0 引言

　　陀螺穩(wěn)定平臺(tái)作為穩(wěn)定視軸或瞄準(zhǔn)線的主要手段[1]，一直是國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)的主要研究對(duì)象。陀螺穩(wěn)定平臺(tái)主要作用是消除平臺(tái)受到的干擾，使平臺(tái)能夠按照既定的方向運(yùn)動(dòng)或者在慣性空間中保持穩(wěn)定，保證平臺(tái)負(fù)載能夠精確、穩(wěn)定地跟蹤目標(biāo)[2]。

　　穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，能克服以模擬電路實(shí)現(xiàn)為主的控制系統(tǒng)中體積大、成本高、故障頻繁、很難將控制精度提高到1%以上的級(jí)別、漂移誤差影響等缺陷。鑒于國(guó)內(nèi)大部分穩(wěn)定控制系統(tǒng)的控制芯片為定點(diǎn)型芯片，其浮點(diǎn)運(yùn)算能力有限，參考文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)伺服跟蹤控制器以定點(diǎn)DSP芯片為核心、FPGA為輔助處理器的控制結(jié)構(gòu)。而本設(shè)計(jì)以浮點(diǎn)型DSP芯片為主控芯片，提高數(shù)據(jù)處理速度和計(jì)算精度，使實(shí)現(xiàn)電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)多閉環(huán)復(fù)合控制成為可能。

1 穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

　　穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常采用雙軸或三軸框架式結(jié)構(gòu)，不同方向軸結(jié)構(gòu)類似，均由負(fù)載、執(zhí)行器、測(cè)量元件、功率放大器組成。為滿足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)高的穩(wěn)定和跟蹤精度，不僅需要精心設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和合理選擇各類元器件，而且需要設(shè)計(jì)可靠的控制方案。本設(shè)計(jì)采用電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)組合的多閉環(huán)復(fù)合控制方案。

　　穩(wěn)定平臺(tái)裝置控制框圖如圖1所示，穩(wěn)定平臺(tái)裝置控制分為兩種模式：系統(tǒng)靜止?fàn)顟B(tài)下的伺服控制和系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的穩(wěn)定控制。其中載體靜止時(shí)系統(tǒng)工作于伺服控制模式，系統(tǒng)的作用是使穩(wěn)定平臺(tái)轉(zhuǎn)角相對(duì)基座保持固定不變或跟隨指令信號(hào)進(jìn)行跟蹤運(yùn)動(dòng)，采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為角度反饋器件；載體運(yùn)動(dòng)時(shí)系統(tǒng)工作于穩(wěn)定控制模式，控制系統(tǒng)主要功能是隔離載體運(yùn)動(dòng)及平臺(tái)受到的各種擾動(dòng)信號(hào)，保持平臺(tái)相對(duì)于慣性空間穩(wěn)定，以保證光電裝置可以獲得穩(wěn)定的視場(chǎng)，采用陀螺儀作為平臺(tái)速度反饋器件。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　該穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)分為方位軸和俯仰軸兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)控制，控制系統(tǒng)在這兩個(gè)方向上硬件結(jié)構(gòu)基本一致，方位控制板硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，主要可以分為信號(hào)采集、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和信息交互三部分。

　　穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的控制過程：采樣電阻采集力矩電機(jī)電流大小傳送給DSP主控制器，同時(shí)陀螺敏感到平臺(tái)在慣性空間的角速度信號(hào)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)傳送給DSP主控制器，并且旋轉(zhuǎn)變壓器感應(yīng)到的平臺(tái)位置信號(hào)經(jīng)過軸角粗精通道編碼后，也傳送到DSP主控制器，在DSP主控制器中經(jīng)過信號(hào)處理和多閉環(huán)組合控制算法處理后，產(chǎn)生控制力矩電機(jī)的信號(hào)，以抵消擾動(dòng)力矩使平臺(tái)穩(wěn)定并跟蹤目標(biāo)。

