（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的稳定平台伺服控制系统的设计.pdf

a b s t r a c t d i g i t a l a e r i a lm e a s u r e m e n ts y s t e mi n t e g r a t e db yt h eo p t i c a ls y s t e m s ，p r e c i s i o n m a c h i n e r y ，e l e c t r o n i c s ，s o f t w a r e ，a n do t h e ra r e a so fs c i e n t i f i cr e s e a r c hr e s u l t s ，i sah i g h - t e c h o fh i g h s p e e dd e v e l o p m e n t g y r o s t a b i l i z e dp l a t f o r mi st h ee s s e n t i a lc o m p o n e n t o ft h ed i g i t a l a e r i a lm e a s u r e m e n ts y s t e m i tc a nh e l pa e r i a lp h o t o g r a p h ys y s t e mp h o t e o g r a p hv e r t i c a l l y a u t o m a t i c a l l y ，e x t e n df l i g h tt i m ea n di n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo fa e r i a lf l i g h t ，i m p r o v ei m a g e q u a l i t y ，a n dr e d u c et h ei n t e n s i t yo f t h ew o r kc r e w t h em a i nf u n c t i o no ft h ec a m e r as t a b l ep l a t f o r ms e r v os y s t e mi s t oi s o l a t et h e d i s t u r b a n c eo fm l la n dp i t c hc h a n n e l st om a k et h ec a m e r a so p t i c a la x i si nt h eg e o g r a p h i c a l c o o r d i n a t e ss t a b l e a tt h es a m et i m e ，t h ep l a t f o r ms h o u l dm o v ei nt h er o l lc h a n n e lt oe n s u r et h e c a m e r aw o r kp r o p e r l yo nt h ea s s i g n e dr o u t es t a b l e l ya n dr a p i d l y t h e r e f o r et h es y s t e mi sa t y p i c a lp o s i t i o ns e r v os y s t e m f o rt h er e a l i z a t i o no fh i g hp r e c i s i o na n dh i g hr e l i a b i l i t yc o n t r o l o ft h ep l a t f o r m ，c o n t r o ls y s t e ms e l e c t sm u l t i p l ec l o s e d l o o pc o n t r o lp r o g r a m m e s ，r e s p e c t i v e l y , t h es y s t e mi sc o m p o s e do fa n a l o gc u r r e n th o o p ，a n a l o gs p e e dh o o p ，d i g f f a ls p e e dh o o p ，d i g i t a l p o s i t i o nh o o p t h ef o c u so ft h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e st h es e r v os y s t e mh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r e d e s i g n h a r d w a r ed e s i g ni sb a s e do nt h em a i nc o n t r o ld s pc o r e ，i n c l u d i n