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摘要：本文介紹了基于TMS320F2812三軸跟蹤轉臺伺服控制系統的設計與實現。采用“交流伺服電機+減速器”代替轉臺傳統的直流力矩電機直接驅動負載的方式；運用DSP和CAN總線技術；利用上、下位機協同控制的方法，使系統能夠滿足超低速、寬調速、高精度、高可靠性的要求。
關鍵詞：三軸跟蹤轉臺；TMS320F2812；硬件設計；軟件設計
0 引言
目前國內外的轉臺大多應用于慣性導航領域以及飛行姿態仿真系統。而機動目標跟蹤也已經越來越為人們所重視，在現代化技術中，尤其是在國防技術中，有著舉足輕重的作用。我國從六七十年代開始就開始自行研制三軸液壓轉臺，到80年代開始出現電液伺服控制系統轉臺和伺服電機控制系統轉臺。轉臺逐步朝著高精密、高準確性的方向發展，而且隨著航天和航空技術的發展，以及車載、艦載對轉臺體積的要求，轉臺也逐漸開始小型化、智能化。
目標跟蹤系統是直瞄武器的“眼睛”，其對機動目標跟蹤的準確度，直接影響到武器系統的射擊命中率。一般跟蹤系統為一個轉臺，跟蹤轉臺在空間沿三個坐標軸的平移量對目標的跟蹤精度影響不大，可以忽略不計。對跟蹤精度影響比較大的是跟蹤轉臺的方位和俯仰兩個自由度。目前我國高炮上裝備的大部分轉臺機構就是只考慮了方位和俯仰兩個自由度。
在自動目標跟蹤系統中，為了能夠識別目標，需要對跟蹤系統傳感器采集到的數據進行圖象識別，如果忽略橫滾向的影響，而采用兩自由度轉臺，會造成采集到的圖像發生扭曲失真，加大圖像處理的難度。而且當車體在地面上行進或者艦船在海上航行時，都會由于路面或海浪而引起橫滾向的偏移。因此為了減小圖像處理的難度，抵消車體或艦船在橫滾向的偏移，在自動跟蹤系統中應該采用三自由度的跟蹤轉臺，即包括方位、俯仰和橫滾三個自由度。
1 三軸跟蹤轉臺系統設計
圖1 三軸轉臺三維效果圖 |
——北京理工大學“211工程”重點建設項目 |
目前國內外絕大部分的電動轉臺均采用直流力矩電機直接驅動負載的方式。這種控制方法的特點是電機的輸出軸不需要加減速器，直接驅動負載，避免了由減速器的回程間隙帶來的誤差，然而它的缺點是，跟蹤速度完全決定于力矩電機穩定轉速范圍，低速性能不佳，當低速跟蹤時會出現“爬行”現象，而且成本較高。本文將采用一種“交流伺服電機+減速器”的驅動方式。由于交流伺服電機技術的發展，現在市場上的交流伺服電機的調速范圍很寬，如松下交流伺服電機，穩定轉速為1轉/分到5000轉/分，如果經過一個速比超過150的減速器減速后，最低跟蹤速度能達到0.04°/s。理論上能使系統的低速性能提高一個數量級。表1為三軸跟蹤轉臺的各軸運動參數技術指標。表1 三軸跟蹤轉臺各軸運動參數技術指標
| 轉動范圍θ（°） | 角速度范圍（°/s） | 最大角加速度εmax(°/s2) | 定位精度（°） | 跟蹤精度（°） |
方位向 | ±120 | 0.04~60 | 80 | ±0.001 | ±0.1 |
俯仰向 | -20~+90 | 0.04~80 | 200 | ±0.001 | ±0.1 |
橫滾向 | ±30 | 0.04~80 | 200 | ±0.001 | ±0.1 |
