转台控制系统的概述

2024-10-23

转台控制系统的概述（精选8篇）

转台控制系统的概述篇1

随着自动控制理论和数字计算机及其应用技术的不断发展,以计算机为基础的控制技术迅猛发展,被控对象规模更大,控制过程和规律也更加复杂和精密,控制方法也更加灵活多样[1]。在转台的控制系统中,除了用来产生输入信号的仿真机之外,计算机还扮演了控制器的角色。根据控制器的不同形式,计算机控制系统分为集中式、分布式、集散式三种类型,其中集散式控制器又分为PC机与单片机、PC机与PC机、PC机与嵌入式控制器三种形式。转台运动控制系统是转台设计中最为关键的部分,本课题中选用PC机与嵌入式控制器的形式,其中PC机采用性能稳定的IPC(工控机),嵌入式控制器选用美国Delta Tau公司的可编程多轴控制器PMAC,即IPC+PMAC。

1 转台的基本结构与组成

由于各种民用、军用飞行器技术的快速发展,当今世界各国都十分重视半实物仿真技术的研究和应用,而三轴转台是半实物仿真的重要设备之一[2]。通常,三轴转台提供模拟飞行器飞行姿态角和为被试件提供测试条件的功能,以便验证全数字仿真的实验结果并进一步优化或改良飞行器设计方案。转台负载放在内框之上,由平板固定,内框、中框和外框均可绕其轴向做360°旋转运动,可以模拟飞行器的3个自由度的横滚、俯仰和航向运动。三轴转台由控制部分和机械部分组成,转台的控制部分由一个控制柜和一台IPC组成,转台机械结构由框架结构、动力源、支承结构、驱动方式、轴系结构、配重方式等组成。本课题中的转台采用UOO结构,外框架采用音叉形式(U型),其结构简单,转动惯量小,并可相应缩小转台总体尺寸;中框架和内框架采用封闭框形式(O型),易于实现整圈旋转。转台的3个轴系均采用精密机械轴承支撑,直流无刷电机驱动,运用海德汉增量式编码器进行速度、位置反馈,并在每轴运用滑环进行导线转接,可使框体做无限旋转运动。

2 PMAC控制器简介

PMAC(Programmable Multi-Axis Controller)是美国Delta-Tau公司生产的系列运动控制器。使用Motorola的DSP56000系列芯片作为CPU,最多可实现8轴的伺服控制。具有良好的硬件开放性和软件开放性[3]。

2.1 PMAC的硬件开放性

PMAC支持多种工作平台,允许在PC、STD、VME、PCI等不同总线上运行,方便了用户选择主机类型;有模拟和数字两种伺服接口,能与步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等多种电机连接,并可对不同的电机提供相应的控制信号;可接受各种检测元件的反馈信息,包括测速发电机、光电编码器、光栅、旋转变压器等;提供串行方式、并行方式和双端口RAM方式与PC机进行双向通信;绝大部分地址向用户开放,包括电机信息、坐标信息及各种保护信息,这些硬件的开放性使用户可以很方便地根据自己的需要进行硬件设备的搭建。

2.2 PMAC的软件开放性

PMAC支持各种高级语言,用户可以使用VB、VC、Delphi等在Windows软件平台上制定用户专用界面;PMAC提供了包含速度和加速度前馈的PID控制和阶式滤波器,电机和负载的双编码器,能纳入用户开发的伺服算法。PMAC具有很强的计算能力,许多数学、逻辑和超越函数的计算都能通过用户程序中的变量和常数进行;内含可编程逻辑控制器。PMAC的I/O点可以扩展至2 018位,所有的I/O点都由软件来控制,只要使用一个类似高级程序中的指针变量指向某一I/O地址,就可以方便地在运动程序和PLC程序中通过该指针变量来对该I/O点进行输入或输出控制。同时该PLC工具有强大的逻辑功能和判断能力,可编制复杂的逻辑关系。

3 控制系统的介绍

3.1 控制系统的原理

对于转台的方位控制,首先通过GPS等得到目标点的方位坐标,经过IPC机计算出目标点的方位角度,把位置信号送入PMAC卡,通过绝对式光电码盘形成闭环,从而达到位置伺服目的,包括速度环和位置环两部分,其控制原理如图1所示。

其中速度环由直流脉宽伺服系统、直流力矩电机以及测速电机构成,测速电机与直流力矩电机同轴并反馈成与转速成正比的电压信号,至直流脉宽伺服系统,从而形成速度闭环。

位置环由PMAC卡、直流脉宽伺服系统、直流力矩电机、光电码盘构成,光电码盘与直流力矩电机同轴并反馈位置信号至PMAC卡,从而形成位置闭环,以实现动态目标跟踪的目的,

3.2 控制系统的硬件组成

为了提高系统的运动可靠性和快速响应能力,转台采用上下位机的两级控制方式,其硬件组成如图2所示。

其中上位机主要根据控制规律进行计算、处理、逻辑判断和存储,实现转台控制的集中监控、综合管理,主要实现系统实时在线综合管理、性能检测、安全保护及监控管理以及数据采集与处理功能。在转台系统运行过程中,上位机完成转台系统性能参数的图形显示、数据处理,得出系统工作所必需的指令和参数。由于工业控制计算机抗震性和抗干扰能力强,工作可靠性高,目前被广泛用于现场数据采集处理及伺服系统的上位计算机。本系统采用研华工控机作为上位机,集中控制多套伺服系统。

下位机是转台控制系统的直接控制级,构成转台内、中、外框三个独立的伺服控制回路。下位机完成伺服控制系统的数据采集与处理、控制律的实施并实现与上位机实时通信。本系统中下位机由PMAC充当,PMAC控制卡通过标准总线与上位机相联,码盘等测速或测角机构通过PMAC上的DD接口传递位置、速度等信息,经PMAC处理,并按上位机给出的控制要求通过PMAC上的DA接口输出合适的电平信号控制转台上的电机运动,从而构成控制闭环。

另外,PMAC通过总线向上位机交换报告转台位置、运行安全等信息,并从上位机获得程序运行所需要的命令,如程序开始、结束和系统复位等。由于PMAC自身的特性,使诸如码盘信号换算、行程限位等功能可以很方便地实现,且PMAC的可编程特性使系统具有很强的扩展能力,整个系统构成要比普通的上下位机系统显得简单实用。而PMAC的使用也使系统更具通用性,只需作少量调整即可应用于其他设备。

4 运动控制系统软件设计

本课题中下位机选用PMAC运动控制卡。该运动控制卡是现在使用的比较普遍、可靠性很高的多轴运动控制器,它的核心硬件是DSP与FPGA,提供运动控制、逻辑控制、数据采集、信息处理、同主机交互等强大的资源,其最大的特点是软硬件的开放性。PMAC可以通过执行软件(PEWIN)实现各种控制的基本操作及系统调试,从而实现执行运动程序、执行PLC程序、伺服环更新、资源管理等主要功能。