　　2.1 檢測(cè)元件的選擇

　　2.1.1 角度測(cè)量元件選擇

　　由于系統(tǒng)使用環(huán)境存在大沖擊等惡劣因素，電機(jī)角度采樣裝置除了需要能精確地反映電機(jī)真實(shí)的轉(zhuǎn)角外，還需要有較強(qiáng)的抗沖擊和抗誤差能力。旋轉(zhuǎn)變壓器是在測(cè)角系統(tǒng)中廣泛采用的一種高精度角度傳感器，其精度高，動(dòng)態(tài)性能好，抗干擾能力強(qiáng)，尤其適用于高溫、嚴(yán)寒、潮濕、高速、振動(dòng)等環(huán)境惡劣、旋轉(zhuǎn)編碼器無法正常工作的場(chǎng)合。由于粗機(jī)測(cè)量范圍大但精度低，精機(jī)測(cè)量范圍小但精度高，在測(cè)量電機(jī)角度時(shí)一般都采用粗精組合的方式獲取準(zhǔn)確角度。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)要求可以將粗精通道數(shù)據(jù)組合成測(cè)量范圍為180°的16位整型數(shù)據(jù)，即測(cè)量精度可達(dá)到0.047 9 mrad。

　　2.1.2 速度敏感元件選擇

　　動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀與常用的輸出位置信號(hào)的液浮陀螺不同，該陀螺輸出的是速率信號(hào)。光纖陀螺輸出為速率信號(hào)，但其對(duì)供電電源要求很苛刻，而且信號(hào)輸出范圍大，頻率高，易受干擾[4]。經(jīng)過調(diào)研，動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀是目前國(guó)內(nèi)同等體積下精度較高的一款陀螺儀。動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀是一種雙自由度陀螺儀，它利用可以準(zhǔn)確補(bǔ)償摩擦力矩的撓性支承懸掛陀螺轉(zhuǎn)子，消除了摩擦干擾力矩，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠。

　　2.2 電流反饋模塊分析與設(shè)計(jì)

　　電流環(huán)控制電機(jī)電樞電流同時(shí)使電樞電流嚴(yán)格跟蹤控制電壓指令的變化，從而準(zhǔn)確控制電機(jī)輸出力矩[5]。電流環(huán)作為控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)提高系統(tǒng)響應(yīng)速度和精度，實(shí)際系統(tǒng)中還可以提高系統(tǒng)靜態(tài)力矩剛度。在實(shí)際系統(tǒng)中PWM電壓輸出與電機(jī)電流輸出并非線性關(guān)系，其比值在低電流段較大，隨著電流增加而減小，故增加電流環(huán)可以提高控制輸出與電機(jī)輸出力矩線性度，優(yōu)化系統(tǒng)控制特性。同時(shí)電流環(huán)能夠削弱電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的“爬行”現(xiàn)象和換向時(shí)的“平頂”情況。電流采樣的硬件電路如圖3所示，通過電阻采樣、電壓信號(hào)差分放大、低通濾波、A/D采樣實(shí)現(xiàn)，低通濾波采用二階Butterworth濾波電路。A/D采樣采用快速、低功耗的14位A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7899。

　　2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

　　電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)模塊由專門的24 V電源供電，由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作于高頻、大電流狀態(tài)，對(duì)控制電路容易產(chǎn)生信號(hào)干擾，需將控制信號(hào)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)可靠隔離，防止高頻干擾。DSP控制芯片輸出的兩路PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過光耦HCPL2601隔離后送至集成驅(qū)動(dòng)器MC33486用以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，MC33486的控制信號(hào)以及反饋信號(hào)也通過光耦進(jìn)行隔離。由7805構(gòu)成的電壓轉(zhuǎn)換電路給光耦位于電機(jī)側(cè)信號(hào)提供單獨(dú)的+5 V電源。

