一種小型轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡利文

西安愛(ài)生技術(shù)集團(tuán)公司 陜西 西安 710065

概述

目前，在無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中，地面定向天線伺服跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)是其重要組成部分，伺服控制系統(tǒng)則是實(shí)現(xiàn)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)跟蹤控制功能的核心部件，伺服控制系統(tǒng)的主要作用是根據(jù)上位機(jī)給出的位置指令，控制伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的方位軸電機(jī)和俯仰軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，使其準(zhǔn)確到達(dá)指定位置，從而實(shí)現(xiàn)天線的跟蹤控制。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為了滿足定向天線對(duì)無(wú)人機(jī)的跟蹤需求，地面伺服跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)為一個(gè)兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)，包括方位軸和俯仰軸，方位軸垂直于水平面且可以360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)，俯仰軸垂直于方位軸且轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為90°左右，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為-1°～89°，俯仰角平行于水平面時(shí)為0°。直流電動(dòng)機(jī)以其優(yōu)秀的線形機(jī)械特性、較寬的調(diào)速范圍、大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、控制方法較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在各種驅(qū)動(dòng)、伺服系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。本文選用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。傳感器元件是數(shù)字伺服控制系統(tǒng)的重要組成部分，位置傳感器通過(guò)檢測(cè)目標(biāo)軸的當(dāng)前位置，形成的反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理，輸出數(shù)字位置信號(hào)作為數(shù)字伺服控制器的位置輸入，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。本文采用一種磁旋轉(zhuǎn)編碼器作為系統(tǒng)的位置傳感器，其分辨率為0.089°，完全可以滿足系統(tǒng)的需要。由于俯仰軸是在一定的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要考慮在俯仰軸安裝限位開(kāi)關(guān)，限位信號(hào)輸出到俯仰伺服控制器[1]。

本文設(shè)計(jì)的伺服控制系統(tǒng)方案為：整個(gè)系統(tǒng)由方位控制單元和俯仰控制單元組成。方位控制單元包含方位伺服控制器、方位軸電機(jī)和方位編碼器，方位控制器有兩個(gè)串行接口，分別與上位機(jī)和俯仰伺服控制單元進(jìn)行通信，與上位機(jī)的通信主要包括接收控制指令和發(fā)送實(shí)時(shí)軸角數(shù)據(jù)及俯仰限位狀態(tài)；與俯仰伺服控制器的通信主要包括發(fā)送俯仰控制指令和接收俯仰軸角數(shù)據(jù)和限位狀態(tài)。俯仰控制單元包含俯仰伺服控制器、俯仰軸電機(jī)、俯仰編碼器和限位開(kāi)關(guān)。

現(xiàn)代數(shù)字伺服控制采用高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），直接對(duì)位置和電流信號(hào)進(jìn)行采樣，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字比較、數(shù)字調(diào)節(jié)運(yùn)算（數(shù)字濾波）、數(shù)字脈寬調(diào)制等各種功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的精確控制。DSP采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間，允許同時(shí)存取程序和數(shù)據(jù)，內(nèi)置高速的硬件乘法器，增強(qiáng)的多級(jí)流水線，使DSP具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。與單片機(jī)相比，DSP更適合于設(shè)計(jì)數(shù)字伺服控制器。目前，市場(chǎng)上用于伺服控制的DSP芯片以美國(guó)德州儀器（TI）公司的TMS320C2000系列為主流。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

方位伺服控制器與俯仰伺服控制器硬件電路完全相同，只是外部接線關(guān)系有所區(qū)別。

（1）主控芯片。主控芯片選用美國(guó)德州儀器（TI）公司的TMS320F2812為控制核心，其最高工作頻率為150MHz，可實(shí)現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)處理速度；片內(nèi)集成Flash為128K*16bits，程序可以通過(guò)JTAG接口下載到片內(nèi)FLASH中；芯片內(nèi)部集成有電機(jī)控制專用模塊，使得控制電路更加精簡(jiǎn)高效；片內(nèi)具有兩路串行通信接口，可滿足系統(tǒng)的通訊要求；最多有56個(gè)通用I/O接口，滿足系統(tǒng)對(duì)I/O口的需求。

