摘要：為了實(shí)現(xiàn)光電跟瞄平臺(tái)的控制回路功能，通過(guò)分析其系統(tǒng)構(gòu)成以及伺服平臺(tái)控制器進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)的必要性，提出了基于TMS320F28 12的一種全數(shù)字穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了DSP數(shù)字電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作。試驗(yàn)結(jié)果表明該電路較好地滿足了控制回路的需求，控制精度高，運(yùn)算實(shí)時(shí)性好。
關(guān)鍵詞：TMS320F2812；穩(wěn)定平臺(tái)；數(shù)字伺服系統(tǒng)；DSP

0 引言
    穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)由于能隔離載體(戰(zhàn)車(chē)、導(dǎo)彈、飛機(jī)、艦船)的運(yùn)動(dòng)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤，所以在現(xiàn)代武器系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于各種車(chē)載、艦載、機(jī)載和彈載類(lèi)光電成像設(shè)備，要求在載體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中成像清晰。穩(wěn)定平臺(tái)的主要功能是：保證視軸穩(wěn)定，克服載體姿態(tài)變化對(duì)跟蹤系統(tǒng)的影響，同時(shí)要在控制指令的驅(qū)動(dòng)下完成對(duì)目標(biāo)的捕獲和跟蹤。它的成像穩(wěn)定一般有三種方式：機(jī)械穩(wěn)像、光學(xué)穩(wěn)像、電子穩(wěn)像。機(jī)械穩(wěn)像一般有陀螺直接穩(wěn)像和穩(wěn)定平臺(tái)穩(wěn)像兩種。陀螺直接穩(wěn)像通過(guò)將被穩(wěn)定的光學(xué)系統(tǒng)或成像器件安裝到一個(gè)旋轉(zhuǎn)的陀螺上，利用陀螺的自穩(wěn)定特性實(shí)現(xiàn)視軸的穩(wěn)定；穩(wěn)定平臺(tái)穩(wěn)像是將光學(xué)系統(tǒng)及成像器件安裝在一個(gè)裝有慣性傳感器陀螺的平臺(tái)上，形成陀螺穩(wěn)定平臺(tái)。
    通過(guò)對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)數(shù)字控制器進(jìn)行需求分析以及對(duì)硬件性能方面的比較之后，該系統(tǒng)電路的處理器選用TI公司的TMS320F2812。這是一款用于數(shù)字控制處理領(lǐng)域的高性能數(shù)字信號(hào)處理器，最高工作頻率可達(dá)150 MHz，是目前廣泛用于電機(jī)控制領(lǐng)域的32位定點(diǎn)DSP芯片。乘法運(yùn)算是CPU運(yùn)算中最費(fèi)時(shí)的一種運(yùn)算，在處理乘法運(yùn)算方面，F(xiàn)2812的CPU集成了一個(gè)16×16位的硬件乘法器，能夠很方便地進(jìn)行16×16位和32×32位的乘法運(yùn)算。F2812具有數(shù)字信號(hào)處理能力、強(qiáng)大的事件管理能力以及嵌入式控制功能。本文基于TMS320F2812設(shè)計(jì)了一套穩(wěn)定平臺(tái)控制電路。

1 系統(tǒng)組成及描述
    穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)主要由臺(tái)體及控制電路組成。其中臺(tái)體由框架、測(cè)角器、電機(jī)和測(cè)速陀螺組成。穩(wěn)定平臺(tái)根據(jù)使用要求的不同可以由兩軸、三軸及多軸組成，下面著重介紹兩軸穩(wěn)定平臺(tái)的系統(tǒng)組成，如圖1所示。

    圖中：1為方位電機(jī)；2為方位旋轉(zhuǎn)變壓器；3為俯仰旋轉(zhuǎn)變壓器；4為俯仰電機(jī)；5，6為光纖陀螺：7為光學(xué)系統(tǒng)及紅外探測(cè)器。
    該穩(wěn)定平臺(tái)具有方位和俯仰基本相同的兩套穩(wěn)定控制回路，通過(guò)這兩套控制回路使平臺(tái)在空間具有了穩(wěn)定視線功能。在此基礎(chǔ)上，由平臺(tái)、成像系統(tǒng)和圖像跟蹤器構(gòu)成目標(biāo)跟蹤控制回路。

