基于DSP三轴跟踪转台伺服控制系统设计

摘要：本文介绍了基于TMS320F2812三轴跟踪转台伺服控制系统的设计与实现。采用“交流伺服电机+减速器”代替转台传统的直流力矩电机直接驱动负载的方式；运用DSP和CAN总线技术；利用上、下位机协同控制的方法，使系统能够满足超低速、宽调速、高精度、高可靠性的要求。
关键词：三轴跟踪转台；TMS320F2812；硬件设计；软件设计

0 引言

目前国内外的转台大多应用于惯性导航领域以及飞行姿态仿真系统。而机动目标跟踪也已经越来越为人们所重视，在现代化技术中，尤其是在国防技术中，有着举足轻重的作用。我国从六七十年代开始就开始自行研制三轴液压转台，到80年代开始出现电液伺服控制系统转台和伺服电机控制系统转台。转台逐步朝着高精密、高准确性的方向发展，而且随着航天和航空技术的发展，以及车载、舰载对转台体积的要求，转台也逐渐开始小型化、智能化。

目标跟踪系统是直瞄武器的“眼睛”，其对机动目标跟踪的准确度，直接影响到武器系统的射击命中率。一般跟踪系统为一个转台，跟踪转台在空间沿三个坐标轴的平移量对目标的跟踪精度影响不大，可以忽略不计。对跟踪精度影响比较大的是跟踪转台的方位和俯仰两个自由度。目前我国高炮上装备的大部分转台机构就是只考虑了方位和俯仰两个自由度。

在自动目标跟踪系统中，为了能够识别目标，需要对跟踪系统传感器采集到的数据进行图象识别，如果忽略横滚向的影响，而采用两自由度转台，会造成采集到的图像发生扭曲失真，加大图像处理的难度。而且当车体在地面上行进或者舰船在海上航行时，都会由于路面或海浪而引起横滚向的偏移。因此为了减小图像处理的难度，抵消车体或舰船在横滚向的偏移，在自动跟踪系统中应该采用三自由度的跟踪转台，即包括方位、俯仰和横滚三个自由度。

1 三轴跟踪转台系统设计

图1 三轴转台三维效果图

——北京理工大学“211工程”重点建设项目

目前国内外绝大部分的电动转台均采用直流力矩电机直接驱动负载的方式。这种控制方法的特点是电机的输出轴不需要加减速器，直接驱动负载，避免了由减速器的回程间隙带来的误差，然而它的缺点是，跟踪速度完全决定于力矩电机稳定转速范围，低速性能不佳，当低速跟踪时会出现“爬行”现象，而且成本较高。本文将采用一种“交流伺服电机+减速器”的驱动方式。由于交流伺服电机技术的发展，现在市场上的交流伺服电机的调速范围很宽，如松下交流伺服电机，稳定转速为1转/分到5000转/分，如果经过一个速比超过150的减速器减速后，最低跟踪速度能达到0.04°/s。理论上能使系统的低速性能提高一个数量级。表1为三轴跟踪转台的各轴运动参数技术指标。

表1 三轴跟踪转台各轴运动参数技术指标

 

图1为三轴跟踪转台的三维效果图，图示位置为平衡位置，转台总体尺寸约为Φ700mm*650mm。负载为CCD图像传感器及镜头，重量约5kg。底座为圆盘形，留有固定螺栓孔，方便安装。三轴跟踪转台为UUT结构，外框为音叉结构，完成方位向旋转运动，由安装在底座的方位向电机控制；中框为U型架，通过轴承支撑在外框之间，完成俯仰向旋转运动，由安装在外框一侧的俯仰向电机控制；横滚轴通过中框中心，CCD摄像头安装在支撑平板上，平板固定在通过法兰固定在横滚轴上，由横滚向电机控制。CCD镜头的中心线与横滚轴的轴线重合。横滚轴、俯仰轴、方位轴的轴线延长线交于一点，这样就避免会出现耦合现象。这种结构的特点是，CCD平台的前方没有遮挡，视野开阔，拆装方便。

2 三轴跟踪转台控制器硬件设计

三轴跟踪转台伺服控制系统包括方位、俯仰、横滚三个独立的控制回路。究其本质，三轴跟踪转台是一个高精度位置/速度伺服系统。对于驱动元件为电动机的转台系统，其本质又为一个电动机的位置或速度闭环系统。图2是三轴跟踪转台伺服控制系统原理框图。

图2 三轴跟踪转台伺服控制系统原理框图

三轴跟踪转台控制器主要包括监控计算机（上位机）和控制下位机两个部分。监控计算机主要是在仿真状态下，解算被机动目标的飞行方程，从而求得图像传感器在三维空间的运动轨迹，并将三个空间轨迹作为控制指令实时地通过CAN总线通讯方式发送到三轴跟踪转台的下位机。同时，监控计算机完成转台系统的集中监控、综合管理，主要实现系统实时在线综合管理、性能检测、安全保护及监控功能。而控制下位机也将通过角度传感器采集各轴转角和位置数据通过CAN总线反馈到监控计算机，通过监控计算机实时显示各自由度的运动参数以及机动目标运动轨迹。