对于转台的控制系统,系统功能实现实际由工控机和PMAC卡共同分担完成,运动控制软件包括2个部分:工控机主要完成人机界面、系统任务管理、视频显示、方位角度计算与发送等功能;MAC卡主要实现所要求的运动控制、I/O管理、PLC等功能。

4.1 上位机控制软件的开发

对于转台控制系统上位机的工控机,基于Windows XP操作系统,利用Visual C++6.0开发系统开发了转台运动控制系统软件,具有视频显示、转台控制方式选择、转台运动状态显示、GPS信号显示、异常报警等功能,利用下位机封装好的各类运动控制函数和参数设置功能函数,在上位机软件开发时实现“下位机透明”式的开发,使上位机界面开发以及和其他功能集成时无须关注运动控制层的细节,从而更着重于其他方面功能的实现。

4.2 下位机控制软件的开发

下位机控制系统中PMAC卡上集成了丰富的运动控制指令和算法,为转台的运动控制提供了方便,对于转台控制下位机软件的开发,充分利用PMAC卡的开放性,主要包括位置伺服模块、PLC监控模块等,位置伺服模块可通过设置PMAC卡内部PID参数实现,PLC监控模块用于实时提取转台运行状态信号,包括当前的运行方位、运行速度及是否都达到位置限位等,主要包括PMAC的设置和PMAC运动程序的编写。

4.3 工控机与PMAC卡的通信软件

外部信号通过计算机串口送入工控机,转换成方位角度后送入PMAC卡,转台的运动方位信息实时通过工控机进行显示,同时,各种控制指令也是通过工控机传给PMAC卡,从而实现各种控制目的,本系统利用PMAC卡提供的PCOMM32通信套件,采用动态链接库方式,便于上下位机软件的模块化和封装并使得上位机编程环境的选择更加自由。

本课题以PMAC卡为核心对三轴转台的硬件及软件进行了设计,通过PMAC构建转台控制系统,具有实时能力强、系统稳定、易操作等优点。将PMAC作为转台的控制器在理论和实际上都是可行的,使系统设计和应用程序的设计大大简化,设计者只需要较少的代码就可以达到目的。另外,当整个系统投入使用并进入维护阶段,采用PMAC这样的标准部件也减少了软/硬件维护的困难,作为三轴转台的改造设计是一个非常好的方法。

摘要：提出了一种基于多轴运动控制器的转台控制系统的组成方案.给出了转台的基本组成,介绍了多轴运动控制卡功能及其硬软件的开放性。分析了控制系统的组成原理,详细介绍了控制系统总体设计方案和基本的硬件配置结构,以及此控制系统的软件设计方法和功能实现。通过此基于多轴运动控制卡的控制系统实现了转台的实时控制及伺服控制。

关键词：多轴运动控制器,转台,运动控制系统

参考文献

[1]肖维荣.新一代可编程控制系统与现代运动控制技术[J].机电一体化,1998,4(6):12-14.

[2]贺小蓉.飞行仿真转台现代控制技术研究[D].南京:南京航空航天大学,2002.

[3]赖国庭,吴玉厚,富大伟.基于PMAC的开放式数控系统研究[J].制造业自动化,2002,24(9):34-36.

转台控制系统的概述篇2

精密转台系统非线性动态自适应控制器设计

提出了一种用于精密转台平滑鲁棒自适应控制器.通过基于σ改进方案的自适应律估计得到未知摩擦参数和非线性项的常值上界,并且利用一种平滑预测算法来改进用于估计不可测摩擦状态的双观测器.为了抑制不确定非线性项,加入了无抖振滑模控制项.通过Lyapunov方法证明了系统的.位置跟踪误差是一致最终有界的.仿真研究表明了该控制方案的有效性.

作者：王忠山王毅苏宝库 WANG Zhong-shan WANG Yi SU Bao-ku 作者单位：哈尔滨工业大学空间控制与惯性技术研究中心,哈尔滨,150001刊名：航空精密制造技术 ISTIC英文刊名：AVIATION PRECISION MANUFACTURING TECHNOLOGY年，卷(期)：44(2)分类号：V249.12关键词：精密转台系统摩擦补偿不确定非线性项平滑鲁棒自适应控制器

焊接转台调速系统改造篇3

车间焊接转台使用近15年, 电气控制系统采用TDGC型单相调压器进行设备转速, 这种速度控制方式存在一些问题: (1) 转台低速运转时有明显卡顿现象, 严重影响产品焊接质量。 (2) 无法精确变速和显示转速, 使用不便。 (2) 调压器对使用者有较大安全隐患。为此, 对焊接转台调速系统进行改造。

2.改造实施

(1) 保留直流电机, 经过调研, 改用直流电机控制器——博山电机SK400B型直流电机控制稳压电源, 进行电机调速。SK400B型稳压电源采用脉宽调制技术, 电枢输出电压稳定度高, 电枢电压从零到额定值连续可调, 使得电机调速极为方便。电源工作频率高, 确保电机在低速下能稳定工作, 不出现爬行现象。

(2) 改造控制面板, 使其直观显示各个功能状态。SK400B型稳压电源内部装有正反转继电器, 可实现正反转切换功能, 配合组合开关使电枢输出电压分别接入不同电机, 实现快慢速两挡转换。增加急停开关, 保证操作安全。将DP3A型数显电压表接入调速电位器, 用转速仪标定后, 可实现转速数字化显示, 使操作更加直观。

转台控制系统的概述篇4

伺服系统是自动控制领域一种重要的控制系统，随着科学技术的发展，伺服系统在现代工业、军事等领域发挥着日益重要的作用。伺服系统可以分为液压伺服系统、交流伺服系统、直流伺服系统等。液压伺服系统技术成熟，但存在漏油、易污染、难维护等缺点;交流伺服系统性能虽已接近直流系统，但构成复杂，成本较高;PWM直流伺服系统则具有效率高、响应快、噪声小、调速范围宽等显著优点。随着微计算机技术和电力电子技术的不断发展，以专用电机控制芯片和智能功率模块组建伺服系统已成为一种趋势。

新一代电机控制器TMS320F2407，具有DSP内核，将DSP的高速运算能力和面向电动机的高效控制能力集于一体，非常适合电机的数字化控制。

2 TMS320F2407的基本原理

TMS320F2407是专门针对电机、逆变器、机器人、数控机床等控制系统而设计开发的一款高性能微处理器。它以16位定点CPU为内核，配置了完善的外围设备，非常适合于电机的数字化控制。TMS320F2407具有如下特点：

1)高性能的静态CMOS制造技术，使得该DSP具有低功耗和高速度的特点，工作电压3.3V, 指令周期最短仅25ns (40MHz)，最高运算速度可达40Mips。

2)片内集成了32K字的Flash程序存储器、2K字的单口RAM (SARAM)、544字的双口RAM (DARAM) 。

3)提供外扩展64K字程序存储器、64K字数据存储器、64K字I/O寻址。

4)两个用于电机控制的事件管理器(EVA和EVB)，每个事件管理器包含：2个16位通用定时器、8个16位脉宽调制(PWM)输出通道、1个能快速封锁输出脉冲的外部引脚PDPINTx，具有防止上下桥臂直通的可编程死区单元、3个捕捉单元 (CAP) 、1个增量式位置光电编码器接口(QEP) 。

