摘? 要: 介紹了尋北過程和轉(zhuǎn)位控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)。針對尋北系統(tǒng)" title="尋北系統(tǒng)">尋北系統(tǒng)對轉(zhuǎn)位時間的特殊要求,提出了RIGOL DS1102CA型數(shù)字示波器" title="數(shù)字示波器">數(shù)字示波器測試轉(zhuǎn)位機構(gòu)性能參數(shù)的實現(xiàn)方案。實驗分析表明該示波器測試、分析的轉(zhuǎn)位參數(shù)準確可靠,并可以簡化測試難度,增加測量數(shù)據(jù)準確性,提高測試效率。?

　　關(guān)鍵詞: 尋北系統(tǒng); 光標測量; 手動方式; 追蹤方式

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　　光纖陀螺尋北系統(tǒng)以慣導系統(tǒng)中初始對準技術(shù)為基礎,為獲得精確的北向基準,快速性和高精度是其主要指標。隨著電子信息時代的不斷發(fā)展及數(shù)字化測試儀器的普及,各種數(shù)字化自動測試手段在各領(lǐng)域中發(fā)揮作用。本文依據(jù)數(shù)字化儀器的優(yōu)點,利用數(shù)字示波器中處理、分析數(shù)據(jù)的特長,有針對性地設計出能夠測試轉(zhuǎn)位機構(gòu)到位時間的測試方案并給出了測試實現(xiàn)過程。?

1 尋北系統(tǒng)?

　　尋北系統(tǒng)主要由兩部分組成: 一部分是由光纖陀螺等慣性器件獨立構(gòu)成的一個轉(zhuǎn)位裝置,另一部分是由伺服轉(zhuǎn)位控制計算機和導航計算機兩個模塊構(gòu)成的控制箱。?

　　尋北系統(tǒng)的轉(zhuǎn)位裝置固定在精調(diào)平的轉(zhuǎn)臺上,在系統(tǒng)靜基座(穩(wěn)定不動的轉(zhuǎn)臺)自主式對準工作過程中,設定一個初始零位值,控制轉(zhuǎn)位到分別相鄰90°的四個位置上,每一位置上導航計算機采集陀螺與加速度計數(shù)據(jù)^[1]?；氐匠跏剂阄恢岛?解算出準確北向。整個系統(tǒng)要求精確轉(zhuǎn)位,另外整個尋北時間也有嚴格要求,由于存在陀螺零漂等影響,分配到各個位值的時間都有嚴格規(guī)定,所以也要求轉(zhuǎn)位的快速性。因此本系統(tǒng)要求的轉(zhuǎn)位誤差小于±0.03°(即小于±108′′),相鄰兩位置間的調(diào)轉(zhuǎn)時間小于3s。?

2 轉(zhuǎn)位控制系統(tǒng)?

　　尋北系統(tǒng)的轉(zhuǎn)位控制分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。?

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2.1 控制結(jié)構(gòu)分析?

　　為克服只有位置反饋帶來的動態(tài)性能不理想的設計缺陷,縮短轉(zhuǎn)位的調(diào)節(jié)時間,提高尋北系統(tǒng)的抗干擾性,設計了基于速度與位置雙反饋的轉(zhuǎn)位控制系統(tǒng)^[2]。由于引入速度反饋,大大提升了系統(tǒng)對干擾的反應能力,從而提高了整機的剛度。?

2.2 控制器設計?

　　系統(tǒng)選擇Philips公司LPC2114控制器。它除了具有豐富的外部接口,關(guān)鍵是具有1個32位ARM7TDMI-S RISC處理器^[3]。內(nèi)核使用ARMV4T結(jié)構(gòu)實現(xiàn),包含32位ARM指令集和16位Thumb指令集,其中Thumb指令集具有較高的代碼密度,并且還有多個32位寄存器實現(xiàn)數(shù)據(jù)存放,更能滿足本系統(tǒng)的需要。?

2.3 角位置檢測電路與存儲器?

　　多對極雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器與電機轉(zhuǎn)子同軸固連,表征轉(zhuǎn)動角位置。它和A/D解算器將電機轉(zhuǎn)位的角位置模擬量轉(zhuǎn)換成4位十六進制數(shù),送入ARM控制器。尋北初始化時,轉(zhuǎn)位的圓周坐標系的初始零度角并非旋變自身特性輸出顯示的圓周坐標零度角,所以設計了存儲器,用來存放兩個坐標零位的偏差角,協(xié)助完成校零工作。?