gd e s i g n so fs e n s o r s i g n a l sc o l l e c t i o n ，d a t ao u t p u t c h a n n e la n dc a nc o m m u n i c a t i o nm o d u l e c a n c o m m u n i c a t i o nm o d u l er e a l i z e st h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g eo ft h ec o n t r o ls y s t e ma n dt h e o r d e r - s e n d e rc o m p u t e r s o f t w a r ed e s i g ni n c l u d e st h ed e s i g no fo v e r a l ls e r v oc o n t r o ls y s t e m s o f t w a r e ，s o f t w a r ea l g o r i t h m sa n dt e s ts o f t w a r e t h ea l g o r i t h m s e l e c t sc o m m o n l yu s e d i n t e l l i g e n tp i d p r a c t i c eh a sp r o v e dt h a tt h i sm e t h o dc a nb e s a t i s f i e dw i t ht h ec o n t r o l r e s u l t s t h et e s ts o f t w a r ei sat e s ti n t e r f a c er t m n i n go nap c y o uc a l lt e s tt h er e l e v a n tb y c l i c k i n gt h eb u t t o no n t h ei n t e r f a c e k e y w o r d s ：s t a b l ep l a t f o r m ，s e r v o - s y s t e m ，i n t e l l i g e n tp i d ，d s p ，g y r o 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 苍宗刁弓 z 扩毋年7 月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：蕴盎丝三 z 。p 孑年7 月日 硕士论文基于d s p 的稳定平台伺服控制系统的设计 1 绪论 1 1 伺服系统概述 伺服系统又称之为位置随动系统，主要解决被控对象的位置控制和跟踪问题，其根 本任务就是实现执行机构对位置指令的准确跟踪。随着现代人类社会生产和生活水平的 不断提高，伺服技术也得到了长足的发展，各种伺服系统广泛地应用在工业生产、军事 工业、航空航天工业、生活服务等领域【l 】。 1 1 1 伺服系统的发展 按照伺服系统对控制信号的处理方法，一般把伺服系统分为模拟伺服系统和数字伺 服系统。由于模拟式检测装置的精度受到制造上的限制，做得很高比较困难，从而使整 个模拟伺服系统的精度受到影响，而数字伺服系统没有这一限制，并且具有易于实现复 杂控制律、通讯接口丰富、测试方便等突出优势，所以，在很多应用场合数字伺服系统 已经代替了模拟伺服系统【1 】【3 】【4 1 。 伺服系统的精度受限于光电传感器的精度，提高伺服系统的精度除了要不断改善伺 服控制系统本身元器件及电子线路的精度外还要不断引入先进的控制方法和工具，现代 控制方法由于其自身的复杂性，用模拟线路来实现的难度很大，即使能够实现也势必由 于其线路的庞大、复杂而使其可靠性大大降低，另外随着伺服控制系统精度的日益提高， ，模拟电路中的噪声漂移等影响越来越显著，成为进一步提高精度的难以逾越的障碍。同 模拟伺服系统相比数字伺服系统有很多优点，尤其是它可以利用相对简单、易标准化的 硬件结构，通过软件来实现各种复杂的控制规律，这是模拟系统所无法比拟的，并且数 字系统具有很高的噪声容限，它的精度已不再受噪声漂移等的制约，而主要取决于其它 因素，如控制计算机的主频、字长等。因此使用数字伺服控制系统替代模拟伺服控制系 统对提高伺服系统的精度具有重要的意义和广泛的优越性【8 】。 自动控制理论和计算机技术是数字伺服系统技术的基础，它为伺服系统的数字化提 供了理论基础以及相应的分析和综合方法，而计算机技术的飞速发展则为伺服系统的数 字化提供了实现手段。通过它可以将已有的模拟伺服系统数字化，并用计算机软件实现。 这样不仅提高了系统的自动化程度、减少了系统的硬件设置，而且提高了系统的可靠性 和可维护性；同时，采用数字化技术，还可根据不同的用户需求来灵活修改数字伺服系 ，统的程序 2 0 j 。 。1 1 2 数字伺服系统原理 数字伺服系统原理图如图1 1 2 1 所示。