5)可编程看门狗定时器，保障程序安全可靠的运行。

6) 16通道10位A/D转换器，4个启动A/D转换的触发源，最快A/D转换时间位375ns。

7)控制器局域网(CAN) 2.OB模块。

8)串行通信接口模块(SCI)和串行外设接口模块(SPI)。

9) 41个通用数字I/O引脚。

10) 32位累加器和32位中央算术逻辑单元(CALU), 16位乘l6位并行乘法器。

TMS320F2407将强大的运算能力和面向电机控制的丰富的硬件资源集于一体，非常适合电机的实时控制，便于各种复杂控制策略的实现，是开发数字伺服系统的良好平台。

3 系统硬件设计

3.1 系统总体设计

以DSP控制器TMS320F2407为主控单元，构建了转速电流双闭环PWM速度伺服系统。系统由数字控制器、功率驱动模块、直流伺服电机、电流传感器、测速发电机等组成。

数字控制器实现系统的全数字化控制，完成系统初始化、主令获取、电流采集、速度采集、速度调节、电流调节、PWM输出等功能。

系统采用电流速度双闭环控制，其中速度环为外环，用以增强系统抗负载扰动的能力，抑制速度波动，实现转速的精确控制;电流环为内环，用以限制电机的最大工作电流，缩短电流环的响应时间，使系统在允许的电流下快速启动。双闭环控制的特点是电机的转速和电流分别由两个独立的调节器进行调节和控制，转速调节器的输出即电流调节器的给定，因此电流环能够根据转速的偏差自动调节电机的电流，从而实现电机转速和转矩的精确控制。

系统既可接收CAN总线或RS232串口的数字速度主令，又可通过内部的A/D采集电路采集模拟速度主令。系统工作原理框图如图1所示。

3.2 反馈电路设计

电流检测电路采用霍尔电流传感器LA58-P作为电流检测元件，检测电机的电枢电流。LA58-P的变比为1:1000，由于TMS320F2407要求的A/D输入信号为0-5V模拟电压信号，因此，电流传感器输出的弱小电流信号首先经过采样电阻R1转变为电压信号，通过RC电路滤波后，通过运算放大器进行标度变换，变换为0-5V的电压信号，送人DSP的A/D采集通道。电流检测电路如图2所示。

其中，R1为精密采样电阻，作为霍尔元件的负载电阻。选用LF353构成同相放大器，对电流信号进行标度变换。因设计电机的最大电流为±15 A，故整定参数时选择当电机电流为+15 A时，对应放大器的输出为5V;当电机电流为-15 A时，对应放大器的输出为0V。从而将具有正负极性的电流反馈信号转换为单极性信号送入DSP的A/D采集模块。A/D转换器为10位，故-15 A-+15 A所对应的数字量为0-1024。

速度信号检测电路原理同电流检测电路，不同处为霍尔电流传感器被测速电机(和执行电机同轴)取代。

3.3 PWM输出

在数字化PWM系统中，将数字量的控制信号转换为理想的控制脉冲，施加于被控对象，这是PWM调制技术的核心所在。

TMS320F2407内含三个16位的通用定时器，计数范围均为0-65536。计数脉冲可由内部时钟分频产生，也可由外边引脚提供，计数方向可增可减。定时器内设周期寄存器和比较寄存器，当计数值和周期寄存器或比较寄存器相等时，分别产生周期匹配和比较匹配两种事件。周期匹配决定调制波的周期，比较匹配则在调制波的各个周期内产生不同的脉宽。因此，根据调制频率设定周期寄存器的值，根据已得到的脉宽变化规律在每个周期修改比较寄存器的值，以得到不同的脉宽，这是数字化PWM的基本原理。

如果采用锯齿波作为调制波，即将设为单增或连续增计数模式，则调制波周期为T=(T×PR+1)个计数脉冲，有效电平周期τ=(T-T×CMPR)个计数脉冲，故脉冲占空比为:

其中：T×PR为定时周期寄存器，T×CMPR为定时比较寄存器。

由于功率部分采用IPM智能功率模块，其内部为3相桥结构，并其内置的IGBT开通关断均需一定时间，为了防止上下桥臂直通，确保IPM的安全工作，需要在上下桥臂状态转换时插入一个无信号时间，这段时间称为死区。DSP内含死区发生电路，为了使用该电路，首先要设置死区控制寄存器DBTCON的EDBTx (x=1, 2, 3)为1，然后根据需要的死区时间σ(多少个CPU周期)设置分频系数kσ(DBTCON的DBTPS1:0)和死区定时器的周期值(DBTCON的DBT7:0)，分频系数kσ乘以死区定时器的周期值再乘以CPU的时钟周期即死区时间即：σ=kσ×DBTPR/Fc (Fc为CPU的时钟频率)。

系统中调制频率设为10kHz，死区时间设为4μs, PWM信号设置为高有效。当通用定时器的值与比较寄存器的值相等时，产生状态匹配事件，输出PWM脉冲信号，作为IPM智能功率模块输入，完成数字控制量的PWM调制。

3.4 功率逆变单元

功率逆变单元选用IPM智能功率模块(Intelligent Power Module)，它将功率元件IGBT与驱动电路、保护电路集成在一起，具有过流、短路、电源电压下降及过热等保护功能。当各种保护回路动作时，即使功率管的控制信号是导通信号，输出也为关断状态，同时向外部发出故障报警信号，有效保障了功率元件的安全工作。在该系统中，选用智能功率模块PM302EA120，额定电压1200V，额定电流为30A，三相桥式结构。IPM的输入采用光耦驱动电路，有效实现了控制信号和动力信号的隔离。为防止IPM在高频开关过程中的di/dt、dv/dt和瞬时功耗给器件造成的冲击，设置RCD缓冲电路(即吸收电路)，改变器件的开关轨迹，控制各瞬态过电压，降低器件开关损耗，保护器件安全运行。其中, 电容选用0.47μF的无感电容, 电阻选用10Ω/10W的功率电阻，二极管选用快恢复二极管。

3.5 保护电路

除了IPM内置的控制电源欠压、短路、过热等保护电路外，系统还设置了母线电压过压、欠压、电枢过流等保护电路。母线电压通过电压传感器测取并通过比较电路和设定的过压、欠压阀值进行比较。当过压或欠压发生时，发出相应的故障信号;电枢过流通过电流传感器测取，当电枢过流现象发生时，发出过流信号。各故障信号由CD4078综合后，经光电耦合输入DSP的PDPINT引脚，任一故障发生时，CD4078输出低电平，PDPINT引脚被强制置为低电平，DSP定时器立即停止计数，封锁输出脉冲，保证了电路的安全工作。