2.4 D/A" title="D/A">D/A轉(zhuǎn)換芯片" title="轉(zhuǎn)換芯片">轉(zhuǎn)換芯片和PI調(diào)節(jié)器?

　　D/A轉(zhuǎn)換芯片采用AD公司高速14位轉(zhuǎn)換器AD7535。在雙極性輸出模式下,接收數(shù)據(jù)13位,轉(zhuǎn)換速度1.5μs,具有外接元件少、功耗低、精度高的特點。并采用模擬式調(diào)節(jié)器及有源校正網(wǎng)絡實現(xiàn)比例積分調(diào)節(jié)器^[4]。?

2.5 CPLD?

　　CPLD是控制器的邏輯控制核心,控制旋變、存儲器、鍵盤/顯示、D/A轉(zhuǎn)換器的選通與禁止,另外還增加了鍵盤響應、顯示譯碼驅(qū)動電路、D/A轉(zhuǎn)換芯片的邏輯控制與14位的緩沖區(qū),輔助ARM控制器向存儲器寫入/讀取數(shù)據(jù),控制總線讀取角位置的二進制代碼,并在轉(zhuǎn)位時將控制器計算的角偏差量實時送給D/A轉(zhuǎn)換芯片。?

2.6 通信模塊?

　　與上位機采用串口RS232方式通信,選取具有16字節(jié)緩沖區(qū)的16c550串并轉(zhuǎn)換芯片,為以后擴展功能及大信息量傳輸做準備,接口與導航計算機PC104相連。尋北過程中,由導航計算機發(fā)出轉(zhuǎn)位指令,控制轉(zhuǎn)位機構(gòu)精確轉(zhuǎn)位。轉(zhuǎn)動到位后,由ARM控制器向PC104發(fā)送到位信息,導航計算機開始采集陀螺與加速度計數(shù)據(jù)。為了便于調(diào)試和測試,設計了鍵盤顯示接口模塊。?

3 測試方案?

3.1 測試難點?

　　由于轉(zhuǎn)位系統(tǒng)要求轉(zhuǎn)位精確、快速,所以轉(zhuǎn)到各個位置的轉(zhuǎn)位時間是一個重要測試指標。如果借助秒用人眼觀察轉(zhuǎn)位機構(gòu),會造成測試不準確,難以達到系統(tǒng)要求,而且也觀察不到轉(zhuǎn)位的實際動態(tài)過程,這給分析轉(zhuǎn)位系統(tǒng)的等效傳遞函數(shù)、調(diào)整PID參數(shù)帶來不便。尋北系統(tǒng)在工作過程中,轉(zhuǎn)位機構(gòu)置于測試轉(zhuǎn)臺上,線纜連接遠程控制箱增加了觀察法測試的難度。如果能夠準確獲得到位時間,則對整個尋北系統(tǒng)耗費時間會有定量的統(tǒng)計。通過分析與合理調(diào)整分配到各個過程的時間來提高尋北系統(tǒng)性能。?

3.2? 測試實現(xiàn)?

　　分析整個控制結(jié)構(gòu)可以看出,到位的標準是給定值與反饋值的偏差為零,此時D/A輸出應當為零。當給入轉(zhuǎn)位命令時,給定值與反饋值偏差最大,之后功率驅(qū)動電路使得電機朝著減小偏差的方向轉(zhuǎn)動,D/A值越來越小,最終減為零。所以將D/A輸出值做為觀測點,當給入轉(zhuǎn)位命令時,相當于給入階躍信號,此時D/A值最大。之后轉(zhuǎn)位慢慢縮小偏差,最終停止,D/A值也隨之衰減最后到零。測試出D/A由最大值減為零的過程即為一次轉(zhuǎn)位時間。?

　　依據(jù)測試方案,測試連接示意圖如圖2所示。由PC機模擬替代PC104,PC機的串口與控制箱連接,通過串口調(diào)試軟件向控制箱發(fā)送轉(zhuǎn)位命令。示波器通過USB與PC機相連,PC機使用Ultrascope 軟件操控示波器,可以簡化測試難度,節(jié)省測試時間,提高測試準確度,僅在PC機上方便地切換軟件就可以達到控制轉(zhuǎn)位與測試到位時間的目的。

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4 試驗結(jié)果分析?