数字伺服系统工作原理【1 】：每个采样周期一 1 绪论硕士论文 开始，控制计算机通过其一个输入接1 ：3 采样来自上级计算机送来的给定位置角毋，接着 控制计算机通过其另一个输入接1 ：3 采样来自测角装置的e o ，控制计算机把本次采到的 岔，e o 和前若干次采到的岔，e o 代入适当的控制算法中，经过解算并得到控制信号c 仍) ， 然后把c ( 力) 送给d a 转换电路，转换后的模拟信号送给电机驱动装置p w m ，从而控制 电机使负载到达给定位置角谚所指位置处，到此控制计算机在本采样周期的任务己完 成，等待下一采样周期的到来。 “ 1 2 稳定平台概述 图1 1 2 1 数字伺服系统原理图 1 2 1 稳定平台应用领域 稳定跟踪平台由于能隔离载体( 导弹、飞机、战车、舰船) 扰动，不断测量平台姿 态和位置的变化，精确保持动态姿态基准，并通过图像探测设备实现对机动目标自动跟 踪，所以在现代武器系统中得到了广泛的应用。例如：在弹( 箭) 制导导引头中，要求 跟随主稳定的目标瞄准线能够隔离弹体角运动对武器射击线的扰动，通过安装在稳定跟 踪平台上的图像探测装置获取稳定的目标图像，为大视场目标捕获和小视场目标识别与 跟踪提供测量和计算基准，提高在行进间的发射命中率；坦克、装甲战车等地面车辆需 要频繁机动、停止、快速瞄准和行进间射击，其作战平台不仅应具有高度的机动能力， 还应具备运动间稳定瞄准、跟踪、射击能力，稳定跟踪平台可用于安装昼视、夜视、测 距功能三合一的观瞄设备，获取稳定的视场，使观察者能清楚地洞察战场情况；雷达的 天线体积庞大，经常受到各种各样的干扰，为了使其按预定规律搜索或实现目标跟踪， 需要稳定系统来隔离这些干扰。在航空侦察摄影观测设备、机载目标指示器、空间遥感 探测和海底声纳探测等深海作业场合，稳定跟踪平台都得到了广泛的应用 1 4 1 。 1 2 2 本课题的研究背景 在机载光电侦察、测量等设备的控制系统中，常常要将相机的视轴平稳指向目标， 以完成对目标的捕获及测量。稳定平台是保证视轴稳定的主要装置，相机一般安装在稳 定平台上，即采用平台整体稳定方式。稳定平台的作用是隔离载体非平稳飞行带来的角 运动及机械振动，确保系统成像质量。载体姿态的变化包括气流、速度诸多整体因素导 致的缓慢变化及发动机、螺旋桨等局部因素带来的高频振动，高频振动分量通过机械减 振来隔离，而低频部分则通过摩擦约束和几何约束带动平台发生姿态变化，惯性陀螺检 2 硕士论文 基于d s p 的稳定平台伺服控制系统的设计 测到这种变化后，输出光轴相对于惯性空间的偏转信号。力矩电机使平台产生抵消姿态 变化的运动，从而隔离载体的姿态变化，使光轴所指方向稳定，以此减小载体姿态变化 引起的图像模糊和变形。 因此，机载光轴稳定平台从伺服控制角度而言，其实质为“视轴稳定与跟踪系统”， 跟踪是在视轴稳定的基础之上，控制视轴指向目标。高质量的稳定与跟踪性能要通过伺 服控制系统的精心设计来实现。 一 1 3 本文主要内容 本文的主要任务是设计一个稳定平台伺服控制系统，稳定平台伺服控制系统的主要 功能是能隔离载机在横滚和俯仰两个通道上的角扰动，使相机的光轴在地理坐标系上保 持稳定，以消除由载机引起的相移，同时在横滚通道上能执行摆动功能，保证相机迅速 稳定在指定航道，实现多航路组合拍摄。 本文的主要内容： 1 稳定平台伺服控制系统的总体结构设计，包括稳定控制方法的选择，系统结构方 案选择，测量元件的选择以及驱动方案的选择。 2 稳定平台伺服控制系统的硬件设计。包括传感器信号的接入，数据输出通道设计 以及c a n 通信模块设计。 3 稳定平台伺服控制系统的软件设计。软件设计主要分为三部分：伺服控制系统流 程的软件设计，控制算法的软件设计以及测试软件的设计。 4 稳定平台伺服控制系统的调试。 2 稳定平台伺服控制系统的总体结构设计与建模硕士论文 2 稳定平台伺服控制系统的总体结构设计和建模 2 1 稳定平台的总体结构设计 本系统中稳定平台的主要作用是隔离载体的扰动，使光轴在惯性空间保持稳定，同 时根据所给的位置指令使光轴指向指定位置。本章的重点将围绕如何选择合适的稳定控 制方法和系统结构展开讨论，并分析系统结构中各部分的功能，同时建立系统的模型。 1 稳定控制方法的选择 在稳定平台伺服系统控制中，最为关键的是使光轴保持稳定，并根据要求指向惯指 定位置。本系统采用平台式稳定方式来实现光轴的稳定。 平台式稳定方式是通过惯性元件感测载体姿态角的变化，其输出信号经过放大后驱 动电机来保持摄像机或反射镜、棱镜的稳定以保证成像不变。根据消除稳定误差的方式 又分为一级稳定和二级稳定两类【1 8 】。 ( 1 ) 一级稳定 一级稳定技术中的整体稳定得到了广泛的应用，它是采用一个环架系统作为光电传 感器的光学平台，在平台上放置陀螺来测量平台的运动，陀螺敏感姿态角的变化经过放 大以后反馈给环架的力矩电机，通过力矩电机驱动平台使光电传感器保持稳定。通常整 体稳定的方法可分为双轴陀螺稳定平台、三轴陀螺稳定平台和四轴陀螺稳定平台。其中 双轴陀螺稳定平台又分为两轴二环和两轴四环【1 1 】两类；由于两轴稳定平台固有的原理误 差，它不可能完全隔离载体的扰动力矩，导致瞄准线围绕光轴旋转，当旋转速度较大时 会对像质造成严重影响。