4 系统动态结构分析

直流PWM伺服系统动态结构图如图3所示，其中各变量定义如下。

ASR：速度调节器;ACR：电流调节器;Un*:速度主令;Ui*:电流主令;Ton:速度滤波时间常数;Toi:电流滤波时间常数;KS：功率电路放大倍数;R：电枢回路电阻;T1：电气时间常数;Tm：机械时间常数;Ce：电机反电势系数;α：转速反馈系数;β：电流反馈系数。

系统采用转速电流双闭环控制，由于来自电流检测单元的反馈信号中含有交流分量，需加低通滤波器，Toi为电流滤波时间常数。滤波环节可以消除电流反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈环节带来延迟，为了平衡这一延迟作用，在给定信号前向通道中也加入一个时间常数与之相同的惯性环节，称为“给定滤波环节”。从而使给定信号和反馈信号经过相同的延迟，使二者在时间上得到恰当的匹配。由于速度反馈信号由测速电机获取，其输出速度反馈信号含有电动机的换向纹波，也需经过滤波，同电流环，在转速给定的前向通道中也引入时间常数为Ton的给定滤波环节。

5 控制算法设计

数字伺服系统控制算法设计的核心是选择合适的控制策略，并依据控制策略求出相应的控制算法，通过软件予以实现。

系统采用变结构控制算法，即非线性控制与PID控制相结合的控制方式。当系统偏差较大时，采取非线性控制以保证系统快速性;当系统偏差较小时，采用PID控制以实现无静差准确定位。这种控制方式集中了非线性控制和线性控制的优点，保证了系统的快速性和跟踪精度。增量式PID控制的计算机数字化形式如下：

非线性控制采用平方根控制，即当系统位置出现大偏差时，需要以最大加速度加速和系统在较大速度需要快速减速时，采用平方根控制，其控制算法为：

其中：am为系统最大加速度;U (k)为控制量;e (k)为系统速度误差。

6 控制软件设计

系统软件包含初始化子程序、电流中断服务子程序、速度中断服务子程序等。开机后DSP首先运行初始化子程序，屏蔽全局中断，进行系统初始化(系统CLK, EVA、EVB模块和AD转换模式初始化)，包括速度环采样周期定时器初始化、电流环采样周期定时器初始化、PWM调制波周期定时器初始化、死区控制寄存器初始化等。初始化完成后，开启全局中断，采集速度主令信号，等待电流中断和速度中断。

电流中断周期为0.1ms，速度中断周期为1ms，系统电流和速度的采集和调节均在中断服务子程序中完成，为了消除干扰，采用了数字惯性滤波对电流和速度进行滤波。速度中断服务子程序根据误差大小判断采用PI控制还是平方根控制，计算控制量，作为电流环的输入主令。电流中断服务子程序在完成电流控制量的计算后，更新CMPRx，输出PWM脉冲，通过IPM驱动电机的精确运动。

系统控制软件流程如图4所示。

7 试验及应用

根据系统实际应用中的负载和应用情况，搭建系统试验台架，即：采用功率为2kW的72V直流开关电源作为系统母线动力电源，采用直流28V开关电源作为系统控制电源，根据系统实际应用中的传动链和减速，设计相应的惯性轮负载，模拟系统的负载，对系统进行试验。

通过在台架上的试验，测得系统在带载情况下的速度阶跃响应曲线如图5所示。从图5中可以看出，系统上升时间约为0.1 s，超调较小，在0.3 s内速度已基本达到稳定。当电机从0rpm到额定5500rpm的转速旋转时，电机转速误差小于±1%。系统具有很好的低速性能，最低平稳速度可达1rpm。

8 结束语

本文提出并研究了一种基于DSP的转台直流PWM伺服系统，利用DSP丰富的内部资源和IPM强大的驱动功能，实现了系统的全数字控制，并通过软件实现了变结构控制算法。相对模拟系统，本数字系统具有结构简化、电路简单、控制灵活的特点。通过仿真和试验表明，系统具有良好的动、静态性能，并具有很好的实时性和较高的可靠性，在外界参数变化较大的情况下有很强的鲁棒性。

摘要：伺服系统是自动控制领域一种重要的控制系统, 随着科学技术的发展, 伺服系统在现代工业、军事等领域发挥着日益重要的作用。提出并研究了一种基于DSP和IPM的全数字转台直流PWM速度伺服系统, 并对系统硬件电路、动态结构、控制算法、软件流程等做了较为详尽的剖析。系统利用DSP丰富的内部资源和IPM强大的驱动功能, 使系统结构大为简化。通过仿真和试验, 表明系统具有良好动、静态性能, 且在外界参数大范围变化情况下有很强的鲁棒性。

关键词：DSP,PWM,直流伺服系统,控制算法

参考文献

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[4]陈辉堂.数字控制系统[M].西安:西安交通大学出版社, 1986.

[5]冯国楠.现代伺服系统的分析与设计[M].北京:机械工业出版社, 1990.

转台控制系统的概述篇5

伺服平台设计涉及机械、传感器、计算机、电力电子以及机电系统综合设计等技术, 以系统精密化、自动化、智能化为导向, 是一种典型的机电一体化产品, 在侦察、跟踪、瞄准、火控等军事装备以及天文、气象、试验设备等民用装备中有着广泛的应用。在伺服平台应用技术的研究方面, 相关机械电子技术发展迅速, 现阶段的高精度、高可靠性的伺服平台已经较为成熟, 在军民用等方面获得广泛的应用。各种应用对伺服平台精确性、机动性、环境适应性提出了更高要求, 同时这些要求也是当前形势下各种先进技术发展的必然趋势。鉴于伺服转台随动系统对跟踪目标的实时性和可靠性需求, 提出一种基于Linux的伺服转台随动系统的设计与实现方案。

1 总体设计

1.1 系统组成

伺服转台随动系统由伺服控制计算机、伺服驱动器和电机、位置反馈器件、控制软件组成, 其主要任务是接收火控设备发送的位置和速度前馈指令, 控制转台的方位及高低运动到预定的位置上, 同时伺服转台将其架位信息以及各种状态信息反馈给控制设备。其高低轴和方位轴的控制结构相同, 都是由电流环、速度环和位置环组成的单输入单输出位置随动系统。以高低轴为例, 其系统组成如图1 所示, θ0为目标空间角, θL为负载轴空间角, θ0-θL为跟踪位置误差, ω0为电机转速, ωL为负载轴转速。

1.2 主要功能

伺服转台随动系统作为承载设备的随动驱动平台, 接收控制设备的各种控制命令, 在规定的时间内运载承载设备完成动作, 并及时反馈各种状态信息。其主要功能为:

