摘要：為了實現(xiàn)光電跟瞄平臺的控制回路功能，通過分析其系統(tǒng)構(gòu)成以及伺服平臺控制器進行數(shù)字化設(shè)計的必要性，提出了基于TMS320F28 12的一種全數(shù)字穩(wěn)定平臺伺服系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了DSP數(shù)字電路和電機驅(qū)動電路的設(shè)計驗證工作。試驗結(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，運算實時性好。
關(guān)鍵詞：TMS320F2812；穩(wěn)定平臺；數(shù)字伺服系統(tǒng)；DSP

0 引言
    穩(wěn)定跟蹤平臺由于能隔離載體(戰(zhàn)車、導(dǎo)彈、飛機、艦船)的運動，對目標進行自動跟蹤，所以在現(xiàn)代武器系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。對于各種車載、艦載、機載和彈載類光電成像設(shè)備，要求在載體的運動過程中成像清晰。穩(wěn)定平臺的主要功能是：保證視軸穩(wěn)定，克服載體姿態(tài)變化對跟蹤系統(tǒng)的影響，同時要在控制指令的驅(qū)動下完成對目標的捕獲和跟蹤。它的成像穩(wěn)定一般有三種方式：機械穩(wěn)像、光學(xué)穩(wěn)像、電子穩(wěn)像。機械穩(wěn)像一般有陀螺直接穩(wěn)像和穩(wěn)定平臺穩(wěn)像兩種。陀螺直接穩(wěn)像通過將被穩(wěn)定的光學(xué)系統(tǒng)或成像器件安裝到一個旋轉(zhuǎn)的陀螺上，利用陀螺的自穩(wěn)定特性實現(xiàn)視軸的穩(wěn)定；穩(wěn)定平臺穩(wěn)像是將光學(xué)系統(tǒng)及成像器件安裝在一個裝有慣性傳感器陀螺的平臺上，形成陀螺穩(wěn)定平臺。
    通過對穩(wěn)定平臺數(shù)字控制器進行需求分析以及對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)字信號處理器，最高工作頻率可達150 MHz，是目前廣泛用于電機控制領(lǐng)域的32位定點DSP芯片。乘法運算是CPU運算中最費時的一種運算，在處理乘法運算方面，F(xiàn)2812的CPU集成了一個16×16位的硬件乘法器，能夠很方便地進行16×16位和32×32位的乘法運算。F2812具有數(shù)字信號處理能力、強大的事件管理能力以及嵌入式控制功能。本文基于TMS320F2812設(shè)計了一套穩(wěn)定平臺控制電路。

1 系統(tǒng)組成及描述
    穩(wěn)定平臺系統(tǒng)主要由臺體及控制電路組成。其中臺體由框架、測角器、電機和測速陀螺組成。穩(wěn)定平臺根據(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)定平臺的系統(tǒng)組成，如圖1所示。

    圖中：1為方位電機；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；5，6為光纖陀螺：7為光學(xué)系統(tǒng)及紅外探測器。
    該穩(wěn)定平臺具有方位和俯仰基本相同的兩套穩(wěn)定控制回路，通過這兩套控制回路使平臺在空間具有了穩(wěn)定視線功能。在此基礎(chǔ)上，由平臺、成像系統(tǒng)和圖像跟蹤器構(gòu)成目標跟蹤控制回路。

    平臺利用速率陀螺來測量臺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)簡如圖2所示。當(dāng)載體運動產(chǎn)生的干擾力矩作用于平臺時，臺體產(chǎn)生的角速率被陀螺敏感，其輸出電壓經(jīng)過控制電路處理后送給力矩電機產(chǎn)生相反的力矩來平衡干擾力矩從而使光軸對慣性空間穩(wěn)定。
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2 控制電路分析與設(shè)計
2．1 控制電路總體設(shè)計
    平臺在干擾力矩作用下產(chǎn)生角運動時，平臺上陀螺輸出與其運動速率成正比的電壓，該電壓信號放大后經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換輸入DSP進行運算。  DSP完成控制算法后其結(jié)果通過PWM通道輸出給電機驅(qū)動模塊驅(qū)動電機，抵消干擾力矩，從而保持平臺穩(wěn)定。當(dāng)它處于目標跟蹤模式時，DSP通過SPI接口接受目標參數(shù)，進行目標跟蹤?？刂齐娐吠ㄟ^RS 422接口接受上位機指令，完成狀態(tài)切換。如圖3所示。