　　模擬尋北轉(zhuǎn)位的全過程用PC機的串口調(diào)試軟件發(fā)送轉(zhuǎn)位的目標位置(16進制),顯示模塊實時輸出A/D解算器得出的轉(zhuǎn)動實際角位置(16進制),使用DS1102CA型RIGOL示波器探測位置偏差量變化情況,通過Ultrascope for DS1000 series軟件操控示波器進行分析。Ultrascope 軟件的操控界面如圖3所示,測試結(jié)果如表1和圖4、圖5所示。表1中的測試步驟1 表示由0°轉(zhuǎn)到90°的測試過程,依此類推測試步驟4表示由270°轉(zhuǎn)到0°的測試過程。圖4、圖5表示用示波器測試步驟1時位置偏差的變化過程。?

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　　RIGOL示波器的光標模式允許用戶通過移動光標進行測量,光標測量分為3種模式:手動方式、追蹤方式、自動測量方式^[5]。?

　　(1)手動方式:光標X或Y方式成對出現(xiàn),并可手動調(diào)整光標的間距。顯示的讀數(shù)即為測量電壓或時間值。?

　　(2)追蹤方式:水平與垂直光標交叉構(gòu)成十字光標。十字光標自動定位在波形上,通過旋動多功能旋鈕可以調(diào)整十字光標在波形上水平的位置。?

　　(3)自動測量方式:系統(tǒng)顯示對應的電壓或時間光標,以揭示測量的物理意義。根據(jù)信號變化自動調(diào)整光標位置,并計算相應的參數(shù)值。?

　　圖4是在手動方式下測試步驟1位置偏差變化波形分析圖,測得ΔX是1.9s。而圖5是在追蹤方式下同樣是測試步驟1時位置偏差變化的測試分析圖,得知Y等于20mV時X是2.008s。兩者比較可以發(fā)現(xiàn)在本系統(tǒng)數(shù)據(jù)測試分析時,手動方式只能單一地以觀察X軸或Y軸坐標變化為依據(jù),測量出的時間有一定的誤差; 而追蹤方式可根據(jù)X軸和Y軸坐標同時變化為參考依據(jù),精確獲得當Y軸坐標變化到零時,兩坐標點上X軸的變化量,達到準確測量參數(shù)的目的。表1中的轉(zhuǎn)位時間是從追蹤模式下測量出的準確時間。由于靜摩擦力等非線性因素的存在,轉(zhuǎn)位機構(gòu)不能完全克服因此產(chǎn)生的阻力,難以絲毫不差地轉(zhuǎn)到給定位置,所以在轉(zhuǎn)動停止時還存在微小的偏差,D/A輸出值也不能完全為零,同時也解釋了表1中存在的轉(zhuǎn)位誤差。?

??? 從測試結(jié)果可以得出基于雙反饋策略和ARM控制器的轉(zhuǎn)位控制系統(tǒng),完全滿足尋北系統(tǒng)要求轉(zhuǎn)位迅速和到位精確的指標。?

　　本文介紹了用RIGOL數(shù)字示波器測試轉(zhuǎn)位系統(tǒng)性能參數(shù)的實現(xiàn)方案。利用USB數(shù)據(jù)接口和Ultrascope for DS1000 series軟件能夠很方便地在PC機上進行測試與控制轉(zhuǎn)位的隨時切換,降低測試難度,提高了測試效率。RIGOL數(shù)字示波器能夠及時存儲被測信號的波形,便于對系統(tǒng)數(shù)學模型深入了解,為設計PID調(diào)節(jié)器參數(shù)提供參考,大大縮短了系統(tǒng)調(diào)試時間。示波器高級功能中的光標測量提供了適用于測試本轉(zhuǎn)位系統(tǒng)到位時間的追蹤模式,計算出準確的到位時間,順利達到測試效果。采用RIGOL數(shù)字示波器和PC機緊密結(jié)合的測試方案,發(fā)揮了各自的優(yōu)點,輕松完成復雜測量,獲得極高的測量精度,進一步可根據(jù)準確地測試結(jié)果改進系統(tǒng)方案,使設計臻于完善。?

參考文獻?

[1] 周立功等.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎教程[M]. 北京航空航天大學出版社, 2005.?

[2] 紀明.幾種陸用慣性自尋北方案的比較[J]. 應用光學,1992:(4).?

[3] 周國良等.光纖陀螺尋北儀控制系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)[J].應用光學, 2006,27(2):144-146. ?

[4] 趙斌等.氣動油壓伺服系統(tǒng)的智能PID控制研究[J].微計算機信息,2007,(25):83-85.?

[5] 王國富等.星載光電跟蹤系統(tǒng)飛輪控制系統(tǒng)設計[J].微計算機信息,2007,(25):14-15.