圖1為三軸跟蹤轉臺的三維效果圖，圖示位置為平衡位置，轉臺總體尺寸約為Φ700mm*650mm。負載為CCD圖像傳感器及鏡頭，重量約5kg。底座為圓盤形，留有固定螺栓孔，方便安裝。三軸跟蹤轉臺為UUT結構，外框為音叉結構，完成方位向旋轉運動，由安裝在底座的方位向電機控制；中框為U型架，通過軸承支撐在外框之間，完成俯仰向旋轉運動，由安裝在外框一側的俯仰向電機控制；橫滾軸通過中框中心，CCD攝像頭安裝在支撐平板上，平板固定在通過法蘭固定在橫滾軸上，由橫滾向電機控制。CCD鏡頭的中心線與橫滾軸的軸線重合。橫滾軸、俯仰軸、方位軸的軸線延長線交于一點，這樣就避免會出現耦合現象。這種結構的特點是，CCD平臺的前方沒有遮擋，視野開闊，拆裝方便。
2 三軸跟蹤轉臺控制器硬件設計
三軸跟蹤轉臺伺服控制系統包括方位、俯仰、橫滾三個獨立的控制回路。究其本質，三軸跟蹤轉臺是一個高精度位置/速度伺服系統。對于驅動元件為電動機的轉臺系統，其本質又為一個電動機的位置或速度閉環系統。圖2是三軸跟蹤轉臺伺服控制系統原理框圖。
圖2 三軸跟蹤轉臺伺服控制系統原理框圖
三軸跟蹤轉臺控制器主要包括監控計算機（上位機）和控制下位機兩個部分。監控計算機主要是在仿真狀態下，解算被機動目標的飛行方程，從而求得圖像傳感器在三維空間的運動軌跡，并將三個空間軌跡作為控制指令實時地通過CAN總線通訊方式發送到三軸跟蹤轉臺的下位機。同時，監控計算機完成轉臺系統的集中監控、綜合管理，主要實現系統實時在線綜合管理、性能檢測、安全保護及監控功能。而控制下位機也將通過角度傳感器采集各軸轉角和位置數據通過CAN總線反饋到監控計算機，通過監控計算機實時顯示各自由度的運動參數以及機動目標運動軌跡。
三軸跟蹤轉臺單軸控制系統是一個典型的電機控制系統，而經典的電機控制系統模型是一個“三環”控制系統，即從內到外一次是電流環、速度環、位置環。電流環和速度環的作用是提高系統的剛度從而抑制系統的非線性及外部擾動，系統的精度依靠位置環來保證。由于交流伺服驅動器已經將電流環和速度環封裝好，因此我們只需要給出速度環的輸入量從而進行位置閉環控制即可。輸出軸由交流伺服電機驅動，經高精度、大速比的減速器減速，由于交流伺服電機的轉速范圍大，使輸出軸能夠實現很寬的調速范圍。減速器輸出端用高精度的雙通道旋轉變壓器采集位移量，經RDC模塊轉換為數字量，再經過控制算法的運算后，由16位精度D/A轉換，輸出至伺服電機驅動器，驅動交流伺服電機運動，從而構成完整的位置閉環系統。
圖3 三軸轉臺單軸伺服控制卡框圖 |
圖3為三軸跟蹤轉臺單軸伺服控制卡的框圖。其主要功能包括：D/A，RDC模塊信號采集，數字量輸入輸出。另外，為了與主控計算機和上位機進行實時通訊，協調其它軸動作，需要進行CAN總線通訊。處理器采用美國德州儀器（TI）專門用于伺服控制領域的32位高性能DSP 處理器TMS320F2812。其主要性能指標包括：（1）處理速度快，主頻高達150MIPS，大部分指令能在6.67ns內完成；（2）內部存儲空間大，片內高達128k字的FLASH程序存儲器，18k字的數據/程序RAM，可擴展達4M字的外部存儲器空間。（3）兩個事件管理模塊EVA和EVB，每個包括：2個32位CPU定時器；3個16位脈寬調制（PWM）通道；三個捕獲單元；特別適合于電機控制。（4）具有三個外部中斷，一個外部中斷擴展（PIE）模塊，可支持多達96個外部中斷；（5）增強型控制器局域網絡CAN2.0B模塊，包含32個均可配置為發送和接收的郵箱，速度高達1Mbps。由于TMS320F2812強大的處理能力和豐富的外設功能，使得控制器的設計變得簡單而又實用。3 三軸跟蹤轉臺控制器軟件設計