要完全隔离须采用三轴的陀螺稳定平台，还有一种方法是采用 两轴四环的稳定平台，这两种方法在原理上可以完全隔离载体的扰动。两轴、三轴稳定 技术在各国的机载侦察设备中得到了广泛的运用。 整体稳定一般适合较小的光电传感器负载，对于较大的负载则效果不佳，它受到摩 擦力矩和静不平衡力矩的影响，随着负载的增加，力矩电机的齿槽效应及热噪声、各传 感器的导线扭矩等都有增加。 ( 2 ) 二级稳定 由于一级稳定完全依靠稳定平台来稳定瞄准线，受到的各种干扰较多，限制了稳定 精度的提高，进一步考虑，可以利用稳定平台实现粗请、用反射镜实现精调，它是反射 镜和稳定平台的组合使用。这种稳定反射镜的技术在国外的高精度侦察系统和激光通信 系统中得到了广泛的应用【1 9 】。 本系统要求有较高的稳定精度并且要求能隔离载机的扰动。因此，采用两级稳定的 方法来实现光轴的稳定，即横滚方向上直接稳定相机，俯仰方向上间接稳定反射镜。 4 硕士论文 基于d s p 的稳定平台伺服控制系统的设计 2 系统结构方案选择 系统要求具有很高的稳态精度和较好的动态品质，又有足够大的稳定裕度和抗干扰 能力。对于此类伺服系统，为了满足系统提出的各项技术指标，除精心设计机械结构和 合理选用各元器件外，还必须正确选择控制方案和系统结构。分析表明系统稳定性要求 与提高系统精度是矛盾的，为实现平台高精度和高可靠性控制，控制系统采用两轴四环 的控制方案，即横滚和俯仰方向上分别由模拟电流环，模拟速度环，数字速度环，数字 位置环构成多闭环，单轴采用如图2 1 1 所示的控制结构： l 测试软件j l( p c 机)j 管控计 算机 速率 陀螺 电机 电机角 速率 平台 负载 平台角 平台角 速率一位置 叫1 s 一 微惯性垂 直陀螺 图2 1 1 单轴控制结构原理图 各个闭环在系统中的功能各不相同，具体描述如下： ( 1 ) 模拟电流环 “ = ：- 在本系统中，电机的控制模式采用转矩控制模式，即电流环的输出电流值与闭环的 输入电压给定值成正比关系，可在转速调节过程中使电机定子电流跟随其给定值变化， 保证起动或制动时电机能获得允许的最大电流，以提高系统的动态性能，这样就可以显 著提高速率环的控制效果，从而提高稳定精度。电流环由电流传感器、滤波器、模拟电 流调节器构成电枢电流负反馈，以减小电流电压波动的影响，提高控制力矩的线性度， 实现对电流的平稳控制，使之不发生突变【4 7 】。 ( 2 ) 双速度环【4 7 j 双速度环可以将速度稳定环应有的抗摩擦干扰功能和隔离摇摆台干扰功能分开设 计实现，因此本系统以测速机为测速元件构成模拟速度内环，利用陀螺的“空间测速机” 功能组成数字稳定外环。此种设计方法特点：抑制干扰，速率陀螺测得的速度为框架相 对于惯性空间的速度，摇摆台扰动成为稳定环内的一个干扰源；速度稳定环比位置环响 应快，能快速克服外部干扰，保证系统响应的快速性。其中，模拟速度内环的主要目标 是抑制摩擦力矩干扰，使转速跟随给定电压变化，稳态无静差。 多?( 3 ) 位置环 位置环使伺服系统实现快速、稳定、精确的角位置控制。由微惯性垂直陀螺构成系 统的主反馈，通过设计适当的位置控制器，可以改善系统的频率响应特性，达到要求的 s 2 稳定平台伺服控制系统的总体结构设计与建模硕士论文 动、静态性能。 如图2 1 1 所示的四环控制系统，其中模拟电流环和模拟速度环由伺服驱动器模块 实现，而数字速度环( 数字稳定环) 和数字位置环是本系统中设计的重点，主要通过 d s p 控制器来实现，具体的设计思想将在第四章中详细介绍。 2 1 1 稳定平台的系统组成 本系统中，稳定平台主要由管控计算机、测试软件( p c 机) 、电子箱、机械转台 四部分构成。其中，电子箱和机械转台之间通过接口电缆连接。这四部分的功能描述如 下： 1 管控计算机： 管控计算机主要由管控模拟器组成，通过按下管控模拟器上相应的按钮可以向控制 系统发送指令信息，指令信息主要包括一些工作模式信息，同时管控计算机也可以接受 控制系统回复的一些状态信息。在系统工作流程中控制系统应收到管控计算机发出的四 条工作指令( 自检指令、水平指令、摆动指令、摆动工作模式指令) ，回复管控计算机 两条指令( 自检应答信号，平台工作状态信息) 。系统主要工作在以下四种工作模式： ( 1 ) 水平锁定模式 稳定平台在横滚、俯仰方向上锁定在地理坐标系中的零位位置。 ( 2 ) 机械锁定模式 稳定平台在横滚、俯仰方向上锁定在机械轴的零位。 ( 3 ) 自检模式 稳定平台在上电或收到来自管控计算机的自检指令时，稳定平台先进入水平稳定状 态然后再进行模拟步进摆动动作。 ( 4 ) 摆动模式 稳定平台在收到管控计算机发来的摆动指令脉冲后，按照预先装定的航道数在横滚 方向上摆动。 2 电子箱 电子箱是一个封闭的箱体，主要作用是隔离外部的电磁干扰，其内部有两个插槽， 一个插槽插控制板，另外一个插槽插电源板；对外通过一根接口电缆跟机械转台相连， 控制系统的输入输出信号通过此电缆加到机械转台上： 电源板主要作用是将外部直流电源提供的2 8 v 电压转换成系统中需要的电压。系统 中主要用到的电压包括_ + t 5 v ，5 v ，转换主要是通过d c d c 模块实现。 