基于DSP的機載光電穩瞄穩定環路數字控制實現

　　機載光電穩瞄產品大量裝備于各種類型飛機上，其核心是陀螺穩定平臺，主要作用在于隔離載體的角擾動，使安裝在載體上的光學傳感器的視軸在慣性空間內保持穩定，使光學傳感器得到清晰的圖像。穩定控制最直觀的方法是將光學傳感器系統安裝在減震裝置上，減振器可以隔離載體的高頻低振幅振動，但是減振后的低頻振動仍然會對視軸產生擾動。因此，這種被動隔離的方法常與主動隔離的方法混合使用。主動隔離的方法有：整體穩定、齒輪傳動穩定、光學穩定、電子學穩定和動量輪穩定[1]。

　　機載光電穩瞄穩定控制算法除了經典控制還有各種先進的控制算法，如：最優控制、變結構控制、神經網絡及模糊控制等。從目前的文獻資料來看，這些先進的算法大都限于仿真研究，實際用于產品的報道很少。目前，機載光電穩瞄產品以經典控制模擬電路實現為主。

　　模擬控制的實現依賴于集成電路和分離元件，設備間的信號傳遞均采用模擬量，導致控制器元件眾多、結構復雜、體積龐大，同時在模擬電路的硬件基礎上，要想實現各種復雜的現代控制方法幾乎是不可能的。數字控制系統以程序代替硬件，有利于減小電路的體積，降低成本，在信號處理、算法實現上具有模擬控制無可替代的優勢。數字控制是整個伺服控制領域的發展趨勢。隨著科學技術的發展，對機載光電穩瞄的穩定精度、動態品質的要求越來越高。因此，必須采用先進的數字控制技術，運用現代控制算法，設計出高性能的陀螺穩定平臺控制系統，以滿足實際系統的要求。

2、機載光電穩瞄系統工作原理

　　系統的控制環路如圖1所示，系統包含三個環路，內部為電流環，電流環控制流過電樞的電流盡可能嚴格跟隨電流指令，改善電流跟隨電壓的動態特性，包括超調和調節時間等，抑制電子噪聲和反電勢等的影響。中間為速度環，即穩定環。穩定環是光電穩瞄系統的關鍵，光電探測器的機（船、車）載應用直接受伺服系統穩定環性能的影響[2]。穩定環采用速率陀螺作為慣性敏感元件，檢測光電穩定平臺方位和俯仰軸角速度，與速度命令信號形成誤差電壓，該誤差電壓通過穩定控制器在直流電機軸上產生穩定力矩，從而實現光電穩定平臺抑制擾動、保持在慣性空間相對穩定。外部為位置環，通過比較輸入信號與反饋信號產生控制偏差，借助位置控制器校正補償輸出到穩定環對光電穩瞄實施控制。在目前的穩瞄產品中，三個環路的控制器除了位置環控制器為數字控制器，穩定環控制器和電流環控制器均為模擬控制器。本文研究的目的是將穩定環用數字控制方式實現。

圖1 光電穩定平臺控制系統環路

3、控制系統建模與設計

　　建立數學模型

　　從前面的分析可知，穩定環路控制的對象為包括穩瞄轉塔的電流閉環，對電流閉環分析如下：

　　PWM驅動模型如圖2所示。本系統中采用的是雙極性四橋式PWM驅動，其傳遞函數可以寫為：

（1）

　　當PWM開關頻率較高，并且系統的截止頻率

圖2 PWM驅動模型

　　時，上式可以簡化為：
（2）

　　其中kPMW= 電源電壓/三角波電壓；T為PWM開關周期。

　　一般來說Ｔ非常小，可以忽略延遲環節。

　　電機模型

　　電機選用的是永磁直流力矩電機，系統采用的是電壓調速。由此可以得到電機的模型：

　　　 （3）

　　其中R為電機繞組電阻，L為電機繞組電感，U2表示調制電壓輸入，I表示流過電機繞組的電流，E為電機繞組反電勢，J為負載轉動慣量，M為電機輸出力矩，ω為電機轉速（即負載轉速），Ce和Cm分別為電機的反電勢常數和力矩常數。

　　這樣可以得到整個電流環閉環結構形式如圖3所示，圖中Md為干擾力矩。

圖3 電流環反饋框圖

　　根據實際電路計算，得到電流環控制器為：

，其中 （4）
3.1 控制器設計

　　光電穩瞄一般為兩軸或三軸陀螺穩定平臺，各個軸從控制系統的構成來講，具有相似結構。兩軸平臺包括方位軸和俯仰軸，這里以方位軸為例進行控制器設計。
光電穩瞄系統所用陀螺為速率陀螺，從陀螺的資料手冊上查得的陀螺數學模型[3]為：