(1) 接收控制设备控制信息, 并以此信息为准驱动伺服转台平台进行精确运转。

(2) 为控制设备实时提供位置反馈信息。

(3) 包含一个方位伺服系统和两个独立的高低伺服系统, 方位、高低系统可独立运行, 分别配置机械和电气限位装置。

(4) 具有故障检测能力, 在出现故障的情况下可向火控设备发送故障信息, 接收控制设备发送的急停命令。

(5) 支持外接测试设备, 可供设备自检时独立运行操作, 也可用于系统工作时的运行状态监测。

2 硬件平台的设计

伺服转台随动系统硬件组成如图2 所示, 主要包括配电模块、伺服控制装置、伺服驱动装置、位置反馈装置和安全防护装置。

3 软件程序的设计

采用基于Linux的国产操作系统Jariworks, 该操作系统具有较高的实时响应能力和较强的多任务处理能力, 提供的进程以及进程间通信的方案比较完善, 开发资源丰富并且具有较低的成本。需要的模块功能, 可以在配置内核时选择, 从而减少冗余, 提高系统的快速性和可靠性。

伺服转台随动系统控制软件由嵌入式实时操作系统、驱动程序和应用程序组成, 如图3 所示。

4 伺服控制算法的设计

伺服转台随动系统惯量大, 要求速度快, 控制精度高, 单纯用PID算法不能达到系统要求的性能指标, 为了获得更好的控制效果, 设计一种参数自调节的伺服转台随动平台控制方法。该方法针对伺服转台这种非线性变负载的随动系统, 将神经网络和模糊控制相结合, 利用神经网络的多层网络结构形式来实现模糊控制。首先确定模糊神经网络控制器的结构;然后通过遗传算法优化隶属度函数的中心值和宽度, 并借助模糊逻辑控制确定遗传算法中的交叉概率和变异概率, 使得控制器参数能够适应控制模型的变化以满足性能指标的要求; 最后运用BP算法优化模糊神经网络的连接权系数, 实时调整控制器的参数。控制算法原理如图4 所示。

伺服转台随动系统通信周期为20ms, 经过差补运算每2ms做一次调节, 每个2ms的运动过程可以看作一个等速运动的过程。控制算法流程如图5 所示。

5 实验分析

在伺服转台随动系统的运动实验中, 各轴独立完成定点、等速和正弦三种运动。以武器轴为例, 经过实验可得PID的参数为:Kp=250, Ki=10, Kd=0.1。精度要求静态误差为0.03°, 动态误差为0.08°, 均方根误差为0.15°。位置曲线:实线为差补理论位置, 虚线为实际位置。所有x轴单位都是2ms, y轴单位为脉冲数 (一个脉冲=0.00549°) 。实验结果:

(1) 定点运动, 位置和误差曲线如图6 所示, 从0°运动到80°, 最大速度为40°/s。

(2) 等速运动, 位置和误差曲线如图7 所示, 从0°运动到40°, 速度为20°/s。

(3) 正弦运动, 位置和误差曲线如图8 所示, 从0运动到40°, 周期为5s。

通过位置和误差曲线可以看出, 在实验环境下, 伺服转台随动系统的高低轴在定点、等速和正弦三种运动控制下, 理论和实际运动位置误差都在要求精度范围之内, 充分验证了基于Linux的伺服转台随动系统的设计方案的可行性。

6 结语

实验结果表明, 伺服转台随动系统的控制精度达到了指标要求, 具有很好的跟踪性能和稳定精度, 抗外界干扰能力强, 其设计思想可应用于各种结构形式以及功率的伺服平台设计。

摘要：针对伺服转台随动系统的高实时性和高可靠性的需求, 提出一种基于Linux的伺服转台随动系统的设计实现方案。实验结果表明, 设计的随动系统响应速度快, 跟踪性能好, 抗外界干扰能力强, 满足精度指标要求。

关键词：伺服转台,Linux,实时性,参数自调节

参考文献

[1]穴洪刚, 郭毓.转塔伺服系统的设计与仿真[J].控制工程, 2005, (s1)

[2]ALESSANDRO RUBINI.Linux设备驱动程序[M].北京:中国电力出版社, 2000

[3]刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社, 2003

转台控制系统的概述篇6

关键词：卫星姿态控制,地速补偿,转台控制算法

引言

卫星控制系统半物理仿真试验实际上是卫星动力学和运动学的仿真, 由于要求硬件接入回路, 它通常用于验证卫星控制系统方案和性能指标, 包括动力学仿真和运动学仿真。仿真计算机计算卫星的动力学和运动学方程, 转台模拟卫星在空间的运动, 目标模拟器模拟卫星姿态敏感期的参考目标的环境特性。本文主要研究转台系统接入仿真试验过程中存在的问题:针对转台控制算法复杂, 地速影响这两个主要问题, 本文给出了具体的转台控制算法, 软件实现简单, 执行效率极高, 同时给出了地速补偿方案及具体实现方式。本文所介绍的控制算法已成功应用于某卫星型号半物理仿真试验中, 文章的最后给出了试验结果。

1 原理

卫星控制系统半物理仿真比数学仿真具有更高的置信度, 是卫星控制系统研制中的一个重要环节。当控制系统研制出来以后, 人们最关心的问题是它的功能和性能是否与设计要求相一致, 这只有通过对实际系统进行试验才能确定。但是人造卫星控制系统不同于一般的地面设备, 它必须在特定条件下才能实现闭路运行, 并显示其性能指标。半物理仿真是将参试的卫星控制系统各部件 (包括硬件和软件) 接入仿真回路所进行的闭路动态试验, 它在地面设备 (运动仿真器、目标仿真器、仿真计算机等) 的配合下, 模拟卫星在轨道上的各种运行状态, 达到验证所设计的控制系统方案, 检验系统实际性能的目的[1]。卫星控制系统半物理仿真系统构成框图如图1所示。

运动仿真器的主要功能是提供一种与卫星在轨道运行时相似或等价的运动, 使卫星反馈控制试验形成回路。

三轴伺服转台实际上是一个高性能的三轴伺服系统。在运行时, 它要求每个轴严格地跟随仿真计算机的某项输出。一个三轴转台运动的效果是使在其内轴试验台上的仪器作绕转台转动中心的姿态运动, 转台的动态环节实际上是串接在整个试验回路中的一个附加环节, 理想情况下它的传递函数最好等于1, 精度由转台机械台体和控制系统 (测角装置、电路及控制计算机、马达等) 来保证。因此, 它是一个名副其实的运动模拟器, 不仅用于卫星姿态控制系统的半物理仿真, 也广泛用于其他运动物体的控制仿真 (如飞机、导弹、鱼类等) 和某些专用仪器的性能测试 (如陀螺) 。某UUT转台实物如图2所示。

2 转台控制链路

在卫星控制系统半物理仿真中, 转台的控制链路如图2所示。动力学仿真计算机将计算得到的星体惯性角速度 (在星体系下的表示, 本文所述物理量参考坐标系均为星体坐标系) 通过网络 (或串口、反射内存等) 发送给仿真器控制计算机, 仿真器控制计算机从转台工控机获取转台当前框架角信息, 将星体惯性角速度转换为转台框架角速度, 并通过网络 (或串口、反射内存等) 发送至转台工控机驱动转台框架转动。