（2）驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)電路和功率轉(zhuǎn)換電路選用IR公司的專用驅(qū)動(dòng)芯片和功率MOSFET構(gòu)成H橋，過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)可以有效地保護(hù)電機(jī)。

（3）通信接口設(shè)計(jì)。由于方位伺服控制器需要兩個(gè)串口分別與上位機(jī)和俯仰伺服控制器進(jìn)行通信，因此電路設(shè)計(jì)了兩個(gè)串行通信接口?？紤]到與上位機(jī)的通信距離，設(shè)計(jì)了一路RS422通信接口。另外一個(gè)通信接口為RS232，用作方位和俯仰伺服控制器之間的通信。

（4）JTAG接口設(shè)計(jì)。MCU的程序通過(guò)JTAG接口下載到片內(nèi)FLASH中，上位機(jī)通過(guò)仿真器可以對(duì)程序進(jìn)行在線調(diào)試[2]。

（5）電源設(shè)計(jì)。TMS320F2812的供電電壓分別為3.3V和1.9V，通過(guò)開(kāi)關(guān)電源芯片實(shí)現(xiàn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

伺服控制系統(tǒng)的軟件是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制功能的核心，本系統(tǒng)軟件包括方位伺服控制器軟件和俯仰伺服控制器軟件，伺服控制軟件在TMS320F2812上運(yùn)行。軟件設(shè)計(jì)基于TI公司提供的CCS軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使用C語(yǔ)言進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，采用模塊化軟件設(shè)計(jì)方法，使得整個(gè)程序的結(jié)構(gòu)非常合理。

方位伺服控制軟件與俯仰伺服控制軟件的主要功能基本相同，只是在一些細(xì)節(jié)處理方面有所區(qū)別。因此在軟件設(shè)計(jì)方面，盡量考慮兼容性，用同一個(gè)軟件分別適用于方位和俯仰伺服控制器，只是通過(guò)更改標(biāo)志位來(lái)區(qū)分軟件。

伺服控制軟件主要由系統(tǒng)初始設(shè)置模塊、RS422串口數(shù)據(jù)通信模塊、RS232串口數(shù)據(jù)通信模塊及運(yùn)動(dòng)控制模塊等組成。

系統(tǒng)初始設(shè)置模塊主要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，主要完成系統(tǒng)時(shí)鐘、通用I/O口、PWM模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、SCI串行通信接口、定時(shí)器模塊以及中斷優(yōu)先級(jí)等的設(shè)置。另外還完成系統(tǒng)變量的初始化，包括PI調(diào)節(jié)器參數(shù)以及運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)的參數(shù)的初始化。

中斷子程序主要包括過(guò)流保護(hù)中斷和定時(shí)器周期中斷子程序。過(guò)流保護(hù)電路檢測(cè)流過(guò)電機(jī)相繞組中的電流，當(dāng)過(guò)流發(fā)生時(shí)，電路輸出一個(gè)低電平過(guò)流信號(hào)輸入DSP的I/O口，從而觸發(fā)優(yōu)先級(jí)最高的過(guò)流保護(hù)中斷。在過(guò)流保護(hù)中斷服務(wù)程序中，關(guān)斷所有的驅(qū)動(dòng)模塊，使功率管全部處于關(guān)斷狀態(tài)，并顯示過(guò)流故障碼，然后進(jìn)入死循環(huán)，等待復(fù)位。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的伺服控制系統(tǒng)以TI公司的TMS320F2812為控制核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)方位軸和俯仰軸的運(yùn)動(dòng)控制、軸角位置編碼、伺服轉(zhuǎn)臺(tái)狀態(tài)檢測(cè)以及串口通信等功能。在綜合考慮跟蹤性能和可靠性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了整個(gè)伺服控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件編程，通過(guò)桌面調(diào)試及實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了系統(tǒng)方案的有效性，該控制系統(tǒng)性能良好，完全滿足伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的控制需求，是一款經(jīng)濟(jì)可靠的小型伺服控制系統(tǒng)。