一種邊燈式FOD探測設備伺服控制系統設計

桑青華 朱偉林

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.08.012

摘? 要：文章分析了邊燈式FOD探測設備伺服控制系統的特點，從轉臺框架設計、伺服控制器硬件設計和伺服控制器軟件設計三個方面介紹了伺服控制系統的設計與實現。結構上采用步進電機經行星減速機構及齒輪副減速的形式，伺服控制器硬件采用TMS320F28335作為主處理芯片，軟件采用模塊化方法進行設計和實現。該伺服控制系統已完成實現，并已通過了高低溫及振動沖擊環境試驗，能夠滿足工作方式、精度、環境適應性和遠程更新等需求。

關鍵詞：FOD;轉臺結構設計;伺服控制器;伺服控制軟件

中圖分類號：TP273+.5;TP29? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）08-0042-04

Design of a Servo Control System of Side Lamp FOD Detection Equipment

SANG Qinghua，ZHU Weilin

（The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Hefei? 230088，China）

Abstract：This paper analyzes the characteristics of servo control system of side lamp FOD detection equipment，and introduces the design and implementation of servo control system from three aspects：turntable frame design，servo controller hardware design and servo controller software design. In the structure，the stepping motor is decelerated by planetary reduction mechanism and gear pair，the hardware of servo controller adopts TMS320F28335 as the main processing chip，and the software is designed and implemented by modular method. The servo control system has been realized and has passed the environmental tests of high and low temperature and vibration shock，which can meet the requirements of working mode，accuracy，environmental adaptability and remote update.

Keywords：FOD;turntable structure design;servo controller;servo control software

0? 引? 言

機場跑道異物（Foreign Object Debris，FOD）的快速定位和檢測已成為飛機飛行安全的重要保障^[1]，雷達和圖像處理技術的發展使自動檢測跑道異物成為可能，然而，若使雷達或相機在FOD探測中真正發揮作用，必須依賴高性能的控制平臺作為載體^[2]，伺服轉臺可作為其運動載體。雷達與攝像設備以固定或移動方式監測整條跑道^[1]，固定方式主要有邊燈式和塔式，本文研究的是邊燈式FOD探測設備的伺服控制系統。

作為雷達和相機的運動載體（并為跑道異物定位提供數據^[3]），此伺服控制系統應具有較高的位置控制精度和較好的運動平穩度。邊燈式安裝方式是將設備安裝在跑道邊緣，工作環境受日照強度、近地面二次輻射、環境溫度^[4]以及飛機尾流強風等影響，對轉臺的環境適應性提出了較高的要求。因機場流量大，為后期設備調試和維護升級少占用跑道時間，轉臺設備軟件應具有遠程升級功能。

本文從轉臺框架設計、伺服控制器硬件設計和伺服控制軟件設計等方面系統介紹了某邊燈式FOD探測設備伺服控制系統的設計與實現。在結構設計上充分考慮了系統精度要求和飛機尾流強風影響，伺服控制器設計采用TI的32位浮點型芯片TMS320F28335作為主處理芯片，軟件設計上采用模塊化設計方法。目前該伺服控制系統已經實現，滿足系統精度和工作方式等要求，并通過了高低溫和振動沖擊環境試驗，系統運行穩定，環境適應性強。

1? 伺服控制系統總體設計

伺服控制系統的主要功能是接收雷達分系統的控制指令，驅動轉臺運轉，承載雷達和相機按照期望工作模式運動到期望位置，并向雷達和相機反饋轉臺當前位置。

伺服控制系統設計主要包括轉臺框架設計、伺服控制器硬件設計和伺服控制器軟件設計，如圖1所示。轉臺框架設計主要包括伺服轉臺結構設計和主要器件選型;伺服控制器硬件設計主要實現伺服控制電路板各功能模塊，伺服控制器軟件設計主要完成系統數據采集、邏輯運算和控制驅動等功能實現。

2? 伺服控制系統轉臺框架設計

2.1? 轉臺框架結構設計

轉臺框架設計為單軸旋轉結構，由底座、框架、電機驅動組合、齒輪傳動組合、角度檢測機構及旋轉組合等部分組成，如圖2所示。

電機驅動結構采用步進電機經行星減速機構及齒輪副減速后，通過電控實現轉臺運動。為防止轉臺在高速飛機尾流下過沖導致設備損壞，電機末端加裝制動器，在轉臺不工作或掉電情況下，可抱閘鎖定。齒輪傳動組合中安裝偏心套，可消除齒輪傳動間隙。同時，角度傳感器部分經雙片齒輪減速輸出至絕對值編碼器進行測量，可消除角度檢測的間隙和誤差，確保轉臺旋轉滿足精度要求。設備整體框架采用圓柱形造型設計，可減少風載荷對設備的附加載荷。框架各零部件安裝接口處設計有密封槽保證設備密封性。