由转台控制链路可知, 仿真器控制计算机内将星体惯性角速度转换为转台框架角速度算法为转台应用的核心, 也是转台应用的重点和难点, 本文详细介绍了一种实现简单完成效率极高的控制算法及其详细推导过程, 易于工程实现。

3 转台控制算法

以UUT转台为例, 设分别为转台的内、中、外框架角, 从转台工控机获取, 转台零位时, 即内、中、外框轴正交, 构成右手坐标系时, 内、中、外框轴分别对应于星体坐标系的偏航轴Za、滚动轴Xa、俯仰轴Ya, 定义该坐标为星体坐标系, 该坐标系与转台固连。

陀螺在转台上的安装方向参考陀螺坐标系与星体坐标间关系确定, 转台控制的最终目的是使转台框架角速度在星体坐标系下的投影值与惯性角速度一致。

设绕转台内、中、外轴转动的转换矩阵如下:

则星体系下惯性角速度可以表示如下:

得到转台框架角速度如下:

4 地速补偿方法

由于仿真试验在地面进行, 陀螺输出还包括了地球自转的速度, 这一附加输出是卫星在轨运行时所没有的, 仿真试验中应予以扣除。

首先将地速投影至转台零位坐标系, 然后再投影到转动坐标系 (即星体系) , 设地速为we, λ为转台所在地的地理纬度, δ为北向逆时针转到转台零位时Xa轴 (中框轴) 的角度, 得到地速在星体坐标系下的表示如下:

因此, 考虑到扣除地速影响后, 陀螺输出惯性角速度的表示如下:

经整理得到转台框架角速度如下, 将此公式代入转台控制算法中, 即可完成对于地速的补偿:

5 关键技术

该算法有以下两个突出的关键技术:

(1) 转台控制算法:转台控制算法不同于常规的实现方式, 该方法不存在矩阵求逆等复杂的矩阵运算、编写软件较容易实现、软件运行时间短, 从而极大地提高了仿真的实时性;

(2) 地速补偿算法:地球自转对陀螺的影响与仿真试验室在地球上所处的纬度以及安装陀螺的运动模拟器所处的方位有关。地球自转角速度比卫星的姿态稳定度大的多, 在仿真试验中, 它将投影到每个陀螺的输入轴上, 成为一种附加干扰, 必须加以补偿, 本文所介绍的地速补偿方法, 扣除地速影响后, 大大提高了转台模拟卫星运动的准确度, 能够适用于高稳定度卫星的姿态运动仿真要求。

6 试验结果分析

本文介绍的控制算法, 已应用于上海航天控制技术研究所某卫星型号半物理仿真试验, 转台控制软件界面如图6所示, 陀螺输出卫星姿态角速度, 动力学仿真输出卫星姿态角速度等试验曲线如图7~图10所示。可见, 陀螺测量得到卫星姿态角速度与动力学仿真输出一致, 说明应用该控制算法, 转台系统能够精准模拟卫星的姿态运动。

7 结论

本文详细介绍了转台在卫星控制系统半物理仿真中应用的具体实现方法, 该方法具有软件易实现、不存在矩阵求逆等矩阵运算、节省软件运行时间、提高控制实时性的优点。另外, 扣除地速影响后, 大大提高了转台模拟卫星运动的准确度, 能够适用于高稳定度卫星的姿态运动仿真。目前该方法已经在多个卫星型号的半物理仿真中得到成功应用, 对于其它环境下的半物理仿真应用也具有极大的借鉴意义。

参考文献

[1]刘良栋, 刘慎钊, 孙承启.卫星控制系统仿真技术[M].宇航出版社, 2013.12

[2]章仁为.卫星姿态动力学与控制[M].北京航空航天大学出版社, 1998

[3]刘慎钊.卫星控制系统仿真[M].系统仿真学报, 1995

转台控制系统的概述篇7

随着生产发展的需要,大型回转工作台越来越广泛地运用到铣削加工,一些大型复杂型面零件如螺旋桨的铣削加工往往需要大型回转工作台参与数控联动。因此对大型转台的运动控制提出了更高的要求:1)要求能实现正反转;2)能频繁地启动与停止;3)能实现精确的位置控制并作为插补轴进行联动控制。

而大型转台的机电传动控制中却存在着诸多的非线性环节,这是因为:1)大型转台的驱动齿轮无法进行精加工,而高达几千的减速比需要多级减速才能实现,这必然会造成较大的传动间隙和传动误差。这样,当主齿轮改变方向时,从齿轮(转台驱动齿轮)保持原位不动,直到间隙消除后才改变方向,如图1a所示;2)大型转台的体积大、重量沉,存在很大的静摩擦力,导致转台从静止需要很大的力矩才能克服静摩擦力运动起来,如图1b所示。

大型转台传动过程中的非线性环节将对系统的静态特性和动态特性产生很大的影响,如间隙特性将使系统的相位滞后增大,并降低系统的稳定性;死区特性会使转台运动的静态误差增大,造成低速运动的不平滑性,导致低速爬行。因此,必须采取措施,克服传动非线性环节的影响,实现大型转台的精密运动控制。

2 基于双电机驱动消除间隙的控制模型

大型转台的机械传动链长而复杂,中间存在间隙的环节众多,而传动间隙会导致系统运动的非线性,因此为确保转台在不同运转情况下的运动精度和平稳性,使之具有良好的动态响应特性和小的静态误差,迫切需要消除传动间隙所导致系统的非线性。

双电机联动驱动是一种新颖可靠的机电传动方式,可以稳定可靠地消除间隙,保证无间隙传动,在控制器合理设计的情况下可使系统响应的快速性、平稳性和静态精度等方面均优于传统的液压驱动系统和单电机驱动系统,系统的传动精度得到了大幅提升。双电机驱动工作台结构图如图2所示。其中,1,9,10为伺服系统,2为大齿轮,3为工作台,4为全闭环位置反馈,5,7为伺服电机,6,8为齿轮。

图3是双电机驱动工作台示意图。当工作台顺时针运动时|T1|>|T2|,逆时针运动时|T1|<|T2|。

两伺服驱动器均工作于转矩工作方式,假设转台的负载力矩为T,ΔT为预紧力矩,T1,T2分别是齿轮1,2的转矩,如果能建立式(1)的转矩关系,则能有效消除工作台齿轮间隙的影响。

${\begin{cases} Τ_{1} = Τ + Δ Τ / 2 \\ Τ_{2} = Τ - Δ Τ / 2 \end{cases} (1)$

这里,假定力矩的正方向为逆时针,并且ΔT>0,有以下关系成立。

工作台顺时针运动时,T>0,T1>T2>0,齿轮1带动工作台转动,齿轮2与工作台之间有一个反向力矩-ΔT/2,可消除间隙。

工作台逆时针运动时,T<0,T1<T2<0,齿轮2带动工作台转动,齿轮1与工作台之间有一个反向力矩ΔT/2,可消除间隙。

工作台静止时,两电机输出大小相等,方向相反的力矩。

从图3中可以看出,无论是正转、反转还是静止,驱动齿轮1,2与工作台大齿轮的接触点不变,始终保持单边接触,这样就消除了间隙。需要注意的是,运动时每个方向只有一个小齿轮带动大齿轮转动,而另一小齿轮以同步速度来消除间隙,因此,两齿轮合成作用在大齿轮上的力矩为T,而不是2T。