三軸跟蹤轉臺控制器軟件設計包括兩個部分：上位機監控軟件和下位機控制軟件，下面從這兩個方面說明上、下位機控制程序流程。上位機具有以下幾個方面的功能：
(1) 為用戶提供友好的操作界面：用戶通過它對實驗臺的運動進行操作，如自檢、運動狀態設置、框架回零、靜態指標測試、動態指標測試、演示運行、仿真運行。
(2) 對轉臺系統的運行情況實時監控：運行中對狀態信號進行在線檢測，對電機、功放等關鍵部件的信號進行實時采集，判斷其工作狀況是否正常，一旦發現故障，及時切斷電源，并發出聲光報警。
(3) 實現軟邏輯控制功能：所有在控制柜上的開關、按鈕所對應的操作，都可以由上位機上的軟件按鈕來替代，即用戶可以通過上位機直接實現邏輯控制。具體操作如：“正轉”、“反轉”、“自動運行”等。
(4) 通過CAN總線與下位機進行通訊，實現數據傳輸及命令設置；接收下位機傳輸過來的位置指令和轉臺的位置響應數據，并實時顯示出來。
控制下位機是轉臺控制系統的直接控制級，構成轉臺方位、俯仰、橫滾三個獨立的伺服控制回路。其功能包括：實現三軸運動的實時控制；采用相應的控制算法，對轉臺系統的運行位置、速度進行控制；將檢測到的系統狀態信號通過CAN總線傳給上位機。
下面以俯仰軸為例，說明下位機的控制程序流程，如圖4所示，在DSP控制主程序中，首先要初始化系統、外設以及PIE中斷向量表，設置CPU時鐘以及初始化定時器時鐘，規定中斷服務程序首地址；然后，等待上位機發送的指令，根據不同的指令類型，判斷進行什么操作，將運算結果再通過CAN總線發送到監控計算機。在定時器中斷服務程序中，如圖5所示，DSP讀取RDC采集到的數據，進行一定的控制算法的運算，如PID控制，然后將控制量通過D/A輸出至交流伺服電機驅動器，形成閉環，控制電機按預定規律運動。
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4 結論本文系統地介紹了基于TMS320F2812的三軸跟蹤轉臺控制器的設計和實現。分析了采用“交流伺服電機+減速器”的控制方式的優點。但由于減速器不可避免存在一定的齒隙，關于減速器的齒隙對于控制精度的影響程度以及如何消除齒隙對控制精度的影響還有待進一步深入的研究。之后，本文詳細闡述了三軸跟蹤轉臺控制器的硬件設計和軟件設計結構。硬件設計上采用DSP技術，由于其強大的運算處理能力和豐富的外設功能，使系統集成化程度和精確性得到提高。在軟件設計上，采用上、下位機協調控制的方案，上位機界面友好、操作簡單；下位機處理速度快，可以運行較為復雜的控制算法，提高系統控制精度。
5 參考文獻
[1] 扈宏杰.基于DSP的飛行仿真轉臺控制系統.北京航空航天大學博士后研究報告. 2004
[2] 扈宏杰，爾聯潔等.基于DSP的飛行仿真轉臺控制系統.電氣傳動.2004年第2期
[3] 劉春芳、吳盛林等. 三軸飛行模擬轉臺的設計及其控制問題的研究.中國慣性技術學報. 2003. 第11卷第1期
[4] 黃令龍、郭陽寬等. 高精密伺服轉臺控制系統的設計. 清華大學學報（自然科學版）. 2004. 第44卷第8期
[5] 劉欽彥、李勇、周兆英等.計算機控制小型三軸飛行模擬轉臺.儀器儀表學報.第22卷第3期增刊.2001年6月
本文創新性地采用一種“交流伺服電機+伺服驅動器”的控制方式對三軸跟蹤轉臺進行控制系統設計，并采用一種高性能的DSP作為其處理器，為該系統實現高精度、超低速、高頻響提供保證。
66821730(技術支持)
