滾擺式導引頭穩定平臺控制器設計

曾 龍，莫 波，亓 賀

(北京理工大學，北京 100081)

滾擺式導引頭穩定平臺控制器設計

曾 龍，莫 波，亓 賀

(北京理工大學，北京 100081)

滾擺式導引頭體積小、質量小、框架角大，能夠實現對前半球視場的覆蓋。設計了一種基于DSP TS101與PFGA的滾擺式導引頭伺服穩定控制器。分析了伺服控制器硬件電路設計與控制算法，實現對滾轉和擺動框架的伺服穩定控制。最后對滾轉、擺動框架進行隔離度試驗，取得較好的效果。

滾擺式導引頭；穩定平臺；PID前饋控制

0 引言

導引頭是現代制導武器的重要組成部分，常用的導引頭采用俯仰和偏航2個框架，具有控制系統簡單、兩通道獨立、耦合較小的優點。但由于結構限制，最大離軸角一般不超過60°。滾擺式導引頭可以達到360°的滾轉框架角，±90°的擺動框架角，可覆蓋整個前半球面，實現對目標的大離軸角跟蹤。但由于滾擺式導引頭一般應用于跟蹤高速、大機動目標及其過頂跟蹤情況下存在奇異性問題，要求滾轉框具有很高的響應速度，對伺服控制器提出了很高的要求。本文設計了一種基于DSP TS101和FPGA的滾擺式導引頭伺服控制器，試驗表明該系統具有較好的隔離性能，能滿足工程應用的需要。

1 滾擺式導引頭穩定平臺原理及研究現狀

滾擺式導引頭穩定平臺由直流電機、角速率陀螺及陀螺信號處理電路、電位計角測量傳感器、光學系統及圖像跟蹤器、伺服控制器構成。在內框擺動框架上安裝光學系統及角速率陀螺，角速率陀螺敏感滾轉與擺動方向相對于慣性空間的角速率，作為速度環反饋實現伺服穩定控制。滾擺式導引頭伺服穩定平臺結構如圖1所示[1]。

圖1 滾擺式導引頭結構示意圖Fig.1 Structure of roll-pitch seeker

由于滾擺式導引頭的大框架角、能夠覆蓋前半球面的大離軸角跟蹤的特點，國內外進行了大量的研究，且國外已經有幾個型號定型并裝備。雷聲公司2002年研制了AIM-9X滾擺式導引頭，它在測試與軍演中取得了優秀的成績并獲得了大量的訂單，目前成為美式戰機的主戰裝備之一。同年，以德國BGT公司為首的歐洲六國的公司推出了IRIS-T滾擺式導引頭，它的性能指標與AIM-9X相當，成為歐洲戰機的主戰武器之一。AIM-9X與IRIS-T最大離軸發射角均達到了±90°，IRIS-T最大跟蹤角速度達到1800(°)/s[2-3]。國內對滾擺式導引頭穩定平臺的運動學原理、過頂跟蹤的奇異性原理及控制策略都進行了很多分析和仿真[4,6-7]。在導引頭伺服控制器設計上，經典控制理論依然發揮著重要的作用，引入校正環節的PID控制器有著廣泛的應用[7]。采用位置-速度-電流的三環控制方案的導引頭伺服控制器相對位置-速度雙閉環的方案有更高的控制精度。在國內關于滾擺式導引頭的研究多在理論研究，關于工程設計的相關論述不多。本文提出了一種采用位置-速度-電流三環控制的滾擺式導引頭伺服控制器的硬件設計方案。

2 伺服控制器硬件設計方案

2.1 系統結構

伺服控制器的主要功能：1)接收圖像處理器的失調角信息、陀螺傳感器的導引頭角速度信息；2)采集電位機的位置反饋，通過霍爾電流傳感器采集電機電流反饋；3)根據反饋參數通過控制算法生成控制信號，然后通過電機驅動電路控制滾轉框電機和擺動框電機轉動，實現對導引頭位置角度與角速度的控制；4)在跟蹤狀態下保證導引頭光軸時刻對準目標，向彈載計算機發送視線角速度信息。