按照上述双电机的驱动方式,齿轮间隙的非线性转化为双电机力矩的线性控制,如图4所示。

2个驱动齿轮和工作台的动力学方程为

${\begin{cases} J_{1} θ^{'}_{1} + b_{1} θ_{1} = Τ + Δ Τ / 2 \\ J_{2} θ^{'}_{2} + b_{2} θ_{2} = Τ - Δ Τ / 2 \\ J θ^{'} + b θ = Τ \end{cases} (2)$

式中:J1,J2,J,b1,b2,b,θ1,θ2,θ分别是小齿轮1,2和大齿轮的转动惯量、等效粘性摩擦系数和转角。

由于双电机驱动系统比单电机驱动系统在结构上、控制上复杂了许多,不仅要考虑每个电机的运行特性,更重要的是考虑2个电机联动时的情况,整个消隙系统在伺服运行过程中,需要对2台电机进行联动控制,使各级齿轮始终保持单面贴合,从而精确地传递力矩、速度和位移。

3 双电机预置力矩消除间隙

从式(1)可以看出:要消除齿轮运动间隙,必须预置力矩。其基本思路为:通过控制参数设置预置力矩值,对该值进行数字信号处理产生一个偏置信号(如图5所示),加载到速度控制器1,然后通过两套伺服驱动的调节使两电机分别输出式(1)所示的力矩,这样可以使2个电机按图4所示的力矩控制曲线进行控制。

预置力矩可以去除机械传动链中的传动间隙,使整个传动链绷紧,从而使2个减速器的输出小齿轮分别贴紧主齿轮的前、后齿面,使主齿轮不能在齿轮间隙中来回摆动,达到消除齿隙的目的,避免主齿轮换向时候的空回,消除空程误差。电机运行的时候添加的预置力矩大小约为电机额定输出力矩的10%～30%,值太小则无法完全消除齿隙,太大则消耗电机功率。

预置力矩的存在,使得系统不论是在静止、启动还是运行过程中,2个电机都会通过传动系统对工作台施加不为零的转矩,在此力矩的作用下,工作台的正反转运动中就不可能存在间隙,从而将一个存在严重齿隙的非线性系统改造成了一个近似的线性系统。为进一步实现高性能,速度闭环创造十分有利的条件。

4 双电机驱动单元的速度平衡控制

大型旋转工作台参与数控联动,需要对其进行精确的速度控制与位置控制,并能随时进行正反向切换。同时由于电机、功率放大器难以完全一致,给定相同的速度也可能导致两电机的转速不一致,产生差速振荡。

下面考虑两种阶跃、两种正弦信号输入的情况,系统的响应如图6所示。

由图6的转速差曲线可见,不进行速度平衡控制时,两组电机跟踪阶跃与正弦信号的速度差是很大的。下面对此分析:一般采用PI调节器进行速度调节,对每个速度环,考虑负载扰动时的伺服系统的简化框图见图7。其中,Kpv为速度控制器比例增益;Tv为速度控制器积分时间常数。

那么由负载扰动引起的转速变化可写为

$Δ ω_{n} = \frac{s}{J (s^{2} + \frac{Κ_{p^{2}}}{J} s + \frac{Κ_{p^{2}}}{J Τ_{Ι}})} Τ_{L} (3)$

从式(3)可以看出,2个速度环负载不一样,引起的转速变化也不一样,并且由于2个速度环的比例增益和积分常数也不可能完全一致,因此会造成较大的转速差。

为了消除双电机驱动引起的转速差,保持两驱动单元的速度同步,根据反馈控制理论:在恒值给定的情况下,要维持某个物理量基本不变,需要引入该量的负反馈。因此,此处引入速度平衡调节器,对2个电机的速度及力矩进行耦合控制(如图8所示),速度平衡控制器的输入除了预置力矩参数之外,还引入了2个速度调节器的输出之差,实现差速反馈;速度平衡控制器的输出加载到速度调节器1上。由于工作台在铣削加工时的旋转速度非常低,从两电机的码盘而不是工作台的圆盘光栅读取速度反馈可以提高系统的低速平稳性。

引入速度平衡调节器后,输入2种阶跃、2种正弦信号时的系统响应如图9所示。

图9中可以看到速度平衡调节器的引入可以迅速减小双电机的转速差,使双电机达到很好的动态同步效果。说明本方案能够有效地消除由齿隙引起的干扰,使双电机系统在正反转过程中始终保持稳定运行,并取得较好的控制效果。

5 双电机驱动工作台位置控制

由于大型转台的控制环节复杂,从位置控制器到最终驱动转台既包括复杂的电气控制环节,又包括复杂的机械传动环节,这样不仅在齿轮传动中存在非线性环节,诸如静摩擦力矩、死区等特性也会产生非线性环节。因此,除进行预置力矩、速度平衡控制外,还需在整个位置环进行精密控制。

为了证实非线性扰动的影响,低速下进行系统性能测试,将1.5sin(πt)加载到速度输入给定,系统的响应曲线如图10所示。

从图10可以看出,在低速给定时,速度跟踪存在“死区”现象,原因是:1)数控转台在正反向运行过程中,受到了摩擦力矩和机床切削时传递的切削力矩等因素的扰动;2)转台换向时,拖动电机从一个电机切换到另一个电机,中间既存在电气延迟,也存在机械传动的延迟。

因此,系统在位置环设计时,除了普通的位置偏差PID控制外,需要再加入摩擦前馈、速度前馈和加速度前馈以克服上述“死区”现象,其控制结构如图11所示。位置反馈来自于旋转工作台的圆光栅,其输出作为速度环的输入,也就是双速度环的速度给定。图11中,Kp,Ki,Kd分别是比例、积分和微分增益,Kvff为速度前馈增益,Kaff为加速度前馈增益。

参数整定好后,将5sin(πt/2)正弦信号作为给定输入,得到响应曲线见图12。

由图12所示的正弦响应可以看出,系统能够很好地跟踪正弦输入信号,因惯性和摩擦力扰动的影响在响应上略有滞后。系统具有良好的加速度特性,能够适应于加工时的变速进给要求。

6 结论

本文研究的双电机驱动及其控制方法,能有效克服大型转台机电传动控制中的非线性影响,实现转台的精密运动控制,其研究成果已经成功用于大型螺旋桨车铣复合加工机床中转台的运动控制,转台直径为9 m,转速范围从0.001～2r/min连续可调,并且无爬行。

摘要：从大型转台的基本控制需求出发,分析了大型转台传动过程中的非线性环节对转台运动的影响,建立了双电机驱动转台以消除间隙的动力学模型,研究了大型转台的基本控制结构及精密控制算法,设计了预置力矩、速度平衡控制器、位置控制器,消除了间隙和死区等非线性环节的影响,达到了双电机驱动的转速同步。研究过程中对系统的阶跃响应、正弦响应、负载扰动响应等进行了试验分析,最终实现了大型转台的精确位置控制,并已得到实际应用。

关键词：大型转台,非线性,双电机同步驱动,预置力矩

参考文献

[1]陈庆伟,郭毓,胡维礼,等.多电机同步联动系统的动力学分析与建模[J].东南大学学报,2004,34(增):135-140.