2.2? 主要結構件選型

2.2.1? 電機驅動組合選型

轉臺驅動系統需克服轉臺工作時的慣性力矩、摩擦力矩和低溫時軸承附加力矩等。根據設備整體尺寸、功率、性能需求及成本分析，選用某型號兩相四線制步進電機，工作電壓10～48 V，額定電流3 A，靜扭矩1.5 Nm，步距角1.8°。制動器選用彈簧式斷電剎車，額定電壓24 V。減速機采用某型號行星齒輪減速器，減速比36，額定扭矩50 Nm。末級傳動鏈采用大、小齒輪傳動方式，傳動比3.6。

2.2.2? 角度傳感器

光電編碼器具有精度高、響應快、抗干擾能力強的優點，因此本系統采用光電編碼器作為角度傳感器。系統精度要求0.1°，故編碼器最終分辨率應大于12位;為避免系統意外掉電導致的尋零位問題，選用絕對值編碼器;伺服控制系統主軸與編碼器的傳動比為1：2，為方便后期軟件設計中圈數判斷，選用多圈編碼器。綜上，本系統選用某型號的15位多圈絕對值式編碼器，該編碼器工作電壓為+5 V，通信接口為RS485，支持Modbus協議。

3? 伺服控制器硬件設計

伺服控制器工作原理和硬件主要組成如圖3所示。

伺服控制器接收雷達分系統的工作模式、定位角度等工作指令，通過編碼器檢測轉臺框架角度位置，綜合工作指令和控制算法產生驅動信號，經功率放大后驅動電機運轉，實現雷達分系統所期望的運動控制，并向雷達分系統和相機反饋伺服分系統的實時角度等狀態信息。非超載情況下，電機轉速和停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數^[5]，改變脈沖頻率即可改變轉臺運動速度，控制PWM脈沖數量即可控制轉臺角位移量，改變驅動模塊的DIR信號電平可以控制轉臺運動方向。同時，系統設計了網絡接口，通過連接到外部交換機上，可方便地實現遠程程序更新。

伺服控制器以32位浮點型芯片TMS320F28335為主處理芯片，該芯片主頻可達150 MHz，指令周期為6.67 ns，具有強大的運算能力。伺服控制器硬件電路主要包括以下功能模塊：DSP及其外圍電路、電源管理模塊、通訊控制模塊、驅動控制模塊、制動器控制模塊等。各模塊的實現方式及功能為：

（1）DSP及其外部電路。包括512 kB×16位大小的RAM擴展、30 MHz晶振時鐘電路、JTAG電路等。DSP電路模塊主要完成邏輯判斷、控制運算、系統通信等功能。

（2）電源管理模塊。主要實現防雷防浪涌和所需的電源轉換功能。防雷防浪涌功能采用兩級保護電路實現，第一級采用GDT氣體放電管+電感，第二級采用TVS瞬態電壓抑制二極管。系統外部供電為+24 V，伺服控制器硬件所需電源有+24 V、+5 V、+3.3 V和+1.9 V，其中+24 V到+5 V以及+5 V到3.3 V和1.9 V的電源轉換由此模塊實現。

（3）通信控制模塊。包括RS422通信接口和網絡接口。RS422通信通過DSP的SCI模塊和RS422收發驅動芯片實現，網絡接口通過DSP的SPI模塊和網絡控制芯片W5500實現。由于所選擇的編碼器為RS485半雙工通信接口，為實現控制器小型化設計，充分利用422收發模塊芯片功能，設計中利用RS422全雙工接口實現編碼器角度數據的采集，只需在接線時將RS422的T+和R+與RS485的A相連，將RS422的T-和R-與RS485的B相連，同時在軟件設計時注意區分收發時序即可實現。

（4）驅動控制模塊。TMS320F28335具有6個EPWM模塊，可以輸出PWM控制信號，但DSP輸出信號電平為3.3 V，電機驅動芯片控制信號所需電平為5 V，因此需實現電平匹配。驅動控制模塊主要實現3.3 V到5 V的電平轉換，并實現步進電機相電壓的生成。為提高步進電機控制精度，降低步進電機的振動和噪聲，驅動器細分設置為8。