2．2 TMS320F2812的結(jié)構(gòu)特點
    電機微控制器TMS320F2812具有下述部件：
    CPU、片內(nèi)RAM，ROM，F(xiàn)LASH、專用電機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)存儲器包含128K ×16 b的FLASH存儲器，共計18K×16 b的單周期訪問隨機存儲器(SARAM)；3個32位的CPU定時器；2個事件管理器(EVA，EVB)；串口外圍設(shè)備：SPI、2個SC1、增強局域網(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個事件管理器順序觸發(fā)8對模／數(shù)轉(zhuǎn)換；多達56個獨立的可編程、多用途通用輸入／輸出(GPIO)引腳。本文設(shè)計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(以下簡稱旋變)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，相互之間沒有電刷的滑動接觸，在高低溫及振動沖擊下具有較高的可靠性。當(dāng)勵磁繞組以一定頻率的交流電壓勵磁時，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，其測量轉(zhuǎn)速最高達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)而沒有轉(zhuǎn)換延遲，具有較強的抗干擾能力。AD2S83外圍電路連接如圖5所示。

2．4 陀螺信號采樣電路
    陀螺輸出信號經(jīng)過前置放大器放大后進入A／D進行轉(zhuǎn)換，由于陀螺安裝在穩(wěn)定平臺上，而伺服控制板通常都在平臺后端的電子艙內(nèi)，信號傳輸距離較長，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行信號的放大，放大后再傳輸至A／D進行轉(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)換速率可以達到500 kHz。它工作在50 kHz頻率時具有極強的抗干擾能力，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)部時鐘作為ADS8361的時鐘，ADS8361按照CLOCK時鐘信號每20個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)開始傳輸。將MCBSP的幀同步信號作為轉(zhuǎn)換開始信號CONVST。當(dāng)CONVST從低變到高，器件開始采樣保持。CLOCK為ADS8361的時鐘信號，每20個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)開始傳輸。CONVST為轉(zhuǎn)換開始信號。當(dāng)CONVST從低變到高，器件開始采樣保持不依賴于狀態(tài)和外部時鐘。RD是串行輸出的同步脈沖。將它設(shè)置成與CONVST信號一致，即可以正常工作。CS為片選信號，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同時進行轉(zhuǎn)換。圖6為ADS8361與F2812的連接圖。

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2．5 電機驅(qū)動電路
    本文采用了永磁式直流力矩電機，使用PWM方式驅(qū)動，與可控整流式調(diào)速系統(tǒng)相比有下列優(yōu)點：由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(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，由于開關(guān)頻率高，快速響應(yīng)特性好，動態(tài)抗干擾能力強，可以獲得很寬的頻帶；開關(guān)器件只工作在開關(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調(diào)整最大負載電流到期望值。內(nèi)部電路保護還包括帶滯后的高溫掉電、濾波二極管和電流交叉保護功能。
    電機驅(qū)動采用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)運行和良好的動態(tài)特性，流過電機的電流經(jīng)放大后送到TMS320F2812內(nèi)部的A／D進行采樣。
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)、測試設(shè)備等的上位機進行通信，如圖8所示?？梢圆捎枚ㄩL幀的通信協(xié)議，上位機發(fā)送指令，DSP處理器則對命令進行響應(yīng)。

3 實驗結(jié)果
    控制電路設(shè)計完成后，進行軟件的設(shè)計。軟件設(shè)計包括系統(tǒng)初始化、中斷服務(wù)程序、控制算法實現(xiàn)、特殊情況處理等?？刂扑惴▋?yōu)先考慮工程中較為成熟的PID控制。在平臺結(jié)構(gòu)件、光學(xué)件及各傳感器安裝完成后，控制電路對平臺實現(xiàn)了閉環(huán)控制。將穩(wěn)定平臺安裝在仿真轉(zhuǎn)臺上，通過目標模擬器產(chǎn)生目標，驅(qū)動仿真轉(zhuǎn)臺相對目標作3°，3 Hz正弦擺動，此時穩(wěn)定平臺工作在穩(wěn)定狀態(tài)，光軸相對空間穩(wěn)定。對穩(wěn)定平臺上的紅外探測器產(chǎn)生的圖像進行觀察并記錄和分析，結(jié)論是像點穩(wěn)定，抖動量約為1個象素，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)對穩(wěn)定平臺的控制。

4 結(jié)語
    光軸穩(wěn)定平臺在軍用、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)定平臺控制電路設(shè)計已成為主流趨勢。本文中，使用了數(shù)字處理器TMS320F2812實現(xiàn)了對平臺各傳感器信息的數(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，同時也為一些復(fù)雜的、先進的控制算法的探索和使用提供了一個物理平臺。