三轴跟踪转台单轴控制系统是一个典型的电机控制系统，而经典的电机控制系统模型是一个“三环”控制系统，即从内到外一次是电流环、速度环、位置环。电流环和速度环的作用是提高系统的刚度从而抑制系统的非线性及外部扰动，系统的精度依靠位置环来保证。由于交流伺服驱动器已经将电流环和速度环封装好，因此我们只需要给出速度环的输入量从而进行位置闭环控制即可。输出轴由交流伺服电机驱动，经高精度、大速比的减速器减速，由于交流伺服电机的转速范围大，使输出轴能够实现很宽的调速范围。减速器输出端用高精度的双通道旋转变压器采集位移量，经RDC模块转换为数字量，再经过控制算法的运算后，由16位精度D/A转换，输出至伺服电机驱动器，驱动交流伺服电机运动，从而构成完整的位置闭环系统。

图3 三轴转台单轴伺服控制卡框图

图3为三轴跟踪转台单轴伺服控制卡的框图。其主要功能包括：D/A，RDC模块信号采集，数字量输入输出。另外，为了与主控计算机和上位机进行实时通讯，协调其它轴动作，需要进行CAN总线通讯。处理器采用美国德州仪器（TI）专门用于伺服控制领域的32位高性能DSP 处理器TMS320F2812。其主要性能指标包括：（1）处理速度快，主频高达150MIPS，大部分指令能在6.67ns内完成；（2）内部存储空间大，片内高达128k字的FLASH程序存储器，18k字的数据/程序RAM，可扩展达4M字的外部存储器空间。（3）两个事件管理模块EVA和EVB，每个包括：2个32位CPU定时器；3个16位脉宽调制（PWM）通道；三个捕获单元；特别适合于电机控制。（4）具有三个外部中断，一个外部中断扩展（PIE）模块，可支持多达96个外部中断；（5）增强型控制器局域网络CAN2.0B模块，包含32个均可配置为发送和接收的邮箱，速度高达1Mbps。由于TMS320F2812强大的处理能力和丰富的外设功能，使得控制器的设计变得简单而又实用。

3 三轴跟踪转台控制器软件设计

三轴跟踪转台控制器软件设计包括两个部分：上位机监控软件和下位机控制软件，下面从这两个方面说明上、下位机控制程序流程。上位机具有以下几个方面的功能：

(1) 为用户提供友好的操作界面：用户通过它对实验台的运动进行操作，如自检、运动状态设置、框架回零、静态指标测试、动态指标测试、演示运行、仿真运行。

(2) 对转台系统的运行情况实时监控：运行中对状态信号进行在线检测，对电机、功放等关键部件的信号进行实时采集，判断其工作状况是否正常，一旦发现故障，及时切断电源，并发出声光报警。

(3) 实现软逻辑控制功能：所有在控制柜上的开关、按钮所对应的操作，都可以由上位机上的软件按钮来替代，即用户可以通过上位机直接实现逻辑控制。具体操作如：“正转”、“反转”、“自动运行”等。

(4) 通过CAN总线与下位机进行通讯，实现数据传输及命令设置；接收下位机传输过来的位置指令和转台的位置响应数据，并实时显示出来。

控制下位机是转台控制系统的直接控制级，构成转台方位、俯仰、横滚三个独立的伺服控制回路。其功能包括：实现三轴运动的实时控制；采用相应的控制算法，对转台系统的运行位置、速度进行控制；将检测到的系统状态信号通过CAN总线传给上位机。

下面以俯仰轴为例，说明下位机的控制程序流程，如图4所示，在DSP控制主程序中，首先要初始化系统、外设以及PIE中断向量表，设置CPU时钟以及初始化定时器时钟，规定中断服务程序首地址；然后，等待上位机发送的指令，根据不同的指令类型，判断进行什么操作，将运算结果再通过CAN总线发送到监控计算机。在定时器中断服务程序中，如图5所示，DSP读取RDC采集到的数据，进行一定的控制算法的运算，如PID控制，然后将控制量通过D/A输出至交流伺服电机驱动器，形成闭环，控制电机按预定规律运动。

图4下位机控制程序流程

图5中断服务程序流程

4 结论

本文系统地介绍了基于TMS320F2812的三轴跟踪转台控制器的设计和实现。分析了采用“交流伺服电机+减速器”的控制方式的优点。但由于减速器不可避免存在一定的齿隙，关于减速器的齿隙对于控制精度的影响程度以及如何消除齿隙对控制精度的影响还有待进一步深入的研究。之后，本文详细阐述了三轴跟踪转台控制器的硬件设计和软件设计结构。硬件设计上采用DSP技术，由于其强大的运算处理能力和丰富的外设功能，使系统集成化程度和精确性得到提高。在软件设计上，采用上、下位机协调控制的方案，上位机界面友好、操作简单；下位机处理速度快，可以运行较为复杂的控制算法，提高系统控制精度。

5 参考文献

[1] 扈宏杰.基于DSP的飞行仿真转台控制系统.北京航空航天大学博士后研究报告. 2004

[2] 扈宏杰，尔联洁等.基于DSP的飞行仿真转台控制系统.电气传动.2004年第2期

[3] 刘春芳、吴盛林等. 三轴飞行模拟转台的设计及其控制问题的研究.中国惯性技术学报. 2003. 第11卷第1期

[4] 黄令龙、郭阳宽等. 高精密伺服转台控制系统的设计. 清华大学学报（自然科学版）. 2004. 第44卷第8期

[5] 刘钦彦、李勇、周兆英等.计算机控制小型三轴飞行模拟转台.仪器仪表学报.第22卷第3期增刊.2001年6月

本文创新性地采用一种“交流伺服电机+伺服驱动器”的控制方式对三轴跟踪转台进行控制系统设计，并采用一种高性能的DSP作为其处理器，为该系统实现高精度、超低速、高频响提供保证。