（5）抱閘控制模塊。此模塊與驅動控制模塊類似，DSP輸出的PWM信號經3.3 V到5 V電平轉換后，控制MOSFET的通斷實現DC/DC轉換，進而改變制動器兩端電壓。

4? 控制器軟件設計

伺服控制軟件是整個伺服控制系統的大腦，系統邏輯與控制功能最終都需要通過軟件實現。本系統軟件主要完成數據采集、數據分析與處理、電機驅動、設備間通信、遠程更新等功能。控制器軟件采用模塊化設計方法，主要模塊劃分如圖4所示。

伺服控制器軟件各模塊功能為：

（1）系統初始化模塊。主要實現系統上電后DSP的GPIO、SCI、EPWM、SPI等的初始化，網絡通信相關參數和寄存器的初始化，系統變量初始化，電機驅動器和制動器初始化等，此模塊在主程序部分完成。

（2）系統自檢模塊。系統初始化完成后進入自檢模式，自檢完成后等待雷達分系統的控制指令，自檢結果傳送給雷達分系統，此模塊在主程序部分完成。

（3）角度采集模塊。編碼器設置為高速自動上傳模式，更新頻率為200 Hz，利用DSP的SCIB完成角度數據采集與解析。由于存在加工誤差、結構安裝誤差，系統安裝完成后，利用激光跟蹤儀或全站儀對角度檢測誤差進行標定，并在軟件中采用“查表+線性插值”的方法進行補償。此模塊在DSP的SCIRXINTB中斷處理部分實現。

（4）指令接收處理模塊。利用DSP的SCIA接收雷達分系統工作模式和控制指令，并進行解析處理。根據結構設計的轉動范圍，增加軟限位保護，防止過沖對設備造成損壞。此模塊在DSP的SCIRXINTA中斷處理部分實現。

（5）控制算法模塊。采用位置、速度雙閉環控制，如圖5所示，系統綜合雷達分系統的工作指令、當前框架角度和PID控制算法，產生驅動信號，經功率放大后驅動電機運轉。因空間有限，系統未設置速度傳感器，只安裝編碼器作為角度傳感器，軟件設計中通過對角度位置取微分的方式計算速度分量，為避免速度分量噪聲過大，采用滑動平均值法進行濾波處理。控制算法對實時性要求高，此模塊在DSP的timer0中斷處理部分實現，控制周期取5 ms。

（6）抱閘控制模塊。在電機轉動過程中，應使制動器保持帶電松閘狀態。利用DSP的EPWM模塊輸出脈沖波形，調節脈沖占空比可改變施加在制動器兩端的電壓值。系統選用的制動器額定電壓為24 V，上電松閘后，當兩端施加電壓降低至小于7 V時，制動器將抱閘制動。為降低系統熱耗，給制動器上電松閘后，在電機工作期間，減小脈沖占空比使制動器兩端電壓保持在10 V左右（留有一定余量）;需要制動時將占空比減小為0，使制動器兩端電壓為0而抱閘制動。抱閘控制模塊對實時性要求不高，此模塊在DSP的timer0中斷處理部分實現，控制周期取50 ms。

（7）網絡更新模塊。采用TCP/IP協議，利用DSP的SPI模塊完成程序的遠程更新功能，此模塊在DSP的SPIRXINTA中斷處理中實現。

5? 結? 論

本文從框架結構設計、伺服控制器硬件設計和伺服控制軟件設計等方面詳細介紹了某邊燈式FOD探測設備伺服控制系統的設計與實現。目前，該FOD探測設備伺服控制系統已完成實現，使用激光跟蹤儀進行角度標定并進行軟件補償后，定位精度優于0.1°，具有扇掃、定位、自檢和停止等工作模式，具備抗高速飛機尾流、軟件遠程更新功能。該系統通過了-30 ℃～60 ℃的高低溫試驗和加速度為2 g、頻率為10 Hz～150 Hz的掃頻振動沖擊試驗，試驗結果表明系統運行平穩，對環境適應性強。

參考文獻：

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作者簡介：桑青華（1986—），女，漢族，河南商丘人，工程師，碩士研究生，主要研究方向：伺服控制設計。

收稿日期：2021-03-14