控制板上集成了整个控制系统的硬件资源，其主要功能如下： ( 1 ) 信号采集 主要采集传感器的信号，传感器的信号分为模拟信号和数字信号，位置传感器的输 6 硕士论文 基于d s p 的稳定平台伺服控制系统的设计 出为数字信号，速率陀螺的输出为模拟信号。数字信号通过串口接收送入微控制器，而 模拟信号在输入微控制器前需要进行信号调理以及模数转换。具体的电路设计将在第三 章中详细介绍。 ( 2 ) 信号处理 主要作用是处理进入微控制器的数字信号，主要包括陀螺滤波，串口接收，以及控 制算法的计算。 一 ( 3 ) 通信 主要作用是实现控制系统与测试软件之间的数据交互，将系统工作过程中的一些实 时数据上传至p c 机以便实现对控制系统的数字化测试。 3 测试软件 稳定平台伺服控制系统的测试采用数字化测试的方法。将稳定平台的检测口通过 c a n 总线和p c 机连接。通过p c 机上运行的d i g i t a l c a n 伺服系统测试软件与稳定平台伺 服控制系统处理器实时交互通讯，d i g i t a l c a n 测试软件获得稳定平台伺服控制系统当前 状态和待测参数的值，经过分析计算，将各项待测指标显示出来。 4 机械转台 稳定平台的机械部分主要由负载框架组成，负载框架为两个轴系( 横滚轴和俯仰 轴) 。各轴系均由主轴、电机、伺服驱动器构成，速率陀螺和微惯性垂直陀螺安装在负 载俯仰框架上。 2 1 2 稳定平台的工作原理 ” 稳定平台为横滚和俯仰两个轴系的两轴稳定平台。稳定平台采用两轴稳定方案，即 俯仰方向采用间接稳定反射镜方案，横滚方向上采用直接稳定相机方案。横滚方向根据 位置指令使相机摆动到指定航道并稳定下来。而俯仰方向始终保持在地理坐标系的零位 处。 伺服控制系统实现位置伺服的过程如下：控制计算机通过其一个输入接口采样来自 管控计算机送来的给定位置角岔，接着控制计算机通过其另一个输入接e l 采样来自微惯 性垂直陀螺的e o ，控制计算机把本次采到的包，o o 和前若干次采到的日，皖代入适当的 控制算法中，经过解算并得到控制信号c ( 刀) ，然后把c ( 刀) 送给d a 转换电路，转换后的 模拟信号送给伺服驱动器的输入端，驱动电机运转，从而使负载到达给定位置角谚所指 位置处，本系统中横滚方向的位置给定值根据不同航道有所不同，而俯仰方向的位置给 定值始终为零( 地理坐标系下的零位) 。 7 2 稳定平台伺服控制系统的总体结构设计与建模硕士论文 2 2 系统主要元件的选型 2 2 1 电机的选型 稳定平台伺服工作状态主要为低速运行、连续旋转，要求精度高，响应快，运动平 稳性好。在伺服系统中使用的直流伺服电动机，按转速的高低可以分为两类：高速直流 伺服电机和低速大扭矩宽调速电动机。高速直流伺服电机的应用历史最长，然而它在低 速性能和动态指标上还不能令人满意，成为进一步提高伺服系统精度和快速性的主要障 碍。另外，这种电机一般要配以减速齿轮获得较低转速，加大了系统的空间尺寸，而且 齿轮间隙也会给系统控制带来种种不利影响；低速大扭矩宽调速电动机是在过去军用低 速力矩电动机的基础上发展起来的一种新型电动机，广泛用于军工或民用自动控制系统 中，以低转速大转矩直接驱动负载作伺服执行元件；特别适用于要求控制精度高的速度 系统或位置系统，也可用于其它低速驱动装置中。它具有以下的优点 1 4 1 ： ( 1 ) 具有的高转矩和低速特性使得它可以与负载直接耦合，不存在齿轮间隙误差 问题，从而使伺服系统定位精度高； ( 2 ) 较高的转矩转动惯量比，可提供极高的加速度和快速响应； ( 3 ) 高的热容量，使电机在自然冷却全封闭的条件下，仍能长时间过载； ( 4 ) 其耦合刚度高，系统的机械共振频率就高，有利于提高系统的频率响应； ( 5 ) 力矩电机时间常数小，线性度高，调速范围大，特别适用于小功率伺服系统。 基于力矩电机输出力矩大，转速和转矩波动小，调节特性和机械特性线性度好，可 工作在连续堵转状态的特点。本系统采用直流力矩电动机作为驱动元件实现对转台框架 的直接驱动。根据力矩电机转矩匹配要求，以横滚轴为例，绕横滚框轴系的转动惯量 j = 0 9 8 k g m 2 ，系统动态响应性能指标= 3 6 0 。s 2 = 6 2 8 r a d s 2 ，则要求最大力矩为： m = j x = o 9 8 x6 2 8 = 6 1 5 n m ，所选某型直流力矩电机连续堵转力矩1 5 n 册，满 足最大力矩要求。所选横滚电机和俯仰电机的主要技术参数如下： 横滚电机： ( 1 ) 额定电压：2 7 v 连续堵转电压：2 0 v ( 2 ) 连续堵转电流：5 a 峰值堵转电流：1 1 a ( 3 ) 连续堵转力矩：1 5 n 埘峰值堵转力矩：2 8 n m ( 4 ) 空载转速：5 0 r m i n 俯仰电机： ( 1 ) 峰值电压：2 8 v ( 2 ) 峰值堵转力矩：5 0 0 0 9 c t 静摩擦力矩：1 3 8 2 9 c m ( 3 ) 峰值堵转电流：7 7 7 a ( 4 ) 时间常数：0 8 4 m s 8 硕士论文基于d s p 的稳定平台伺服控制系统的设计 2 2 2 直流测速机的选型 直流测速机用于检测各个轴系电动机相对轴系的转动角速度，是模拟速度内环的重 要反馈元件。