3 陀螺信號(hào)處理

　　3.1 調(diào)零調(diào)漂補(bǔ)償電路

　　本系統(tǒng)所選陀螺儀的標(biāo)度因數(shù)為8.5 V/℃，對(duì)應(yīng)10 采樣電阻的標(biāo)度因數(shù)就為65.3 mV/°/s，但陀螺儀在檢測(cè)速度為零時(shí)輸出存在零位偏差。除元器件本身隨著溫度、時(shí)間會(huì)產(chǎn)生信號(hào)漂移以外，由于地球自轉(zhuǎn)，當(dāng)陀螺指向不同時(shí)，其自身輸出信號(hào)漂移量也有所變化，由此設(shè)計(jì)調(diào)零調(diào)漂補(bǔ)償電路，補(bǔ)償陀螺信號(hào)零位偏差和漂移影響。其電路圖如圖4所示，調(diào)零補(bǔ)償電路與調(diào)漂補(bǔ)差電路相同，故圖中省略調(diào)漂補(bǔ)償電路。該系統(tǒng)使用兩個(gè)不同電阻值分辨率的旋鈕式滑動(dòng)變阻器實(shí)現(xiàn)0~5 V電壓的粗、精補(bǔ)償。利用穩(wěn)壓芯片BS0505S-2W隔離系統(tǒng)電壓波動(dòng)對(duì)輸出補(bǔ)償信號(hào)的影響。陀螺速率信號(hào)的漂移補(bǔ)償和零偏補(bǔ)償電路使用多路開關(guān)來分時(shí)選通，并經(jīng)過同一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進(jìn)行補(bǔ)償。

　　3.2 信號(hào)調(diào)理電路

　　為了提取有用的信號(hào)，保證穩(wěn)定環(huán)路的輸出精度，必須對(duì)陀螺輸出信號(hào)進(jìn)行濾波預(yù)處理[6]。處理電路如圖5所示，利用差分放大電路抑制共模信號(hào)的特性進(jìn)行減噪處理。運(yùn)算放大器INA117的偏置電壓為25 ?滋V且其溫漂典型值只有8.5 V/℃，該溫漂值與常用的運(yùn)算放大器相比并不小，但是此處主要是利用其搭建差分放大電路來抑制共模信號(hào)，而且其內(nèi)部集成典型放大電路，可以省去外接電阻，簡(jiǎn)化電路。由于陀螺受隨機(jī)干擾力矩及不確定因素影響，輸出信號(hào)含有很多高頻干擾信號(hào)，常用的無源RC低通濾波器能夠達(dá)到一定的濾波效果。本系統(tǒng)所要求的陀螺儀帶寬需要≥60 Hz，并不是無限寬的，為了避免高頻振動(dòng)時(shí)低通濾波器造成陀螺信號(hào)失真同時(shí)兼顧對(duì)陀螺信號(hào)的濾波效果，需要合理地選取電阻值和電容值。為了隔離前后級(jí)間的影響，運(yùn)算放大電路中一般都接一個(gè)電壓跟隨器，這里選用OP177運(yùn)算放大器來構(gòu)成電壓跟隨器，相比較常用的LM158，其最大的優(yōu)點(diǎn)是溫漂非常小，典型值只有0.1 V/℃。對(duì)于具有陀螺隨機(jī)漂移信號(hào)的系統(tǒng)，選用低溫漂的器件是必要的。

　　3.3 數(shù)字濾波處理

　　經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換后的陀螺采樣信號(hào)波動(dòng)范圍仍達(dá)到±3 mV，利用此信號(hào)作為陀螺反饋信號(hào)控制力矩電機(jī)，系統(tǒng)隔離精度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。滑動(dòng)平均濾波器計(jì)算時(shí)所需的內(nèi)存空間少，運(yùn)算時(shí)間短。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)低通濾波器，在平滑信號(hào)、濾除高頻分量方面有顯著的作用。

　　滑動(dòng)平均濾波的原理：將長(zhǎng)度固定為M的連續(xù)采樣數(shù)據(jù)隊(duì)列，在每次新的測(cè)量之后，去掉隊(duì)列的第一個(gè)數(shù)據(jù)，剩下的M-1個(gè)數(shù)據(jù)依次向前移動(dòng)，在隊(duì)尾插入新的采樣數(shù)據(jù)，然后對(duì)此隊(duì)列作算數(shù)運(yùn)算，其結(jié)果記為本次測(cè)量結(jié)果。M項(xiàng)滑動(dòng)平均濾波器的表達(dá)式為：