    平臺(tái)利用速率陀螺來(lái)測(cè)量臺(tái)體在偏航和俯仰方向上的空間角速率，構(gòu)成速率穩(wěn)定回路，回路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)如圖2所示。當(dāng)載體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的干擾力矩作用于平臺(tái)時(shí)，臺(tái)體產(chǎn)生的角速率被陀螺敏感，其輸出電壓經(jīng)過(guò)控制電路處理后送給力矩電機(jī)產(chǎn)生相反的力矩來(lái)平衡干擾力矩從而使光軸對(duì)慣性空間穩(wěn)定。
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2 控制電路分析與設(shè)計(jì)
2．1 控制電路總體設(shè)計(jì)
    平臺(tái)在干擾力矩作用下產(chǎn)生角運(yùn)動(dòng)時(shí)，平臺(tái)上陀螺輸出與其運(yùn)動(dòng)速率成正比的電壓，該電壓信號(hào)放大后經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換輸入DSP進(jìn)行運(yùn)算。  DSP完成控制算法后其結(jié)果通過(guò)PWM通道輸出給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)，抵消干擾力矩，從而保持平臺(tái)穩(wěn)定。當(dāng)它處于目標(biāo)跟蹤模式時(shí)，DSP通過(guò)SPI接口接受目標(biāo)參數(shù)，進(jìn)行目標(biāo)跟蹤。控制電路通過(guò)RS 422接口接受上位機(jī)指令，完成狀態(tài)切換。如圖3所示。

2．2 TMS320F2812的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
    電機(jī)微控制器TMS320F2812具有下述部件：
    CPU、片內(nèi)RAM，ROM，F(xiàn)LASH、專(zhuān)用電機(jī)控制的事件管理器和片內(nèi)外設(shè)等。主要性能如下：
    采用高性能靜態(tài)CMOS(StaticCMOS)技術(shù)：150 MHz(時(shí)鐘周期6．67 ns)、低功耗(核心電壓1．8 V，I／O口電壓3．3 V)、FLASH編程電壓3．3 V；高性能32位中央處理器包含16×16和32×32位的乘法累加器操作，16×16位的雙乘法累加器，哈佛總線結(jié)構(gòu)；片內(nèi)存儲(chǔ)器包含128K ×16 b的FLASH存儲(chǔ)器，共計(jì)18K×16 b的單周期訪問(wèn)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SARAM)；3個(gè)32位的CPU定時(shí)器；2個(gè)事件管理器(EVA，EVB)；串口外圍設(shè)備：SPI、2個(gè)SC1、增強(qiáng)局域網(wǎng)絡(luò)(eCan)、多通道緩沖串行接口(McBSP)；雙12位模／數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：含2×18通道復(fù)用輸入接口，2個(gè)采樣保持電路，單／連續(xù)通道轉(zhuǎn)換，流水線最快轉(zhuǎn)換周期為60 ns，單通道最快轉(zhuǎn)換周期為200 ns，可以使用2個(gè)事件管理器順序觸發(fā)8對(duì)模／數(shù)轉(zhuǎn)換；多達(dá)56個(gè)獨(dú)立的可編程、多用途通用輸入／輸出(GPIO)引腳。本文設(shè)計(jì)的控制電路充分利用了F2812的片內(nèi)外設(shè)，大大降低了電路的復(fù)雜程度。[!--empirenews.page--]
2．3 角度解算電路
    旋轉(zhuǎn)變壓器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)旋變)是基于電磁感應(yīng)原理而工作的，其輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化，定子、轉(zhuǎn)子均由繞組組成，相互之間沒(méi)有電刷的滑動(dòng)接觸，在高低溫及振動(dòng)沖擊下具有較高的可靠性。當(dāng)勵(lì)磁繞組以一定頻率的交流電壓勵(lì)磁時(shí)，輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正、余弦函數(shù)關(guān)系。旋變工作原理如圖4所示。

    V2=Ksinθsinωt；V3=Kcosθsinωt
    式中：K為放大倍數(shù)，θ為定子與轉(zhuǎn)子之間的夾角。
    AD2S83是一種專(zhuān)用的跟蹤式旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可以輸出10位、12位、14位或16位的位置信號(hào)，其測(cè)量轉(zhuǎn)速最高達(dá)62 400r／min，采用比率轉(zhuǎn)換跟蹤方能夠連續(xù)輸出位置數(shù)據(jù)而沒(méi)有轉(zhuǎn)換延遲，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。AD2S83外圍電路連接如圖5所示。

