基于DSP的机载光电稳瞄稳定环路数字控制实现

1、    基于DSP的机载光电稳瞄稳定环路数字控制实现1、引言机载光电稳瞄产品大量装备于各种类型飞机上，其核心是陀螺稳定平台，主要作用在于隔离载体的角扰动，使安装在载体上的光学传感器的视轴在惯性空间内保持稳定，使光学传感器得到清晰的图像。稳定控制最直观的方法是将光学传感器系统安装在减震装置上，减振器可以隔离载体的高频低振幅振动，但是减振后的低频振动仍然会对视轴产生扰动。因此，这种被动隔离的方法常与主动隔离的方法混合使用。主动隔离的方法有：整体稳定、齿1、引言机载光电稳瞄产品大量装备于各种类型飞机上，其核心是陀螺稳定平台，主要作用在于隔离载体的角扰动，使安装

2、在载体上的光学传感器的视轴在惯性空间内保持稳定，使光学传感器得到清晰的图像。稳定控制最直观的方法是将光学传感器系统安装在减震装置上，减振器可以隔离载体的高频低振幅振动，但是减振后的低频振动仍然会对视轴产生扰动。因此，这种被动隔离的方法常与主动隔离的方法混合使用。主动隔离的方法有：整体稳定、齿轮传动稳定、光学稳定、电子学稳定和动量轮稳定1。机载光电稳瞄稳定控制算法除了经典控制还有各种先进的控制算法，如：最优控制、变结构控制、神经网络及模糊控制等。从目前的文献资料来看，这些先进的算法大都限于仿真研究，实际用于产品的报道很少。目前，机载光电稳瞄产品以经典控制模拟电路实现为主。模拟控制的实现依赖于集成

3、电路和分离元件，设备间的信号传递均采用模拟量，导致控制器元件众多、结构复杂、体积庞大，同时在模拟电路的硬件基础上，要想实现各种复杂的现代控制方法几乎是不可能的。数字控制系统以程序代替硬件，有利于减小电路的体积，降低成本，在信号处理、算法实现上具有模拟控制无可替代的优势。数字控制是整个伺服控制领域的发展趋势。随着科学技术的发展，对机载光电稳瞄的稳定精度、动态品质的要求越来越高。因此，必须采用先进的数字控制技术，运用现代控制算法，设计出高性能的陀螺稳定平台控制系统，以满足实际系统的要求。2、机载光电稳瞄系统工作原理系统的控制环路如图1所示，系统包含三个环路，内部为电流环，电流环控制流过电枢的电流尽

4、可能严格跟随电流指令，改善电流跟随电压的动态特性，包括超调和调节时间等，抑制电子噪声和反电势等的影响。中间为速度环，即稳定环。稳定环是光电稳瞄系统的关键，光电探测器的机（船、车）载应用直接受伺服系统稳定环性能的影响2。稳定环采用速率陀螺作为惯性敏感元件，检测光电稳定平台方位和俯仰轴角速度，与速度命令信号形成误差电压，该误差电压通过稳定控制器在直流电机轴上产生稳定力矩，从而实现光电稳定平台抑制扰动、保持在惯性空间相对稳定。外部为位置环，通过比较输入信号与反馈信号产生控制偏差，借助位置控制器校正补偿输出到稳定环对光电稳瞄实施控制。在目前的稳瞄产品中，三个环路的控制器除了位置环控制器为数字控制器，稳

5、定环控制器和电流环控制器均为模拟控制器。本文研究的目的是将稳定环用数字控制方式实现。                                           

6、               图1 光电稳定平台控制系统环路3、控制系统建模与设计建立数学模型从前面的分析可知，稳定环路控制的对象为包括稳瞄转塔的电流闭环，对电流闭环分析如下：PWM驱动模型如图2所示。本系统中采用的是双极性四桥式PWM驱动，其传递函数可以写为：                

7、60;                         （1）当PWM开关频率较高，并且系统的截止频率                    

8、0;                                                 

9、0;          图2 PWM驱动模型 时，上式可以简化为：                                    &

10、#160;               （2）其中kPMW= 电源电压/三角波电压；T为PWM开关周期。一般来说非常小，可以忽略延迟环节。电机模型电机选用的是永磁直流力矩电机，系统采用的是电压调速。由此可以得到电机的模型：    （3）其中R为电机绕组电阻，L为电机绕组电感，U2表示调制电压输入，I表示流过电机绕组的电流，E为电机绕组反电势，J为负载转动惯量，M为电机输出力矩，为电机转速（即负载转速），Ce

11、和Cm分别为电机的反电势常数和力矩常数。这样可以得到整个电流环闭环结构形式如图3所示，图中Md为干扰力矩。                                         &

12、#160;                                         图3 电流环反馈框图根据实际电路计算，得到电流环控制器为：    &

13、#160;                                              ，其中（4）3.1 控制器设计光电稳瞄一般为两轴

14、或三轴陀螺稳定平台，各个轴从控制系统的构成来讲，具有相似结构。两轴平台包括方位轴和俯仰轴，这里以方位轴为例进行控制器设计。光电稳瞄系统所用陀螺为速率陀螺，从陀螺的资料手册上查得的陀螺数学模型3为：                                 