伺服控制器主要由處理器DSP TS101、FPGA EP3C16F256I7、通信接口電路、電流采集電路、AD轉換電路、電機驅動電路組成，系統結構如圖2所示。

圖2 伺服控制系統框圖Fig.2 Schemetic diagram of servo controller

2.2 DSP與FPGA主控電路

采用ADI公司的高速DSP處理芯片TS101作為伺服系統的主控芯片，TS101是ADI公司推出的32位高性能定浮點DSP。它采用超級哈佛結構，工作主頻300MHz，擁有豐富的片內資源，包括6Mbytes片內SRAM、主機接口、DMA控制器、鏈路口以及可以無縫組成多處理器的共享總線。64位數據總線和32位的地址總線為TS101提供4G的統一尋址空間，4通道全雙工鏈路接口最大的通信速度可以達到250Mbytes/s。同時支持8/16/32/64bit定點和32/64bit浮點數據格式，大大提高浮點運算能力，為編寫復雜的控制算法提供較強的硬件支持。

由于TS101數據處理能力強，但與外部的連接以并行總線與鏈路口的方式，而伺服控制器與圖像處理板、陀螺信號處理板、彈載計算機都通過RS422通信，與AD采集芯片通過SPI通信，同時需要生成4路高精度的PWM信號，而這些外部接口很難在DSP中完成。因此本文采用了1片FPGA處理所有與外設的通信，FPGA與DSP間采用總線方式連接，大大提高了數據交互的速度，同時讓DSP更加專注于控制算法的實現。本文采用的FPGA EP3C16F256I7是Altera公司推出的Cyclone III系列FPGA。Cyclone III FPGA所具有的體系結構和特性為低功耗、低成本應用提供了理想的解決方案。它具有200K邏輯單元(LE)、8Mbits存儲器且靜態功耗不到1/4W[8]。

2.3 電流、電位計信號調理電路

系統中需要采集紅外導引頭的4路模擬量，包括2路電位計信號和2路霍爾信號，該4路模擬信號采用共地接法。為滿足采樣需要AD分辨率不低于12位，對于4路模擬量的采集精度為±10mV；單路轉換時間不大于5μs。AD采集芯片采用AD公司集成芯片ADS723，這是一個單通道AD轉換芯片，采用SPI通信，采樣精度高、AD轉換時間短。為了采集4路模擬信號，選用了一個8路通道選擇器ADG608BR，前4通道接2路電位計信號、2路霍爾電流信號。采用多通道選擇器進行選通模擬通道可以減少AD轉換電路、光耦隔離電路以及運算放大電路，減小布線面積。為了給AD轉換芯片提供穩定的參考源，本文采用精密電源芯片REF3325為AD提供2.5V基準電壓，通過放大電路放大2倍后為AD轉換芯片提供5V基準電壓。為了匹配輸入阻抗和模擬量信號范圍，所有模擬信號經過放大電路進行信號調理。模擬信號調理與AD采集的系統框圖如圖3所示。

圖3 模擬信號調理與AD采集的系統框圖Fig.3 Block diagram of analog signal adjusting circuit and AD acquisition

2.4 電機驅動電路

電機驅動電路用于驅動2個直流有刷電機，由于滾轉框負載較大而響應要求很快，對驅動電路提出很高的要求。由于驅動電路對控制電路干擾較大，本文采用光耦隔離電路將FPGA輸入的控制信號與驅動部分隔離，驅動電路采用隔離電源單獨供電。光耦輸出端的PWM信號邊沿可能抖動，采用反向器對信號進行整理然后給MOSFET驅動芯片。

MOSFET驅動芯片作用是驅動MOSFET的通斷，為了讓芯片穩定工作，本文采用獨立隔離電源為芯片提供高端懸浮隔離電源。本文采用IRF1404 MOSFET，瞬時最大驅動電流達到100A，滿足在滾轉框過載情況下對電機驅動能力的要求。圖4所示為電機驅動的結構框圖[9]。

圖4 電機驅動結構框圖Fig.4 Block diagram of motor driving

3 伺服控制算法

導引頭伺服系統可分解成滾轉和擺動2個框架上的位置伺服系統。圖像跟蹤器處理由紅外成像傳感器傳送過來的圖像，識別目標并計算出目標的失調角信息，將失調角通過RS422發送給伺服控制系統。為滿足制導精度，位置伺服系統必須快速響應，保證導引頭光軸時刻對準目標，因此必須加入速度環和電流環。位置控制器根據偏差信息形成角速度指令信號傳遞至速度控制器，速度控制器使用撓性陀螺作為速度反饋，通過PID算法生成控制信號給電流控制器。電流控制器可以提高伺服系統的低頻性能，克服伺服結構摩擦力。圖5所示為控制系統的控制框圖[10-11]。