　　該系統(tǒng)中對(duì)陀螺信號(hào)的采樣時(shí)間間隔為100 s，即采樣頻率fs=10 kHz。陀螺儀的帶寬為≥60 Hz。取M=100，每次用100個(gè)最新的采樣數(shù)據(jù)對(duì)其求算數(shù)平均。得到的結(jié)果如圖6所示。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　4.1 主程序設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)中用到了DSP芯片的多個(gè)模塊，在系統(tǒng)正常工作前需對(duì)其進(jìn)行初始化。首先關(guān)閉所有中斷，對(duì)系統(tǒng)初始化，然后對(duì)用到的模塊進(jìn)行初始化，再設(shè)置中斷向量表，完成這些工作后打開中斷，等待中斷。中斷程序是用來處理信號(hào)采集、控制算法計(jì)算等工作。

　　4.2 中斷程序設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行主要依賴于中斷程序的運(yùn)行，中斷程序的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到系統(tǒng)的信號(hào)采集、算法計(jì)算以及控制執(zhí)行。因此，中斷程序的設(shè)計(jì)是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的核心。

　　由于電流采樣信號(hào)和陀螺信號(hào)的精度對(duì)系統(tǒng)影響非常重要，因此對(duì)于電流采樣和陀螺信號(hào)的采集頻率要求很高。這就要求定時(shí)中斷的間隔時(shí)間盡可能短。又由于信號(hào)采樣、信號(hào)處理、控制計(jì)算都要在中斷程序內(nèi)完成，在中斷的間隔時(shí)間內(nèi)必須保證能完成這些工作。因此在綜合考慮了這兩個(gè)因素后，將定時(shí)中斷的時(shí)間定為100 s。

　　電流采樣和陀螺采樣需要在每次中斷執(zhí)行中都完成一次，而旋轉(zhuǎn)變壓器的采樣則不用這么頻繁，控制算法的執(zhí)行頻率也不用這么高。因此在定時(shí)中斷程序內(nèi)定義一個(gè)計(jì)數(shù)器CNT，將中斷任務(wù)分為7次一組，CNT在不同的值時(shí)對(duì)應(yīng)不同的任務(wù)。具體安排如表1所示。

5 系統(tǒng)性能測(cè)試

　　當(dāng)系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)下的伺服控制時(shí)，跟蹤指令使光電裝置在水平方向上0°跟蹤到22.5°，跟蹤曲線如圖7所示，跟蹤過程運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，且最后穩(wěn)定在22.5°位置，穩(wěn)定誤差在±0.047 9 mrad范圍內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下穩(wěn)定控制時(shí)，如圖8所示，在7.2 s處給系統(tǒng)基座水平方向加入最大幅值約為3°/s的擾動(dòng)，系統(tǒng)能夠很好地隔離擾動(dòng)速度的影響，保持位于俯仰環(huán)的視軸穩(wěn)定。在沒有給定操縱速度時(shí)，基座在水平方向擾動(dòng)下，光電裝置水平方向保持在±0.25 mrad范圍內(nèi)，垂直方向保持在±0.05 mrad范圍內(nèi)。擾動(dòng)速度撤去后能夠迅速回到零位且保持穩(wěn)定狀態(tài)，總體穩(wěn)定性良好，能有效隔離載體擾動(dòng)。

　　6 結(jié)論

　　本文介紹了一種高精度數(shù)字穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。電流環(huán)設(shè)計(jì)在伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中比較常見，而且實(shí)現(xiàn)方法多種多樣，本文基于采樣電阻的電流采樣方法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，使系統(tǒng)穩(wěn)定度和控制精度有明顯提高。采集的陀螺信號(hào)經(jīng)過調(diào)零調(diào)漂補(bǔ)償電路、低通濾波電路及數(shù)字濾波處理，能夠準(zhǔn)確反映陀螺角速率變化，使力矩電機(jī)能夠有效抵消擾動(dòng)力矩。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，此穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)能夠精確、穩(wěn)定地跟蹤目標(biāo)并能有效地隔離載體擾動(dòng)。

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