稳定平台系统设计

技术论文学校：南京理工大学队伍：7046指导老师：李军成员1：雷杨成员2：陈舒思成员3：邝平作品名称：高精度稳定平台控制系统I摘要稳定平台能够隔离载体角运动，在载体机动状态下建立稳定基准面，使安装在平台上的光电设备不会因载体运动产生的抖动和滚动而丢失目标，保证光电设备准确瞄准和跟踪目标，因此广泛应用于民用和军事领域。设计的高精度稳定平台控制系统是以动力调谐陀螺仪为速度敏感元件，旋转变压器为角度测量元件，DSP控制器TMS320F28335为主控芯片，直流力矩电机为被控对象的闭环控制系统。根据所需关键器件的选型设计了系统的硬件电路，包括速度和角度信号采样电路、电机驱动电路、通信电路等。采用电流环和位置环的双闭环控制方式实现系统载体静止时的伺服控制；采用电流环、速度环和位置环的三闭环控制方式实现系统在载体运动时的稳定控制。以上两种控制模式下的角度控制精度都能够达到0.05mrad，载体运动时系统稳定控制模式下隔离扰动效果很好。实测结果表明，该系统硬件结构简单，稳定性好，实时性强，具有良好的稳态和动态性能，能够满足稳定平台系统的性能要求。关键词：稳定平台DSP陀螺仪伺服控制II目录1.作品创意.......................................................12.方案设计与论证.................................................12.1主控芯片的选择与论证........................................22.2陀螺的选择与论证.............................................32.3力矩电机的选择与论证........................................32.4位置检测元件的选择与论证....................................33.系统硬件与原理图设计...........................................43.1最小系统外围电路............................................43.2旋转变压器-数字转换器电路...................................53.3滤波采样电路................................................63.4电机驱动电路................................................73.5通信电路....................................................83.6闭锁电路....................................................93.7电源隔离电路................................................94.软件设计与流程................................................104.1主程序框架.................................................104.2中断程序设计................................................105.系统测试与分析................................................135.1系统调试环境...............................................135.2系统静止状态下伺服控制调试结果.............................135.3系统运动状态下稳定控制调试结果.............................156．作品难点与创新................................................186.1难点........................................................186.2创新点......................................................1811.作品创意陀螺稳定平台作为稳定视轴或瞄准线的主要手段，多年来一直是国内外科研机构的主要研究对象。从地面上的汽车、坦克到空中的飞机、卫星等，都可以看到陀螺稳定平台的身影。其主要作用是用来消除载体受到的干扰，使载体能够按照既定的方向运动或者在惯性空间中保持稳定。本作品设计了双轴稳定平台控制系统。控制系统可工作在两种不同的工作模式：载体静止时的伺服控制和载体运动时的稳定控制。其中载体静止时系统工作于伺服控制模式，系统作用是使被稳定平台转角相对基座保持固定不变或跟随指令信号进行跟踪运动，采用旋转变压器作为角度反馈器件；载体运动时系统工作于稳定控制模式，控制系统主要功能是隔离载体运动及平台受到的各种扰动信号，保持平台相对于惯性空间稳定，以保证光电装置可以获得稳定的视场，采用陀螺仪作为平台速度反馈器件。系统两种控制模式如图1.1、图1.2所示。位置校正电流校正电流反馈电流环节位置反馈旋转变压器iTs11电机sJJLM)(1s1LT负载转矩0位置环节0图1.1载体静止时伺服控制框图位置校正速率稳定电流校正电流反馈电流环节速度反馈平台陀螺iTs11电机sJJLM)(1s1LT负载转矩0速度环节位置环节0速度积分w图1.2载体运动时稳定控制框图2.方案设计与论证针对稳定平台的功能和用途，我们设计了系统控制方案，系统硬件结构如图2.1所示，系统分为方位轴和俯仰轴两个自由度的控制电路设计，控制系统在这两个方向上的结构基本一致，主要可以分为信号采集、电机驱动和信息交互三部分。