15、0;  （5）式中:kg=10，=100Hz，=0.707。根据前面的分析建立经典控制系统Simulink仿真模型如图4所示。                                      

16、;                                图4 经典控制系统Simulink仿真模型利用Simulink中的线性化工具将对象线性化，其结果作为sisotool控制器设计的基础，从sisotool工具箱中设计控制器：    &#

17、160;                                    （6）设计后系统根轨迹和开环频率特性结果如图5所示。         

18、                                                  

19、    图5 sisotool工具箱设计的控制器从图中可以看出系统幅值裕度为12.4dB，相角裕度为51.6º。3.2 控制系统仿真将设计的控制器加入系统Simulink仿真模型得到系统阶跃响应结果如图6所示，频率特性如图7所示。从图6中可以看出，超调量为24.4%，调节时间约为115ms。从图7仿真频率特性可以看出，系统的带宽约为25Hz。                  

20、                                                  

21、                    图6 阶跃响应仿真结果                             

22、                                                   

23、;                     图7 仿真频率特性4、数字控制硬件平台数字控制硬件结构如图8所示。系统包括DSP芯片、A/D电路、D/A电路和信号调理电路。硬件平台核心器件是TMS320F2812数字信号处理芯片。TMS320F2812的最高运行频率可达150MHz，片上存储器最多达128K×16位的Flash存储器，最多达128K×16位的ROM，1K×16位的O

24、PTROM，两块4K×16位的单周期访问RAM，一块8K×16位的单周期访问RAM，两块1K×16位的单周期访问RAM4。由于TMS320F2812片内RAM资源有限，系统中外扩了一片512K的RAM芯片。                              &#

25、160;                                      图8 数字控制硬件结构框图 陀螺输出的电压经信号调理电路后进入A/D芯片，TMS320F2812从A/D芯片读入转换的电压数据，经算法计

26、算后，DSP芯片将输出的值送入D/A芯片输出电压，输出的电压经电压跟随提高驱动能力后进入电机驱动电路，由力矩电机驱动陀螺稳定平台。A/D转换芯片采用AnalogDevices公司的16位6通道模数转换芯片AD7656。此芯片输入电压范围为-10V+10V。陀螺输出信号要经过远距离传输，为了降低陀螺信号的噪声，稳瞄系统中采用差分形式传输陀螺输出信号。本设计中模数转换芯片AD7656为单端输入方式，因此需要将陀螺输出的差分信号转换成单端信号。转换电路采用AnalogDevices公司的AD620仪表放大器芯片，该芯片的1脚和8脚之间接的电阻 决定其放大倍数，放大倍数计算公式如下： 

27、60;                                         （7）由式7可知，当电阻 为无穷大时放大倍数 ，本设计中选择放大倍数为1。D/A转换芯片采用Analo

28、gDevices公司的12位4通道数模转换芯片DAC8412，输出电压范围为-10V+10V，输出的通道由DSP的地址低两位A1和A0选择。DAC8412芯片的±10V输入参考电压由AD688芯片产生。5、试验与分析a) 通道精度测试1) A/D电路精度测试用标准电压源测试A/D电路的采样精度，测试结果如图9所示。图中横轴为输入到A/D电路的标准电压源电压值，纵轴为AD7656芯片转换出的数据，图中黑点为实际测试的数据点，直线为理想状态下的A/D电路采样曲线。可以看出，测试的数据点基本上位于理想A/D电路采样曲线上，为此算法中不需要对A/D电路采样的数据进行补偿。 

29、0;                                                 

30、0;                  图9 A/D电路精度测试结果2) D/A电路精度测试通过输出标定值来标定D/A电路的输出精度，测试结果如图10所示。图中横轴为DAC8412要输出的标定电压值数据，纵轴为D/A电路实际输出的电压值，图中黑点为实际测试的数据点，直线为理想状态下的D/A电路输出曲线。可以看出，测试的数据点基本上位于理想D/A电路输出曲线上，为此算法中不需要对D/A电路输出的电压值进行补偿。b) 伺服周期的设

31、定采样周期是数字控制系统的一个非常重要的指标，高性能伺服控制系统一般采样率不小于1KHz，为此要测量算法运行所需的时间，确保其在伺服周期内完成。                                      

32、                              图10 D/A电路精度测试结果利用DSP的IO口，在算法运行之前置IO口为低电平，算法运行之后置IO口为高电平，从示波器测量出低电平的时间即为算法运行所需时间，测试结果如图11所示。可以看出算法运行所需时间为55 ，满足一般高精度数字控制系统的控制频

33、率为1kHz要求。本设计中设定采样周期1ms。                                              &

34、#160;                      图11 算法运行所需时间测试结果c) 控制系统动态测试1) 阶跃响应为系统加入阶跃信号，用示波器测量得到阶跃响应曲线如图12所示。图中上方的曲线为给定阶跃信号曲线，下方的曲线为系统的响应曲线。可以看出，上升时间约为20ms，峰值时间约为40ms，调节时间约为100ms，超调量约为37%。                &