2．4 陀螺信號(hào)采樣電路
    陀螺輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器放大后進(jìn)入A／D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由于陀螺安裝在穩(wěn)定平臺(tái)上，而伺服控制板通常都在平臺(tái)后端的電子艙內(nèi)，信號(hào)傳輸距離較長(zhǎng)，因此將前放電路制作為體積比較小的電路板安裝在陀螺附近進(jìn)行信號(hào)的放大，放大后再傳輸至A／D進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換芯片選用ADS8361作為片外ADC模塊，雖然TMS320F2812有16通道的12位ADC，但是為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的A／D轉(zhuǎn)換精度，增加了片外外設(shè)ADS8361。  ADS8361是2+2通道，16位的A／D轉(zhuǎn)換器，最高轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到500 kHz。它工作在50 kHz頻率時(shí)具有極強(qiáng)的抗干擾能力，特別適合數(shù)據(jù)采集的高采樣率要求的場(chǎng)合。此外，ADS8361還提供高速雙串行接口，可以有效將DSP的MCBSP內(nèi)部時(shí)鐘作為ADS8361的時(shí)鐘，ADS8361按照CLOCK時(shí)鐘信號(hào)每20個(gè)CLOCK周期ADS8361采一次數(shù)，并由串口輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)是先從高位(DB15)開(kāi)始傳輸。將MCBSP的幀同步信號(hào)作為轉(zhuǎn)換開(kāi)始信號(hào)CONVST。當(dāng)CONVST從低變到高，器件開(kāi)始采樣保持。CLOCK為ADS8361的時(shí)鐘信號(hào)，每20個(gè)CLOCK周期ADS8361采1次數(shù)，由串口輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)是先從高位(DB15)開(kāi)始傳輸。CONVST為轉(zhuǎn)換開(kāi)始信號(hào)。當(dāng)CONVST從低變到高，器件開(kāi)始采樣保持不依賴(lài)于狀態(tài)和外部時(shí)鐘。RD是串行輸出的同步脈沖。將它設(shè)置成與CONVST信號(hào)一致，即可以正常工作。CS為片選信號(hào)，低電平選通。ADS8361有4種工作模式，由A0，M0，M1共同控制。這里選用的是它的工作模式1，即A0=0，M0=0，M1=0，通道0和1同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。圖6為ADS8361與F2812的連接圖。

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2．5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
    本文采用了永磁式直流力矩電機(jī)，使用PWM方式驅(qū)動(dòng)，與可控整流式調(diào)速系統(tǒng)相比有下列優(yōu)點(diǎn)：由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的直流電流，低速特性好；同樣，由于開(kāi)關(guān)頻率高，快速響應(yīng)特性好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)，可以獲得很寬的頻帶；開(kāi)關(guān)器件只工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，主電路損耗小，裝置效率高。
    A3952SB是Allegro公司生產(chǎn)的一片全橋式的PWM驅(qū)動(dòng)芯片，可以連續(xù)工作于輸出電流為±2 A，電壓為50 V的情況下。內(nèi)置的離線PWM電流控制電路可以用來(lái)調(diào)整最大負(fù)載電流到期望值。內(nèi)部電路保護(hù)還包括帶滯后的高溫掉電、濾波二極管和電流交叉保護(hù)功能。
    電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用PWM方式，有效的利用了DSPTMS320F2812的片上資源。工作原理圖如圖7所示。

    為保證系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行和良好的動(dòng)態(tài)特性，流過(guò)電機(jī)的電流經(jīng)放大后送到TMS320F2812內(nèi)部的A／D進(jìn)行采樣。
2．6 外圍通信接口
    TMS320F2812內(nèi)部設(shè)有串行通信模塊，利用串行通信模塊配置RS 422串口與外圍系統(tǒng)、測(cè)試設(shè)備等的上位機(jī)進(jìn)行通信，如圖8所示?？梢圆捎枚ㄩL(zhǎng)幀的通信協(xié)議，上位機(jī)發(fā)送指令，DSP處理器則對(duì)命令進(jìn)行響應(yīng)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    控制電路設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)初始化、中斷服務(wù)程序、控制算法實(shí)現(xiàn)、特殊情況處理等。控制算法優(yōu)先考慮工程中較為成熟的PID控制。在平臺(tái)結(jié)構(gòu)件、光學(xué)件及各傳感器安裝完成后，控制電路對(duì)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制。將穩(wěn)定平臺(tái)安裝在仿真轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)目標(biāo)模擬器產(chǎn)生目標(biāo)，驅(qū)動(dòng)仿真轉(zhuǎn)臺(tái)相對(duì)目標(biāo)作3°，3 Hz正弦擺動(dòng)，此時(shí)穩(wěn)定平臺(tái)工作在穩(wěn)定狀態(tài)，光軸相對(duì)空間穩(wěn)定。對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)上的紅外探測(cè)器產(chǎn)生的圖像進(jìn)行觀察并記錄和分析，結(jié)論是像點(diǎn)穩(wěn)定，抖動(dòng)量約為1個(gè)象素，滿足系統(tǒng)性能需求，所以得出結(jié)論，以數(shù)字處理器TMS320F2812為核心組成的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)的控制。

4 結(jié)語(yǔ)
    光軸穩(wěn)定平臺(tái)在軍用、警用、民用等領(lǐng)域獲得了大量的應(yīng)用。以DSP為核心的穩(wěn)定平臺(tái)控制電路設(shè)計(jì)已成為主流趨勢(shì)。本文中，使用了數(shù)字處理器TMS320F2812實(shí)現(xiàn)了對(duì)平臺(tái)各傳感器信息的數(shù)據(jù)處理及控制回路的數(shù)字仿真，極大的降低了控制電路的復(fù)雜度，提高了可靠性。該控制電路不僅滿足了系統(tǒng)高速、高精度的要求，同時(shí)也為一些復(fù)雜的、先進(jìn)的控制算法的探索和使用提供了一個(gè)物理平臺(tái)。