[2]忽麦玲,张光辉,卫平,等.双电机驱动伺服系统的建模与分析[J].火炮发射与控制学报,2008,2(6):93-96.

[3]刘福才.多级电机传动系统同步控制理论与应用研究[J].控制工程,2002,9(4):87-89.

转台控制系统的概述篇8

天线伺服转台 (下简称:转台) 是雷达系统中的一个重要组成部分。无论是地面、车载、机载、舰载、甚至弹载等平台的机械扫描式雷达探测系统中, 高精度伺服转台的设计都是整个系统可靠、有效工作的一个重要保证, 其主要任务是:驱动天线以要求的转速在设定的角度范围实现对关注空域的连续扫描和目标搜索, 并对锁定目标进行精确定位或跟踪[1]。雷达天线转台属于一个典型的机电一体化系统, 其基本组成如图1所示。

本文集中于伺服控制器的硬件和软件设计。设计了一套基于MCU+EPLD的雷达天线转台伺服控制系统, 以高速单片机作为主控制器, 以可编程逻辑器件EPLD通过硬件编程的方式构建各种外围接口电路[2,3], 系统设计思路明晰、电路组成简洁、集成度高、软件编程灵活, 功能可扩展性好, 具有较高的性价比和推广意义。

1 设计要求

根据系统的总体功能与技战术指标, 要求转台: (1) 带负载 (天线) , 转速在0~30 r/min±10%范围内连续可调; (2) 转速不稳定性≤2%; (3) 定时上报转台角位置, 角度最小量化单位≤0.05°; (4) 接收上位机指令, 实现定位或随动控制, 位置控制精度≤0.2°。

输入输出接口: (1) 与上位机之间以RS422串口通讯, 接收上位机下发的控制指令; (2) 以差分串行方式定时上报转台实时角位置和转速等; (3) 具有手动控制功能, 方便系统调试与检修。

2 硬件电路设计

本文选择以MCU+EPLD为核心组成伺服控制器硬件电路, 并设计了基于AD2S99和AD2S80的旋变励磁与RDC (旋变数字变换器) 解码电路[4,5]。系统硬件电路原理框图如图2所示, 在设计中贯彻“通用化、模块化”的原则, 按照硬件电路功能划分为五个模块: (1) MCU及其接口电路; (2) EPLD及外部输入输出接口电路; (3) 旋变励磁及RDC解码电路; (4) 差分输出驱动电路; (5) 显控终端接口电路等。

2.1 MCU主控电路

以MCU为主控器件, 主要完成各种运动控制算法、与上位机进行串口通讯, 以及与EPLD之间的并行总线通讯, 包括:电机运动控制量、转台当前角位置、角速度、工作状态与故障报警, 以及外部以中断形式输入的手动控制、故障急停等信号。

选择Silicon LAB公司C8051F340单片机, 它是一款完全集成的混合信号片上系统型芯片, 采用高性能的静态80C51设计, 可在系统 (ISP) 编程。具有丰富的软硬件资源: (1) 自带64 k B的FLASH和4 k B的片内RAM; (2) 有40个I/O口, 各I/O功能可通过内部数字交叉开关进行灵活配置; (3) 内部48 MHz的系统频率, 指令速度可达48MIPS; (4) 具有SPI、I2C和2个UART接口; (5) 内部具有4个定时器, 可实现电机的PWM控制及软件定时; (6) 芯片采用48引脚TQF封装, 体积小、功耗低、抗干扰性强, 可很好满足系统的设计要求。

2.2 EPLD接口电路

利用EPLD能够通过硬件编程实现电路逻辑功能与时序定义的特点, 来设计外部数字接口电路, 可提高系统的设计灵活性, 简化系统硬件组成。本设计中由EPLD构建: (1) 16位并行数据总线接口, 与MCU进行数据通讯, 并读取旋变RDC的并行输出数据; (2) PWM信号输出接口; (3) 系统状态与自检信号输入接口; (4) 外部急停、调试等输入信号接口。

选择ALTERA公司的低功耗EPF10K50RI240型芯片, 它内含多达116 000个门电路单元, 等效2 880个可编程逻辑单元 (LE) , 20480B的用户RAM存储器, 最大用户可用I/0数为189, 完全可满足转台伺服系统设计的资源要求, 另外, 该型EPLD采用单电源5VDC供电, 与MCU之间电平完全匹配。

2.3 旋变接口电路

旋变是一种结构类似于电机的旋转测角器件, 它是应用电磁感应原理来进行角位置检测的。通过在定子端加入一定频率的正弦励磁信号, 当转子转动时, 可在转子端感应输出频率相同, 而幅值随转角做正余弦变化的两相正交模拟量, 通过RDC转换, 即可把该模拟量变换为对应的角度数据[5]。由于其环境 (振动、湿热、高低温等) 适应性强, 被广泛应用于各种军、民用工程的伺服系统中作为测角器件。本文选择上海赢双电机厂的YSXX系列无刷旋变, 其应用接口电路包括:励磁电路和解码RDC电路。

励磁电路:根据所选旋变的电气参数要求, 定子端输入峰值电压2 V、频率2 k Hz的正弦信号;解码电路:对转子端输出的正弦模拟量进行AD转换, 得到16位并行二进制编码角度数据。励磁和解码电路如图3所示。

3 软件设计

天线转台主要有位置控制和速度控制两种工作模式, 采用模块化编程方法, 系统程序分为以下几个功能模块:

(1) 串口通讯程序:接收上位机下达的各种控制指令, 上传转台的角位置、转速、工作状态, 及故障自检信息等;

(2) 旋变RDC接口程序:在EPLD中完成, 接受RDC输出的16位转台实时角度编码数据, 以总线方式提供给MCU, 作为控制环路的反馈输入;

(3) 速度环路控制子程序:实现转台转速的连续可调;

(4) 位置控制子程序:根据目标角位置, 实现转台的精确定位或随动控制;

(5) 系统故障自检程序:检测系统各组件的工作状态。

4 结束语

本文设计, 已成功应用于我厂某雷达天线转台伺服系统中, 系统工作可靠、性能稳定、各项功能指标满足系统总体设计要求。文中基于MCU+EPLD的硬件架构设计、旋变励磁解码接口电路设计, 以及软件的模块化设计方法, 也可作为一种通用的设计参考, 在其他各种伺服系统工程设计中推广应用。

参考文献

[1]尹文禄, 柴舜连, 毛鈞杰.天线转台控制系统[J].电子测量技术, 2005 (3) :82-84.