本系统中的横滚轴和俯仰轴采用某型直流测速机，该测速机的主要技术指 标如下： ( 1 ) 输出斜率： 1 5 7 v ( r m i n ) ； ( 2 ) 最大线性工作转速：3 0 r r a i n ； ( 3 ) 线性度：1 ； ( 4 ) 输出斜率不对称度： 1 ； 2 2 3 位置传感器的选型 本系统中采用微惯性垂直陀螺作为位置传感器，其主要功能是提供控制系统中工作 航道定位所需的位置信号，微惯性垂直陀螺输出的角度是相对于大地坐标系下的。 位置传感器是位置环反馈的重要元件，其定位精度直接影响到整个系统的精度。因 此本系统中选用的微惯性垂直陀螺是专门定制的，其主要技术参数如下： ( 1 ) 角加速度范围： 输入角加速度范围：+ 5 9 ( 2 ) 启动时间：不大于1 0 s ( 3 ) 数据稳定时间：不大于6 0 s ( 4 ) 电源及消耗功率： 电源：2 8 v d c ；消耗功率：不大于5 w 微惯性垂直陀螺采用数字信号输出，其软件接口参数如下： ( 1 ) 数据输出接口 数据输出接口：r s 4 2 2 ； ( 2 ) 串口通信设置 通信速率：3 8 4 0 0 b p s ； 奇偶校验：无校验； 数据位：8 位： 停止位：1 位； ( 3 ) 数据帧格式 每个数据帧格式：0 x a a + 0 x 5 5 + 预留低字节+ 预留高字节+ 横滚低字节+ 横滚高字节+ 俯仰低字节+ 俯仰高字节+ 状态字+ 校验和+ 0 x f f 。 帧头：2 字节，数值为十六进制0 x a a ，0 x 5 5 ； 姿态数据：6 字节，数值分别为预留低字节、预留高字节、横滚低字节、横滚高字 节、俯仰低字节、俯仰高字节。 1 ) 预留：发送数值采用1 6 位无符号数表示。 2 ) 横滚：发送数值为横滚角度( 单位：度) 放大1 0 0 倍后，采用1 6 位2 进制补码 9 2 稳定平台伺服控制系统的总体结构设计与建模硕士论文 表示，d 1 5 位为等于0 时数值为正，d 1 5 位等于1 时数值为负。 3 ) 。俯仰：发送数值为俯仰角度( 单位：度) 放大1 0 0 倍后，采用1 6 位2 进制补码 表示，d 1 5 位为等于o 时数值为正，d 1 5 位等于l 时数值为负。 状态字：1 字节，数值的口d 0 位为1 1 时正常，日d 0 位为o o 、0 1 、1 0 时不正常。 校验和：1 字节，数值为从帧头到校验和之前按位异或。 帧尾：1 字节，数值为十六进制0 x f f 。 2 2 4 速率陀螺的选型 速率陀螺工作原理1 9 】：陀螺仪的壳体与被测载体固连，载体运动会带动壳体运动， 当载体运动使陀螺的输入轴有角速率输入时，由于壳体随载体运动，而陀螺的自转轴仍 相对惯性空间保持原来的方位稳定，这样壳体与转子之间出现相对转动。陀螺仪中的信 号器敏感这个转角而送出电压信号，信号经选频、解调和放大后产生与输入角速率成正 比的施矩电流，并作用在陀螺力矩器上产生进动力矩，使陀螺转子跟踪壳体( 即载体) 运动。而通过对陀螺力矩器施矩电流的测量，便可达到测量载体角速率的目的。 速率陀螺是稳定环的重要反馈元件，用于测量框架相对于惯性空间的角速率，本系 统中采用了一只挠性速率陀螺测量平台横滚方向和俯仰方向相对惯性空间的角速率，伺 服系统根据陀螺测得的惯性角速率，采用适当的控制结构和控制方法使平台保持稳定。 在速率陀螺的选择上，一般从以下几个技术指标上考虑1 9 1 ： 1 速率标度因数 速率标度因数越大，对惯性速率的敏感性越强，有利于提高陀螺输出信号的信噪比。 2 速率标度因数线性度 速率标度因数线性度误差越小，表明测速精度越高。但由于陀螺速率标度因数的指 标一般是采用多点线性拟合的方法获得，每一速率下的输出电压值是多次测量的平均 值，而在实时控制中，要求在每一采样时刻陀螺都应满足给定的标度因数指标。因此， 在陀螺选取时，应按实际使用条件测试其速率标度因数和速率标度因数的线性度误差。 3 陀螺的闭环带宽 陀螺的闭环带宽会限制速率稳定环的带宽，从而降低系统对力矩扰动的抑制能力， 因此，希望陀螺具有高闭环带宽。实际陀螺闭环带宽要受陀螺转子转速的限制。 4 陀螺噪声 陀螺噪声对平台稳定精度的影响与陀螺噪声的功率谱密度和陀螺输出噪声与平台 输出运动之间的传递函数有关，稳定精度要求越高，要求陀螺噪声幅值越小，且要求噪 声功率主要集中在高频区。 综上所述，本系统选用某型挠性陀螺作为数字稳定环的测速元件，其主要技术参数 如下： 1 0 硕士论文基于d s p 的稳定平台伺服控制系统的设计 ( 1 ) 标度因数： ( 8 3 + 5 ) m v ( 。s ) ( 2 ) 线性度：0 2 0 o ( f 鼬 ( 3 ) 带宽： 8 0 h z ( 4 ) 噪声：2 0 m v ( 有效值) ( 5 ) 零位电压绝对值： 常温：5 m v ；高低温：1 0 m y ( 6 ) 零位电压稳定性： l m v ( 7 ) 启动时间：1 0 s 2 2 5 伺服驱动器的选型 伺服驱动器采用m d s 系列脉宽调制系统，其功率驱动单元采用开关速度快、压降 小的新型m o s 功率模块构成双路四相限全桥电路，以p w m 方式工作。