2控制过程为：陀螺敏感到平台在惯性空间的角速度信号，经过A/D转换后变为数字信号传送给DSP主控制器，同时旋转变压器感应到的平台位置信号经过轴角粗精通道编码后，也传送到DSP中，在DSP中经过信号处理和控制算法处理后，产生控制力矩电机的信号，以抵消扰动力矩使平台稳定并跟踪目标。图2.1方案整体设计图2.1主控芯片的选择与论证TMS320F28335型数字信号处理器TI公司的一款TMS320C28X系列浮点DSP控制器。与以往的定点DSP相比，该器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D转换更精确快速等。TMS320F28335具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出(HRPWM)，12位16通道ADC。得益于其浮点运算单元，用户可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，与前代DSC相比，平均性能提高50%，并与定点C28x控制器软件兼容，从而简化软件开发，缩短开发周期，降低开发成本。与作用相当的32位定点技术相比，快速傅立叶转换（FFT）等复杂计算算法采用新技术后性能提升了一倍之多。这些特点使得TMS320F28335非常适合于本设计伺服控制系统使用。32.2陀螺的选择与论证本系统所采用的陀螺仪为动力调谐陀螺仪，与常用的输出位置信号的液浮陀螺不同，该陀螺输出的是速率信号，经过调研该型陀螺是目前国内同等体积下精度较高的一款陀螺仪。动力调谐陀螺仪是一种双自由度陀螺仪，它利用可以准确补偿摩擦力矩的挠性支承悬挂陀螺转子，消除了摩擦干扰力矩，结构简单，性能可靠。外环的转子通过外扭杆与内环的平衡环相连，平衡环通过内扭杆与力矩电机轴相连，转子可以绕内外轴线转动，是目前比较常用的一款陀螺仪2.3力矩电机的选择与论证执行元件影响着被控对象的运动状况与系统精度。通常选用电机作为稳定平台伺服控制系统的执行元件。目前使用的电机有：直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电机以及直流力矩电机等。根据平台稳定系统低转速、大转矩的工作要求，选用直流力矩电机作为稳定平台伺服系统的执行元件。其主要特点是可以长期在堵转状态下运行，和负载直接相连无需加装减速齿轮，避免了空回除此之外，力矩电机还具有反映快、精度高!藕合刚度大、低转速、线性度好，体积小等优点。2.4位置检测元件的选择与论证平台的环架位置就是各个环的力矩电机所转动的角度，比较常用的获取电机转角的装置主要有光电编码器和旋转变压器等。在工业生产中光电编码器的精度可以做到很高，测量范围广，且很多数字控制器都有专用外设结构与其相匹配，所以其使用更为广泛。但在此处力矩电机的转动角度比较小，转速快慢变化范围较大，并且由于系统使用环境存在大冲击等恶劣因素，电机角度采样装置除了需要能精确地反映电机真实的转角外，还需要有较强的抗冲击和抗误差能力。旋转变压器是在测角系统中广泛采用的一种高精度角度传感器，精度高、动态性能好、抗干扰能力强，尤其适用于高温、严寒、潮湿、高速、振动等环境恶劣、旋转编码器无法正常工作的场合。它利用电磁感应原理将直线位移或转动角度精确地转换成电信号，按极对数可以分为单对极和多对极型。由于粗机（单对极旋转变压器）测量范围大但精度低，精机（多对极旋转变压器）测量范围小但精度高，在测量电机角度时一般都采用精机和粗机相组合的方式获取准确角度。43.系统硬件与原理图设计3.1最小系统外围电路JTAG接头是DSP与仿真器的接口，通过该接口可以很方便的对DSP进行仿针和调试，图3.1所示为无缓冲器的简易接法。需要注意的是当JTAG接口与DSP的距离大于15cm时应当考虑增加信号缓冲器。图3.1JTAG接口TMS320F228335的最高主频为150MHZ，为了正常工作需要为其提供时钟输入信号。有两种时钟提供方式，一种是直接使用外部振荡器提供，另一种是使用DSP内部振荡器但需要外接石英晶振如图3.2所示。从易实现性和成本上考虑使用后种方式来为DSP提供时钟输入。图3.2石英晶振电路电源和复位电路如图3.3所示。一路输出稳定3.3V电压，另一路选择1R=18.2K，由式3.1可以得到输出电压为1.9V。两路电压通过TPS3305-18来监测电压稳定情况，在按下手动复位按键和电源电压不稳时复位DSP。5图3.3电源和复位电路3.2旋转变压器-数字转换器电路图3.4中S1，S2，S3，S4为旋转变压器输出信号，CDD0~CSD11为对应的数字输出量。为了将所有输出位一次性送出，需要将BYSEL信号至高或者悬空，INH信号为模块的片选信号，当需要读取输出数据时需要将其置低，EN为数据输出使能信号可以接控制器的RD，BUSY信号为模块转换完成标志，当转换完成时输出一个高脉冲。图3.4旋转变压器-数字转换电路其供电电源电路如图3.5所示，电源转换模块输入为26V直流电，输出26V、400HZ交流电源。图3.526V交流电源63.3滤波采样电路如前所述，陀螺速率信号、操纵瞄准信号和漂移补偿信号等需要进行滤波采样，几种信号的采样电路结构相似，以陀螺速率信号采样电路为例，如图3.6所示，信号经过前置差分放大电路进行减噪处理后，通过RC低通滤波器滤除速度信号中的高频噪声干扰，再经过电压跟随器进行前后级的隔离，最后通过模数转换转换为对应数字量。图3.6陀螺速率信号采样电路系统需要采集的模拟量比较多，对应需要读取的信号线就多，但DSP的数据线和板卡面积有限，而且对数字控制系统来说，对信号量的读取是分时进行的。因此从各方面考虑没有必要为每个读取的模拟量单独配置一个模数转换芯片，这就要求必须使用缓冲器件对信号进行锁存以便分时进行读取。以陀螺速率信号的漂移补偿和零偏补偿电路为例，就使用了多路开关来分时选通补偿量进行补偿。如图3.7所示，该多路开关最多可以选通8路模拟信号，实际中只使用了4