（5）

　　式中:kg=10，ω=100Hz，ξ=0.707。

　　根據前面的分析建立經典控制系統Simulink仿真模型如圖4所示。

圖4 經典控制系統Simulink仿真模型

　　利用Simulink中的線性化工具將對象線性化，其結果作為sisotool控制器設計的基礎，從sisotool工具箱中設計控制器：

（6）

　　設計后系統根軌跡和開環頻率特性結果如圖5所示。

圖5 sisotool工具箱設計的控制器

　　從圖中可以看出系統幅值裕度為12.4dB，相角裕度為51.6º。

3.2 控制系統仿真

　　將設計的控制器加入系統Simulink仿真模型得到系統階躍響應結果如圖6所示，頻率特性如圖7所示。

　　從圖6中可以看出，超調量為24.4%，調節時間約為115ms。從圖7仿真頻率特性可以看出，系統的帶寬約為25Hz。

圖6 階躍響應仿真結果

圖7 仿真頻率特性

4、數字控制硬件平臺

　　數字控制硬件結構如圖8所示。系統包括DSP芯片、A/D電路、D/A電路和信號調理電路。硬件平臺核心器件是TMS320F2812數字信號處理芯片。TMS320F2812的最高運行頻率可達150MHz，片上存儲器最多達128K×16位的Flash存儲器，最多達128K×16位的ROM，1K×16位的OPT ROM，兩塊4K×16位的單周期訪問RAM，一塊8K×16位的單周期訪問RAM，兩塊1K×16位的單周期訪問RAM[4]。由于TMS320F2812片內RAM資源有限，系統中外擴了一片512K的RAM芯片。

圖8 數字控制硬件結構框圖

　　陀螺輸出的電壓經信號調理電路后進入A/D芯片，TMS320F2812從A/D芯片讀入轉換的電壓數據，經算法計算后，DSP芯片將輸出的值送入D/A芯片輸出電壓，輸出的電壓經電壓跟隨提高驅動能力后進入電機驅動電路，由力矩電機驅動陀螺穩定平臺。

　　A/D轉換芯片采用AnalogDevices公司的16位6通道模數轉換芯片AD7656。此芯片輸入電壓范圍為-10V～+10V。

　　陀螺輸出信號要經過遠距離傳輸，為了降低陀螺信號的噪聲，穩瞄系統中采用差分形式傳輸陀螺輸出信號。本設計中模數轉換芯片AD7656為單端輸入方式，因此需要將陀螺輸出的差分信號轉換成單端信號。轉換電路采用AnalogDevices公司的AD620儀表放大器芯片，該芯片的1腳和8腳之間接的電阻 決定其放大倍數，放大倍數計算公式如下：

（7）

　　由式7可知，當電阻 為無窮大時放大倍數 ，本設計中選擇放大倍數為1。

　　D/A轉換芯片采用AnalogDevices公司的12位4通道數模轉換芯片DAC8412，輸出電壓范圍為-10V～+10V，輸出的通道由DSP的地址低兩位A1和A0選擇。DAC8412芯片的±10V輸入參考電壓由AD688芯片產生。

5、試驗與分析

a) 通道精度測試

1) A/D電路精度測試

　　用標準電壓源測試A/D電路的采樣精度，測試結果如圖9所示。圖中橫軸為輸入到A/D電路的標準電壓源電壓值，縱軸為AD7656芯片轉換出的數據，圖中黑點為實際測試的數據點，直線為理想狀態下的A/D電路采樣曲線。

　　可以看出，測試的數據點基本上位于理想A/D電路采樣曲線上，為此算法中不需要對A/D電路采樣的數據進行補償。

圖9 A/D電路精度測試結果

2) D/A電路精度測試

　　通過輸出標定值來標定D/A電路的輸出精度，測試結果如圖10所示。圖中橫軸為DAC8412要輸出的標定電壓值數據，縱軸為D/A電路實際輸出的電壓值，圖中黑點為實際測試的數據點，直線為理想狀態下的D/A電路輸出曲線。

　　可以看出，測試的數據點基本上位于理想D/A電路輸出曲線上，為此算法中不需要對D/A電路輸出的電壓值進行補償。

b) 伺服周期的設定

　　采樣周期是數字控制系統的一個非常重要的指標，高性能伺服控制系統一般采樣率不小于1KHz，為此要測量算法運行所需的時間，確保其在伺服周期內完成。

圖10 D/A電路精度測試結果

　　利用DSP的IO口，在算法運行之前置IO口為低電平，算法運行之后置IO口為高電平，從示波器測量出低電平的時間即為算法運行所需時間，測試結果如圖11所示。可以看出算法運行所需時間為55 ，滿足一般高精度數字控制系統的控制頻率為1kHz要求。本設計中設定采樣周期1ms。

圖11 算法運行所需時間測試結果

c) 控制系統動態測試

1) 階躍響應

　　為系統加入階躍信號，用示波器測量得到階躍響應曲線如圖12所示。圖中上方的曲線為給定階躍信號曲線，下方的曲線為系統的響應曲線。可以看出，上升時間約為20ms，峰值時間約為40ms，調節時間約為100ms，超調量約為37%。

圖12 系統階躍響應曲線

2) 系統頻率特性

　　經掃頻得到系統的閉環特性曲線如圖13所示。從圖13可以看出，系統帶寬約為17Hz。

6、結論

　　穩定環路是光電穩瞄系統的關鍵，影響到光電穩瞄的穩定性能。論文設計的控制器可以滿足光電穩瞄的應用需求，搭建的數字控制硬件平臺為在機載光電穩瞄控制中實現復雜的算法建立了實現平臺。從仿真和試驗的結果可以看出，數字控制實現機載光電穩瞄穩定控制設計簡單且可靠，系統穩定性能和動態品質較好。數字控制在機載光電穩瞄穩定環路控制中得到了成功應用，系統穩定控制器的設計和調試變得簡單、靈活、高效。論文也為其它復雜算法在機載光電穩瞄中應用打下了基礎。

圖13 系統的閉環特性曲線