功率驱动单元 的特点是体积小、重量轻、效率高。工作频率设于超声频段，因而无噪声。 伺服系统控制部分采用专用电流伺服模块构成高速电流内环，在此基础上由速度环 p i d 调节器实现高精度速度闭环控制。电流内环的响应频带宽达l k h z 以上，因而在此 基础上，模拟速度外环的响应频带大于2 0 h z ，具有很高的伺服精度和伺服品质。为保 护功率器件和提高整机地可靠性，伺服驱动器实现了全方位地自我保护，如电压保护、 电流保护、过热保护、超载保护、上下限位到限保护等。 伺服驱动器内部主要由转速环和电流环构成，这两个环的主要技术参数如下： 转速环： ( 1 ) 调节时间： 7 5 m s ( 2 ) 上升时间： 1 5 m s ( 3 ) 超调： 1 5 ( 4 ) 带宽：3 0 h z ( 空载) 电流环： ( 1 ) 调节时间： 2 m s ( 2 ) 上升时间： l m s ( 3 ) 超调： 1 5 ( 4 ) 带宽： 5 0 0 h z 在稳定平台伺服控制系统中，伺服驱动器的主要作用是驱动电机，首先由电子箱中 的控制板采集传感器的信号，并经过一定的算法计算以后输出控制电压到伺服驱动器的 控制电压输入端，从而控制电机使负载框架到达指定位置。伺服驱动器的输入输出关系 如表2 2 5 1 和2 2 5 2 所示： 2 稳定平台伺服控制系统的总体结构设计与建模硕士论文 表2 2 5 1 伺服驱动器与控制电压接口 标号名称 描述 s d l + 速度设定+外部速度设定信号输入端，差分信号， s d 速度设定范围1 0 v ，对应电机正反最高转速。 g n d内部地转速与输入电压成正比。 s d 使能控制低电平使能伺服驱动器 表2 2 5 2 伺服驱动器与电机接口 标号名称描述 a c l 交流电源输入1 控制电及动力电公用改组电源 a c 2 交流电源输入2 w d j + 驱动器输出+ 连接电机电枢，w d j + 接电机电枢+ ， 1 d j 驱动器输出 w d j + 接电机电枢 c s + 测速机输入+测速机转速信号输入端，差分信号， c s - 测速机输入范围1 0 v ，对应电机正反最高转速 2 3 系统的建模 稳定平台伺服控制系统的总体框架如2 1 节的图2 1 1 所示，下面将对系统中各个部 分分别进行建模。 ! ；， 2 3 1 力矩电机动态模型 额定励磁下他励直流力矩电机的等效电路如图2 3 1 1 所示，r 为电枢电阻，l 为电 枢电感，。为电枢电压，厶为电枢电流； 图2 3 1 1 力矩电机等效电路 根据图2 3 1 1 可列出微分方程如下f 2 】： u d o - 鸥+ 三孕+ e ( 假定主电路电流连续) 口 e = e 刀( 额定励磁下的感应电动势) z = g l ( 额定励磁下的电磁转矩) ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 互一无= 詈等鲁( 牛顿动力学定律，忽略粘性摩擦) ；式中，乏_ 咆括电动 机空载转矩在内的负载转矩( 阴) ：( 2 4 ) 硕士论文基于d s p 的稳定平台伺服控制系统的设计 g d 2 电力拖动系统折算到电动机轴上的飞轮惯量( m 2 ) ； g 额定励磁下电动机的转矩电流比( 所a ) ，己：竺e 再定义下列时i - - j 常数： 乃电枢回路电磁时间常数( d ，乃= 詈； 乙电力拖动系统机电时间常数( s ) ，乙= 芴g 两d 2 r ； 带入式2 1 ，并整理后得： d ， 。一e = 烈厶+ 巧 ( 2 5 ) l 一乞= 鲁李( 式中乞= r l c ， k 负载电流) ( 2 6 ) 在零初始条件下，取式2 5 两侧的拉式变换，得电压与电流间的传递函数为： 生盟：型旦 o ( s ) 一三( s ) 乃s + 1 电流与电动势的传递函数为： e ( s ) r - - - - - - - - - - - - - - - - 一= 一 厶( s ) 一缸( 占) 乙s 根据式2 7 和式2 8 可得直流力矩电机的动态模型如图2 3 1 2 所示： ( 2 7 ) ( 2 8 ) 图2 3 i 2 力矩电机动态模型 如图2 3 1 2 可以看出，直流力矩电机有两个输入量，一个是理想空载整流电压。， 另一个是负载电流；前者是输入量，后者是扰动量。如果是理想空载，则气= 0 ，动 态结构图可简化为如图2 3 1 3 所示： o ( 引。 l e 船0 ) 一 r r , s 2 + l s + 1 图2 3 1 3 力矩电机动态简化模型 下面将根据所选电机的参数确定以上参数( 以横滚电机为例) ，横滚电机参数： 1 ) 额定电压：2 7 v 连续堵转电压：2 0 v 2 ) 连续堵转电流：5 a 峰值堵转电流：1 1 a 3 ) 连续堵转力矩：1 5 n m 电枢回路电感l ：o 0 1 h r 假设电机运行在连续堵转的情况下，则e = e 以= 0 ，三掣= 0 ，可以得出电机电枢 1 3 2 稳定平台伺服控制系统的总体结构设计与建模 硕士论文 电阻r = 2 0 y 5 彳= 4 q ；得出，电枢回路电磁时间常数z = 去= 半= o 。