基于STM32微控制器穩定平臺數字控制系統的設計*

張 瑞,田永全,趙 陽,張宏亮,田 雪,陳洪波

(北方光電股份有限公司, 西安 710043)

0 引言

穩定平臺的主要作用是使被控載體在慣性空間的指向保持穩定[1],使載體與平臺所受到的干擾隔離,為其能夠穩定的跟蹤目標提供基礎。其控制方法的實現及指標的優化一直是國內外研究的熱點問題。

穩定平臺的實現有多種方法,傳統的模擬電路穩定平臺控制方法主要是使用電阻、電容、運算放大器組成模擬電路,通過大量的計算、試驗等方法實現,存在參數調整不靈活、體積大、成本高[2]等缺點。而采用數字控制系統的穩定平臺系統可以克服以上缺點,且控制精度更高。為了實現該數字控制系統,文中以STM32F103ZET6微控制器為核心芯片,其主要特點是性能穩定、價格低廉、功能齊全,且開發環境友好,完全可以實現本設計所使用的速度環、位置環雙閉環控制功能。

1 穩定平臺工作原理

穩定平臺本質上就是一個控制系統[3]。

文中所設計并實現的穩定平臺數字控制系統框圖如圖1所示。

穩定平臺多采用雙框架式結構,通過軸承等零部件的配合,使負載的方向軸可以指向所設計角度范圍內的任意角度。通過合理的結構設計,可以使電機、傳感器的線束對負載的干擾力矩得到較大程度的優化。

文中所采用的控制方案為位置環、速度環雙閉環控制。當穩定平臺在慣性空間運動時,各部件之間產生的干擾力矩對負載的運動產生影響,使負載不能按照設計所期望的角速度運行。此時,速率陀螺會敏感干擾導致的異常角速度,其輸出電壓經過控制電路處理后送給力矩電機產生相反的力矩來平衡干擾力矩[4],從而實現對干擾的隔離。

2 穩定平臺硬件設計

硬件設計方案以STM32F103ZET6微控制器為核心芯片,同時與AD采樣芯片、串口通信芯片、光耦隔離芯片完成數據通信與信號隔離。完成的功能有信號采樣、數據通信、功率放大與電機控制。硬件系統方案框圖如圖2所示。

圖2 硬件系統方案框圖

速率陀螺及電位計信號都為模擬信號,經過AD采樣器輸出數字信號,通過串行外設接口(SPI)與微控制器進行數據通信。同時,誤差信號通過RS422通信芯片與微控制器的串口1(USART)進行通信。以上數據在芯片內經過算法的處理后,通過定時器配置脈寬調制信號(PWM),經過功率放大器進行功率放大,完成對電機的實時控制。

2.1 模數采樣電路

在綜合考慮分辨率、模擬采樣范圍、通信模式、帶寬、信噪比、轉換速率等因素后,選擇AD7328來實現AD采樣功能。該器件為12 bit逐次逼近型AD采樣器。

本設計將該芯片的模擬地和數字地隔離,降低數字脈沖信號對模擬信號的干擾概率。

2.2 功率放大電路

功率放大電路主要由功率放大器及其輔助電路組成。設計所采用的功率放大器WSA54屬于開關型功放,內部控制電路提供了開關管死區時間。由于其工作狀態下電流大,而且工作于開關狀態,容易對電源、地及其他芯片造成干擾。本設計中將微控制器的定時器3產生的兩路PWM波信號經過HCPL2630雙通道光電耦合器隔離后輸出,這種信號隔離方法可以降低功率器件對邏輯芯片的干擾。

2.3 速率陀螺

速率陀螺的選則按照環境適應性、外形尺寸、精度、成本的順序考慮,經調研,選擇了一款微小型動力調諧陀螺,具有體積小、重量輕、測量范圍大、可靠性高等特點。適用于過載系數大、尺寸空間小的伺服控制系統。該陀螺的輸出為模擬量,實時反饋方位和俯仰兩個方向的角速度,經過AD采樣和數字濾波器,可作為控制系統算法速度環的反饋量參與計算。

3 軟件設計

控制系統的軟件設計是至關重要的,直接影響到系統的性能。控制周期越短,控制精度也越高,但計算量更大,根據工程經驗,本設計的控制系統軟件控制周期為1 ms,該控制周期的控制精度較高,AD芯片也可選用采樣穩定性更高的模式,同時STM32微控制器處理數據的時間有較大的余量。子程序模塊包括SPI通信、串口通信、PID算法等。

3.1 主程序設計

系統上電后,程序首先執行定時器、SPI、PWM功能、AD采樣控制、IO口等子模塊的初始化,對內部的寄存器、變量進行定義,隨后進入while循環,等待陀螺的自檢信號。自檢通過后,才允許程序進入while(1)循環,在該循環中,等待系統的3個中斷,根據中斷程序的標志位選擇執行的命令。軟件主程序流程圖如圖3。

