定進(jìn)展[2].

隨著高速旋轉(zhuǎn)彈彈道修正技術(shù)的不斷發(fā)展，舵機(jī)作為修正手段與脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)相比，在修正效果方面具有許多優(yōu)勢(shì)，而如何在彈丸飛行過(guò)程中對(duì)舵機(jī)的飛行姿態(tài)進(jìn)行控制是一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容.本文針對(duì)修正機(jī)構(gòu)的控制原理、硬件架構(gòu)、電路問題，提出一種基于DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)主控制器、TMR2303磁傳感器、鴨舵式修正機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)，并進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試.

1 彈道修正控制系統(tǒng)原理

彈道修正控制系統(tǒng)原理在于，通過(guò)控制修正舵片的姿態(tài)，改變俯仰力矩或偏航力矩，實(shí)現(xiàn)彈丸飛行彈道的控制；通過(guò)GPS和磁傳感器對(duì)彈丸的位置信息和舵機(jī)滾轉(zhuǎn)姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量；DSP將采集后解析的狀態(tài)信息與控制器內(nèi)預(yù)設(shè)的彈道對(duì)比，根據(jù)偏差解算出修正舵機(jī)的滾轉(zhuǎn)角度與作用時(shí)間，控制舵片姿態(tài)達(dá)到修正的目的.

GPS信號(hào)的長(zhǎng)距離精度相對(duì)較高，但易受干擾信號(hào)影響，且接收機(jī)更新速度較慢，因此主要用于飛行軌跡的記錄.磁傳感器測(cè)定的地磁信號(hào)更新快，不易受干擾，主要用于修正機(jī)構(gòu)滾轉(zhuǎn)姿態(tài)的測(cè)定.這兩者組合起來(lái)可以很好地記錄彈丸的彈道和滾轉(zhuǎn)姿態(tài)，提高測(cè)姿精度[3].

二維彈道修正引信結(jié)構(gòu)如圖1所示.它以十字型固定翼鴨舵作為高旋彈彈道修正的實(shí)際執(zhí)行機(jī)構(gòu)，既可保留彈丸的高速旋轉(zhuǎn)屬性，又能保證彈丸飛行的穩(wěn)定性，同時(shí)可以利用鴨舵的同向舵和修正舵完成對(duì)彈道的二維修正[4].

圖1 二維彈道修正引信結(jié)構(gòu)

不同姿態(tài)的舵機(jī)所受旋轉(zhuǎn)力矩可通過(guò)力矩電機(jī)來(lái)平衡.控制裝置通過(guò)改變力矩電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)舵機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整.舵機(jī)作為彈道修正的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整自身位置來(lái)控制彈道，進(jìn)而達(dá)到彈道修正的目的.

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由于舵機(jī)體積小，載荷較輕，因此系統(tǒng)硬件選型需要滿足功耗低、體積小、重量輕、成本低和穩(wěn)定性高等要求[5].

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示.整個(gè)控制系統(tǒng)以DSP為核心，采集并處理地磁和GPS信號(hào)，通過(guò)輸出指令來(lái)控制修正機(jī)構(gòu).系統(tǒng)硬件根據(jù)功能可主要分為如下三部分：DSP主控模塊、地磁信號(hào)處理模塊和輸出控制模塊.

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件電路實(shí)物如圖3所示.3塊小板通過(guò)軟排線相連接，折疊后可放入直徑為36 mm的圓柱筒內(nèi).與參考文獻(xiàn)[3]中提出的直徑為80 mm的SINS/GPS組合測(cè)姿硬件電路相比，該系統(tǒng)去除了陀螺儀、加速度計(jì)等器件，因此其體積更小，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，成本更低.

圖3 系統(tǒng)硬件實(shí)物

2.1 DSP主控模塊

主控制器作為核心部件，必須具有足夠的數(shù)據(jù)處理能力和控制能力，而且其外設(shè)接口要滿足需要.

選用Texas Instrument公司DSP處理器中的TMS320F28335作為主控制器.它具有150 MHz的高速處理能力，32位浮點(diǎn)處理單元，串行通信(SCI)、脈寬調(diào)制(PWM)等總線接口[6].與定點(diǎn)DSP相比，其速度快、精度高、平均性能提高50%，能夠滿足修正控制系統(tǒng)的運(yùn)算要求，而且其外設(shè)資源豐富，便于從功能上進(jìn)行擴(kuò)展和改進(jìn).

為了提高DSP的運(yùn)行速度，擴(kuò)大其存儲(chǔ)空間，需外擴(kuò)靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)和閃存(Flash).SRAM選型為IS61LV51216，其空間容量為8 MB.使用低觸發(fā)片選引腳(/CE)和輸出使能引腳(/OE)，可以輕松實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器擴(kuò)展.低觸發(fā)寫入使能引腳(/WE)能夠完全控制存儲(chǔ)器的寫入和讀取.Flash選型為SST39VF800A，其存儲(chǔ)容量為16 MB，最快訪問速度達(dá)70 ns.Flash為非易失存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)速度快，可對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行擦寫和再編程，完成數(shù)據(jù)讀寫，能夠滿足本設(shè)計(jì)的要求.

2.2 地磁信號(hào)處理模塊

地磁信號(hào)處理模塊選用江蘇多維科技的TMR2303三軸隧道磁電阻(TMR)線性傳感器芯片.該芯片采用3個(gè)獨(dú)特的推挽式惠斯通全橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每軸惠斯通全橋都可提供差分電壓輸出.該輸出具有良好的溫度穩(wěn)定性，輸出信號(hào)的峰值可達(dá)工作電壓的80%，靈敏度高，線性度好，動(dòng)態(tài)范圍寬，響應(yīng)頻率高，功耗低，能夠滿足設(shè)計(jì)需求[7].