2 5 ( j ) ； 根据公式 z = c 卅厶，互= 一互，得出巳= 1 5 5 = 3 ( n r e a ) ；g d 2 = 9 8 n m 2 e = g 万3 0 = 0 3 1 4 ( 矿。m “，) ； 乙= 而g 苑d 2 万r 1 1 。嬲。 2 3 2 电流环等效模型 电流环的模型如图2 3 2 所示： 图2 3 2 1 电流环等效模型 k 为功率放大系数，通过测量伺服驱动器的输入和输出可以测出k 的大小，在伺 服驱动器的输入端加上1 0 v 的控制电压，测得其输出端电压为2 7 2 v ，因此k 。= 2 7 2 1 0 = 2 7 2 ：乃= l r = 0 0 0 2 5 s ： a c r 为电流调节器，采用p i 型的电流调节器，由伺服驱动器内部的模拟电路实现， 其传递函数可以写成 7。 形c r ( j ) ：k p s + k 7( 2 9 ) 伺服驱动器给出的电流环回路动态跟随性能指标：上升时间0 l m s ，调整时间 ，。2 m s ，超调量仃1 5 ； 2 3 3 模拟速率环等效模型 模拟速率环等效模型如图2 3 3 1 所示： 伺服驱动器 ，么一， 1 4 l 。，j 图2 - 3 3 1 模拟速率环等效模型 其中，虚线框部分由伺服驱动器内部模拟电路来实现。 硕士论文 基于d s p 的稳定平台伺服控制系统的设计 乙为机电时间常数，由2 - 3 2 节计算得到乙= 1 l o m s 。 a s r 为模拟调节器，采用p i d 调节器，也是由伺服驱动器内部的模拟电路实现的， 其传递函数可以写成 形擞( j ) ：k d s 2 + k p s + k i 5 ( 2 】o ) 伺服驱动器给出的模拟速度环回路动态跟随性能指标：上升时间f ，1 5 m s ，调整时 间。7 5 m s ，超调量仃s 1 5 2 3 4 数字速率环等效模型 数字速率环又称数字稳定环，其主要作用是隔离载机的扰动。数字速率环等效模型 如图2 3 4 1 所示： 图2 3 4 1 数字速率环等效模型 图中，缈为电机输出的角速率，为摩擦干扰力矩折算到电机轴上的角速率，国。为 载机扰动引起的平台角速率，缈，为平台角速率。稳定环调节器由数字控制器通过程序 来实现，具体的算法将在第四章中介绍。 2 3 5 数字位置环等效模型 数字位置环等效模型如图2 3 。5 1 所示： 图2 3 5 1 数字位置环等效模型 图中，位置环调节器由数字控制器通过算法来实现，具体的算法将在第四章中介绍。 3 稳定平台伺服控制系统的硬件设计* 女 3 稳定平台伺服控制系统的硬件设计 3 1 伺服控制系统的硬件总体设计 3 1 1 主控芯片的选择 控制器是伺服系统的核心，本系统采用t i 公司的t m s 3 2 0f 2 8 1 2 型d s p 作为伺服 系统的数字控制器，由于其具有丰富的外围接1 2 ，可以非常便利的实现伺服系统的数字 控制，f 2 8 1 2 功能框图如图3 111 所示。 图3i1 _ 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 功能框图 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 芯片( 下面简称f 2 8 1 2 ) 的特点及性能介绍如下1 3 0 1 1 州： 1 ) 高性能静态c m o s 技术 宁主频1 5 0 v l h z ，指令周期约为66 7 n s 守低功耗( 核心电压为18 v 或19 v ，f o 电压为33 v ) 中f l a s h 编程电压为33 v 2 ) j t a g 边界扫描( b o u n d a r ys c a n ) 支持 3 ) 高性能的中央处理器 矿1 6 位1 6 位和3 2 位x 3 2 位乘累加操作或1 6 位1 6 位两个乘累加操作 酽哈佛总线结构 中迅速的中断响应和处理 中统一的寄存器编程模式 矿可达4 兆字的线性程序总线和4 兆字的数据总线 硕士论文基于d s p 的稳定平台伺服控制系统的设计 酽代码高效( 用c c + + 或汇编语言) 4 ) 片上存储器 酽1 2 8 k x l 6 位的f l a s h 存储器 于1 8 k 1 6 位的单口随机存储器( s r a m ) 酽1 k x1 6 位的一o t p 型只读存储器 5 ) 带有软件b o o t 模式和标准数学表的4 k x1 6 位根只读存储器 6 ) 多达1 m b 的外部存储器接口 7 ) 时钟与系统控制 矿支持锁相环频率的动态改变 甲片内振荡器 守看门狗定时器模块 8 ) 三个外部中断 9 ) 保护f l a s h o t p 和l 0 l ls a r a m 的1 2 8 位密钥 1 0 ) 可支持9 6 个外部中断的外部中断扩展( p i e ) 模式 11 ) 3 个3 2 位的c p u 定时器 1 2 ) 两个事件管理器( e v a 、e v b ) 1 3 ) 串行外围设备 守串行外围接口( s p i ) 。 酽两个串行通信接口( s c i s ) 矿改进的局域网络(