圖3 主程序流程圖

3.2 串口2中斷

本設計中控制系統的工作狀態由串口2接收到的命令確定,串口2的中斷周期設計為10 ms,上位機按照約定好的通信協議每10 ms發送命令,USART2接收程序的中斷流程圖如圖4所示。

圖4 USART2中斷程序流程圖

3.3 控制周期1 ms中斷

控制周期中斷程序完成的主要功能是接收USART2的數據命令及SPI口的AD采樣數據,將以上數據匯總后,經過優化的PID算法處理,輸出控制指令給PWM控制器,完成位置環和速度環雙閉環控制;中斷程序執行完畢后,返回主程序,等待下次1 ms的中斷。如此循環,PWM的控制周期每1 ms更新,兼顧了主程序的計算量和控制精度的要求。方位方向的控制方法與俯仰方向一致,方位方向控制周期1 ms中斷的流程圖如圖5所示。

圖5 控制周期1 ms中斷流程圖

3.4 控制系統狀態數據發送

控制系統狀態數據發送周期可根據具體要求進行設計,設計中使用了一個10 ms的定時器,發送控制系統的狀態數據,具體包括信息頭、陀螺速度、框架位置、自檢狀態、信息尾等信息,通過USART3與上位機進行通信,完成數據的解析。

3.5 陀螺自檢程序

陀螺自檢信號可以用來判斷陀螺轉子是否達到了穩速狀態。本設計通過STM32微控制器的IO腳連接陀螺自檢輸出線。自檢通過后,使用IO腳控制電機的使能端使能,隨后進入主程序。通過該子程序,可以使用陀螺的自檢信號控制電機工作的時機。

4 控制系統調試

本控制系統要達到的主要性能指標為:

1)被控載體可以在慣性空間保持穩定,使載體的視軸或光軸與平臺所受到的擾動隔離。在控制系統的參數調節過程中,可以通過觀察法去定性的判斷系統是否達到了穩定,以及阻尼的大小是否足夠隔離載體所受到的干擾。

2)隔離度要求在5%范圍內。通過定性的調試及判斷后,應該使用速率轉臺對隔離度指標進行檢測,當隔離度不滿足指標時,繼續對控制軟件參數進行調整,直到滿足設計指標為止。

4.1 PID參數的調試

Matlab軟件對控制模型進行仿真并對參數進行調整是一種較為流行的方法,但在系統實際調試過程中,對電機、陀螺、框架、負載的傳遞函數及轉動慣量的計算與實際系統存在一定偏差,非線性因素及噪聲也是仿真過程不能完全考慮到的。PID算法是一種經過驗證的經典算法,使用中不需要精確的系統模型作為先決條件,可以直接在實際系統中應用并調試。本設計中所應用的兩級PID算法,又稱為串級PID調試。調試過程應該先對內環的P、I、D參數進行調試,在內環調試完成后再對外環參數進行調試。PID的標準數學公式為:

(1)

本設計的算法就是將該公式轉換為微控制器可以執行的C代碼并進行優化,在控制器中對數據靈活的進行處理,隨時調整控制參數。

4.2 隔離度的計算

隔離度的測試方法為:將穩定平臺安裝至速率轉臺,控制轉臺做正弦運動,由于穩定平臺在慣性空間中穩定的作用,其軸向將保持一個方向,記錄轉臺在運動過程中的陀螺信號,統計峰峰值,并與轉臺運動速率峰值進行除法,經過多次測試,可以得到較為準確的隔離度指標。

4.3 試驗數據及波形

4.3.1 陀螺角速度測試

將穩定平臺安裝至速率轉臺后,首先對上位機接收到的陀螺數據進行驗證,在確定上位機軟件顯示與轉臺速度一致的情況下,隔離度的測試才真實準確。本設計使用Labview設計了專用上位機測控軟件,使用速率轉臺裝訂1°/s、3°/s、0.5°/s,經測試,陀螺的數據反饋在誤差允許的范圍內,上位機實測的角速度如圖6所示。

圖6 實測角速度截圖

4.3.2 隔離度測試

將轉臺裝訂為1°、3 Hz和2.5°、2 Hz兩種條件,控制速率轉臺正弦運動,同時使用上位機軟件實時監控陀螺的速率反饋,經計算,兩種條件下隔離度都在5%范圍內,滿足設計指標要求,其中1°、3 Hz實測結果如圖7所示。

圖7 1°、3 Hz條件隔離度測試截圖

5 結論

文中介紹了一種基于STM32F103ZET6微控制器為核心器件的穩定平臺數字控制系統。控制算法使用經典的PID算法,采用位置環、速度環雙閉環控制,方法簡單、可靠。大部分的數字信號處理都由微控制器完成,調試靈活方便,最終的實測數據及波形顯示該穩定平臺能夠有效隔離干擾,使載體在慣性空間保持穩定。