由于采集的地磁信號(hào)為弱磁信號(hào)，因此需要用信號(hào)處理模塊對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大，通過(guò)DSP內(nèi)部AD電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而解析計(jì)算.這里采用二級(jí)放大電路：第一級(jí)為同相運(yùn)算放大電路(它采用LMV774型來(lái)減小信號(hào)源內(nèi)阻，增大輸入阻抗，提高共模抑制比)；第二級(jí)為差分運(yùn)算放大電路(它也采用LMV772型，可將傳感器輸出的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單輸出信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)基準(zhǔn)源參考電壓Vref來(lái)抵消失調(diào)電壓并調(diào)節(jié)穩(wěn)定輸出).地磁信號(hào)處理模塊原理如圖4所示.

圖4 地磁信號(hào)處理模塊原理圖

2.3 輸出控制模塊

主控制器DSP輸出PWM信號(hào)，對(duì)修正裝置(電機(jī))進(jìn)行控制，通過(guò)改變電磁力矩來(lái)改變舵片轉(zhuǎn)速與滾轉(zhuǎn)角度，達(dá)到修正目的.本文采用東芝TLP116A型光電耦合器對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行隔離，以保證DSP不受負(fù)載電流影響.TLP116A的隔離效果好，傳播延遲時(shí)間最大值為60 ns，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)20 MB/s.它采用推挽式結(jié)構(gòu)，具有直接對(duì)外輸出電流的能力，也允許外部的電流通過(guò)輸入端流向GND.當(dāng)輸入端輸入為低電平時(shí)，輸出為高電平，且其輸出電壓為電源電壓減去內(nèi)部壓降，電流向外流動(dòng).當(dāng)輸入端輸入為高電平時(shí)，輸出端與電源隔離，輸出為低電平.

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果

通過(guò)錘擊實(shí)驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)的抗過(guò)載性.將硬件系統(tǒng)灌封在密閉剛體中，從一定高度自由下落而撞擊鋼板.經(jīng)計(jì)算，其沖擊過(guò)載為9.8×104m/s2，恢復(fù)上電系統(tǒng)正常，抗過(guò)載性良好.

為了驗(yàn)證系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的可行性和測(cè)試性能，利用實(shí)驗(yàn)室臥式高速轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試.測(cè)試環(huán)境及臥式轉(zhuǎn)臺(tái)如圖5所示.

1、9為伺服電機(jī)；2、8為聯(lián)軸器；3為舵片卡具；4為舵機(jī)；5為支架；6為傳動(dòng)桿；7為滑環(huán)圖5 測(cè)試環(huán)境及臥式轉(zhuǎn)臺(tái)

當(dāng)伺服電機(jī)1以力矩模式控制舵片旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)彈性聯(lián)軸器2連接舵片卡具3，控制舵片的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，模擬風(fēng)阻力矩，舵片按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)伺服電機(jī)9以轉(zhuǎn)速模式模擬彈丸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)彈性聯(lián)軸器8連接滑環(huán)7，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)桿6控制彈體旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn).控制系統(tǒng)硬件在彈體內(nèi)，當(dāng)電機(jī)1、9分別控制舵機(jī)和彈體同時(shí)旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)控制修正電機(jī)來(lái)控制舵機(jī)4的輸出力矩，改變舵機(jī)4的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的修?？刂?

對(duì)地磁信號(hào)處理模塊進(jìn)行調(diào)試，在實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時(shí)，測(cè)得的X軸和Z軸信號(hào)(Y軸為旋轉(zhuǎn)軸沒有變化)相位相差90°且沒有處于截止或飽和狀態(tài)，調(diào)試結(jié)果良好，可以進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn).

后部彈體旋轉(zhuǎn)，舵機(jī)保持對(duì)地靜止?fàn)顟B(tài)，利用光電開關(guān)檢測(cè)舵機(jī)是否旋轉(zhuǎn).舵片遮擋光電開關(guān)信號(hào)，偏移1°可完全打開光信號(hào)，使傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào).由DSP發(fā)出修正指令同時(shí)開啟定時(shí)器，舵機(jī)打破靜止?fàn)顟B(tài)，開始旋轉(zhuǎn)，將光電開關(guān)觸發(fā)信號(hào)反饋給DSP，停止計(jì)時(shí)，同時(shí)，定時(shí)器記錄響應(yīng)時(shí)間(其值為9.5 ms).

根據(jù)程序設(shè)定，當(dāng)舵機(jī)勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行一次修停，然后解除修停，繼續(xù)勻速旋轉(zhuǎn).實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果符合預(yù)設(shè)目標(biāo)，在修停時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)速為零，舵片保持在修正位置(角度).通過(guò)光電碼盤與實(shí)際停止角度對(duì)比，最大偏差在7.5°左右.測(cè)得的舵片角度值存儲(chǔ)于DSP中，通過(guò)串行通信接口發(fā)送到上位機(jī)，用Matlab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析.分析結(jié)果與軟件程序設(shè)定和實(shí)際測(cè)量結(jié)果基本符合(圖6).

圖6 舵機(jī)修停時(shí)滾轉(zhuǎn)角度

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于TMS320F28335 DSP芯片，利用GPS和地磁信號(hào)對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行姿態(tài)解析，設(shè)計(jì)了一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)修正控制系統(tǒng).與以往DSP+FPGA(Field-Programmable Gate Array)，GPS+陀螺儀+加速度計(jì)的方案相比，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、體積小.經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其硬件系統(tǒng)穩(wěn)定，對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的修正準(zhǔn)確，抗過(guò)載性能好，具有一定的實(shí)用價(jià)值.