基于DSP的光電搜跟設備伺服機構控制器研究

3 軟件設計

3.1 工作流程

　　DSP控制器編輯軟件采用TI公司的CCS3.3，采用C語言編輯。系統軟件控制流程如圖6所示。

　　(1)初始化

　　初始化包含DSP初始上電、CPLD的上電，其中，DSP在上電后，系統會將FLASH中的程序讀入到DSP的RAM中，在將程序載入后，DSP會從RAM的起始位置開始執行程序，系統會配置DSP內部的資源，包括系統時鐘、GPIO端口、SCI串口、ENCODE的讀入端口、中斷資源配置、輸出端口控制。在初始化的程序中還包括與轉臺相關控制所需變量的初始化。

　　(2)控制器加載

　　控制器加載包括系統相關控制參數，如各個環路的放大倍數、積分網絡的參數、微分網絡的參數等，加載到控制器中，使系統接收到使能信號后進入閉環。

　　(3)系統自檢

　　系統自檢的過程包括轉臺俯仰軸與方位軸進入閉環控制。系統進一步會以5°/s的速度順時針方向運動，當系統在接收到碼盤零位的脈沖信號時，轉臺會停止在當前位置，并向上位機告知自檢完好。如果DSP發現在規定的時間內系統沒有運動，就會向上位機報錯。

　　(4)各種運動

　　通常情況下，運動控制器會提供給使用方各種運動方案選擇，如定位定速、速率模式還有掃頻模式、階躍模式等。掃頻模式是用來測試被控對象的動態特性。

　　(5)控制器卸載

　　控制器卸載的過程與控制器加載的過程恰好相反。控制器在卸載后，轉臺將不再處于閉環狀態，如果系統需要閉環就必須重新進行控制器加載。

3.2 伺服機構控制算法設計

　　為滿足伺服機構靜態及動態指標，控制器需要采用一定的控制算法對伺服機構進行閉環控制。隨著計算機性能不斷提升，諸如神經網絡、遺傳算法等智能控制算法在工業中得到了廣泛應用，其控制精度、收斂速度等方面傳統控制算法具有一定的優勢。但在實時控制方面，由于算法的復雜性使得實時性很難得到保證，而傳統的PID算法以其結構簡單、易實現、魯棒性高等優點，結合前饋網絡等經典校正網絡，在電機控制領域有著廣泛的應用^[2]。

　　數字PID控制算法的計算公式為：

(1)

　　式中k為采樣序號，分別為比例、積分、微分系數。

　　在對被控對象進行比例控制時，實際上是進行偏差控制，比例的參數越大，在同樣的輸入與反饋的偏差下，輸出值就越大，對于系統的糾偏效果就越好，但是如果比例參數超出一定的范圍，系統就會產生振蕩。在對被控對象進行積分控制時，主要是考慮系統在到達穩態后，系統會存在一個穩態誤差，積分調機器是通過將每個控制誤差進行累加，會隨時間的增加而增大，且作用的頻帶一般為低頻段，所以也不會引起系統的振蕩，可以提高系統的精度。在對被控對象進行微分控制時，通過微分控制器增大系統的阻尼，使階躍響應的超調量下降，調節時間縮短，且不影響常值穩態誤差及系統的自然頻率。由于采用微分控制后，允許較高的開環增益，因而在保證一定的動態性能條件下，可以減小穩態誤差。微分作用反映系統偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，能夠提前產生抑制作用，在誤差還沒有產生之前消除^[3]。圖7是在本設計中采用的PID控制系統原理框圖，系統采用雙閉環PID控制。外回路是位置環，控制系統的主回路，可以減小系統的穩態誤差;內環為速度環，控制系統的輔助回路，其主要任務是抑制干擾，改善系統的動態性能。

4 系統實現

　　光電搜跟設備及DSP控制器硬件實物如圖8所示。系統采用模塊化設計，方便調試和系統維修，同時，充分考慮外場測試時車載運輸及惡劣天氣的影響，采用防震、防潮設計，提高系統的可靠性。

　　對光電搜跟設備偏航軸施加頻率為0~15Hz、峰峰值為1°的正弦掃頻信號，控制器將方位軸位置信息上傳至管理計算機。圖9與圖10是方位軸實際的幅頻與相頻特性圖。從圖中可以看出系統在12Hz時，幅頻的超調不超過0.5dB，相頻也低于10°，滿足系統的雙十指標，系統的超調和延時都很小，具有良好的跟蹤性能。

5 結論

　　本文設計了基于DSP的光電搜跟設備伺服機構控制器，采用TMS320F28346核心控制芯片，配置高性能結構模塊，控制系統結構簡單，性能可靠。通過合理優化軟件流程，并對控制系統實施雙回路閉環控制，使得系統具備良好的靜態和動態性能，并能夠為穩定的跟蹤目標提供足夠的帶寬，系統具有良好的跟蹤性能，為外場動態目標的觀測和測試提供便捷和保障。

　　參考文獻：

　　[1]馬東璽.光電搜跟系統模式切換特性及控制研究[D].國防科學技術大學,2011.

　　[2]閔斌.液壓位置轉臺控制系統的數字校正[J].航天控制,1999(3):51-57.

　　[3]胡壽松.自動控制原理[M].2013,北京:科學出版社,2008.

本文來源于《電子產品世界》2017年第5期第61頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。