圖5 控制系統框圖Fig.5 Block diagram of control system

前饋PID控制器

PID控制器由比例、積分、微分三個環節構成，它的結構簡單、參數易于調整，適用于控制對象模型不明確、難以建立精確的數學模型的場合。PID控制器在連續系統控制上應用最為成熟，在定參數的線性系統中，PID參數經過整定，系統的靜態、動態性能都能達到滿意的效果。PID控制器系統原理框圖如圖6所示[12-13]。

圖6 PID控制器原理圖Fig.6 Schematic diagram of PID controller

傳統PID控制器存在一定的滯后，在高速高精度的運動控制系統中，很難在滿足相位不滯后的同時保證系統穩定且超調量小。對于滾擺式導引頭伺服穩定控制系統，由于目標在過頂區對滾轉框的伺服響應速度要求非常高，傳統的PID控制器很難滿足其高速響應要求。前饋環節對控制系統具有一定遇見性，因此本文在跟隨回路的速度環在傳統PID上引入前饋環節，提高運動控制系統的響應性能以及隔離度等指標。加入前饋環節的PID控制系統如圖7所示[14-15]。

圖7 前饋PID控制器原理圖Fig.7 Schematic diagram of feedforward PID controller

式中,Kp為比例系數；T1為積分時間常數；TD為微分時間常數;Kf為前饋系數。

4 實驗結果分析

本文設計了基于上述結構的滾擺式導引頭原理樣機，為了測試伺服控制器的性能，采用隔離度測試實驗測試滾轉框和擺動框電機的動態性能。指令由伺服控制器自動生成，通過RS422將指令與反饋信息傳回計算機。本文采用虛擬儀器軟件labwindows設計上位機軟件與伺服系統通信，繪制伺服系統數據曲線，并保存測試數據。

隔離度測試方法是將導引頭安裝在轉臺上，讓轉臺在測試軸上做正弦擺動，同時導引頭伺服系統控制導引頭光軸方向不動。在正弦擺動幅值2°頻率3Hz的情況下，計算導引頭實際擺動幅值與彈體正弦擺動幅值的百分比。由于導引頭上的陀螺傳感器不能直接檢測彈體擺動速度，本文采用導引頭上電位計角度信息差分后與陀螺角速度合成的方法計算實際的彈體擾動。

圖8所示為擺動框隔離度檢測曲線，圖9所示為滾轉框隔離度檢測曲線。由于導引頭隔離彈體擾動后擺動速度非常小，為了便于觀察將滾動框與擺動框的速度均乘以10后繪制曲線。分析隔離度測試數據，擺動框的隔離度達到2.9%，滾轉框的隔離度為3.3%，滿足工程實際的要求。

圖8 擺動框隔離度檢測曲線Fig.8 Anti-jamming result of the pitch channel

圖9 滾轉框隔離度檢測曲線Fig.9 Anti-jamming result of the roll channel

5 結論

本文設計了滾擺式導引頭伺服穩定控制器。硬件上討論了伺服控制器的硬件電路設計，分析了伺服控制器各個功能模塊的設計思路；軟件上研究分析了前饋PID控制器在伺服控制器控制上的應用。最后，通過隔離度測試實驗，滾轉框和擺動框均能滿足在實際工程系統中的要求，達到了預期的指標。

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Design of Servo Controller for Roll-Pitch Seeker’s Stabilized Platform

ZENG Long, MO Bo, QI He

(Beijing Institute of Technology, Beijing 100081，China)

Roll-pitch seeker has the advantages of small size, light weight and large frame angle which make covering over the front field of hemisphere facilely. The paper designs a servo stability controller of the roll-pitch seeker based on DSP TS101 and FPGA and then analyzes the hardware circuit design of servo controller and control algorithm which makes the servo control of roll and swing frame stable. Finally, the isolation experiment of the roll-pitch seeker and swing frame is performed, achieving good results.

Roll-pitch seeker ; Stabilized platform ; Feedforward PID control

10.19306/j.cnki.2095-8110.2016.06.008

2015-06-28；

2015-08-12。

曾龍(1991 - )，男，碩士，主要從事導引頭伺服控制研究。E-mail:13366409052@163.com

TJ765.3

A

2095-8110(2016)06-0040-05