穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、技技 術(shù)術(shù) 論論 文文學(xué)校：學(xué)校： 南京理工大學(xué)南京理工大學(xué) 隊(duì)隊(duì)伍：伍： 7046 指導(dǎo)老師： 李軍 成員 1： 雷楊 成員 2： 陳舒思 成員 3： 鄺平 作品名稱：作品名稱：高精度穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)高精度穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng) I摘摘 要要穩(wěn)定平臺(tái)能夠隔離載體角運(yùn)動(dòng)，在載體機(jī)動(dòng)狀態(tài)下建立穩(wěn)定基準(zhǔn)面，使安裝在平臺(tái)上的光電設(shè)備不會(huì)因載體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的抖動(dòng)和滾動(dòng)而丟失目標(biāo)，保證光電設(shè)備準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)和跟蹤目標(biāo)，因此廣泛應(yīng)用于民用和軍事領(lǐng)域。設(shè)計(jì)的高精度穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)是以動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀為速度敏感元件，旋轉(zhuǎn)變壓器為角度測(cè)量元件，DSP 控制器 TMS320F28335 為主控芯片，直流力矩電機(jī)為被控對(duì)象的閉環(huán)控制

2、系統(tǒng)。根據(jù)所需關(guān)鍵器件的選型設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件電路，包括速度和角度信號(hào)采樣電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、通信電路等。采用電流環(huán)和位置環(huán)的雙閉環(huán)控制方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)載體靜止時(shí)的伺服控制；采用電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的三閉環(huán)控制方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在載體運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定控制。以上兩種控制模式下的角度控制精度都能夠達(dá)到 0.05mrad，載體運(yùn)動(dòng)時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定控制模式下隔離擾動(dòng)效果很好。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，具有良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，能夠滿足穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的性能要求。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：穩(wěn)定平臺(tái) DSP 陀螺儀 伺服控制 II目目 錄錄1.1. 作品創(chuàng)意作品創(chuàng)意.12.2. 方案設(shè)計(jì)與論證方案設(shè)計(jì)與論證.1

3、2.1 主控芯片的選擇與論證 .22.2 陀螺的選擇與論證.32.3 力矩電機(jī)的選擇與論證 .32.4 位置檢測(cè)元件的選擇與論證 .33.3. 系統(tǒng)硬件與原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件與原理圖設(shè)計(jì).43.1 最小系統(tǒng)外圍電路 .43.2 旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路 .53.3 濾波采樣電路 .63.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 .73.5 通信電路 .83.6 閉鎖電路 .93.7 電源隔離電路 .94.4. 軟件設(shè)計(jì)與流程軟件設(shè)計(jì)與流程.104.1 主程序框架 .104.2 中斷程序設(shè)計(jì).105.5. 系統(tǒng)測(cè)試與分析系統(tǒng)測(cè)試與分析.135.1 系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境 .135.2 系統(tǒng)靜止?fàn)顟B(tài)下伺服控制調(diào)試結(jié)果 .135.3

4、 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下穩(wěn)定控制調(diào)試結(jié)果 .156 6作品難點(diǎn)與創(chuàng)新作品難點(diǎn)與創(chuàng)新.186.1 難點(diǎn).186.2 創(chuàng)新點(diǎn).1811. 作品創(chuàng)意作品創(chuàng)意陀螺穩(wěn)定平臺(tái)作為穩(wěn)定視軸或瞄準(zhǔn)線的主要手段，多年來一直是國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)的主要研究對(duì)象。從地面上的汽車、坦克到空中的飛機(jī)、衛(wèi)星等，都可以看到陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的身影。其主要作用是用來消除載體受到的干擾，使載體能夠按照既定的方向運(yùn)動(dòng)或者在慣性空間中保持穩(wěn)定。本作品設(shè)計(jì)了雙軸穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)可工作在兩種不同的工作模式：載體靜止時(shí)的伺服控制和載體運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定控制。其中載體靜止時(shí)系統(tǒng)工作于伺服控制模式，系統(tǒng)作用是使被穩(wěn)定平臺(tái)轉(zhuǎn)角相對(duì)基座保持固定不變或跟隨指令信

5、號(hào)進(jìn)行跟蹤運(yùn)動(dòng)，采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為角度反饋器件；載體運(yùn)動(dòng)時(shí)系統(tǒng)工作于穩(wěn)定控制模式，控制系統(tǒng)主要功能是隔離載體運(yùn)動(dòng)及平臺(tái)受到的各種擾動(dòng)信號(hào)，保持平臺(tái)相對(duì)于慣性空間穩(wěn)定，以保證光電裝置可以獲得穩(wěn)定的視場(chǎng)，采用陀螺儀作為平臺(tái)速度反饋器件。系統(tǒng)兩種控制模式如圖 1.1、圖 1.2所示。位置校正電流校正電流反饋電流環(huán)節(jié)位置反饋旋轉(zhuǎn)變壓器iTs11電機(jī)sJJLM)(1s1LT負(fù)載轉(zhuǎn)矩0位置環(huán)節(jié)0圖 1.1 載體靜止時(shí)伺服控制框圖位置校正速率穩(wěn)定電流校正電流反饋電流環(huán)節(jié)速度反饋平臺(tái)陀螺iTs11電機(jī)sJJLM)(1s1LT負(fù)載轉(zhuǎn)矩0速度環(huán)節(jié)位置環(huán)節(jié)0速度積分w圖 1.2 載體運(yùn)動(dòng)時(shí)穩(wěn)定控制框圖2. 方案設(shè)計(jì)

6、方案設(shè)計(jì)與論證與論證針對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)的功能和用途，我們?cè)O(shè)計(jì)了系統(tǒng)控制方案，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示，系統(tǒng)分為方位軸和俯仰軸兩個(gè)自由度的控制電路設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)在這兩個(gè)方向上的結(jié)構(gòu)基本一致，主要可以分為信號(hào)采集、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和信息交2互三部分。控制過程為：陀螺敏感到平臺(tái)在慣性空間的角速度信號(hào)，經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)傳送給 DSP 主控制器，同時(shí)旋轉(zhuǎn)變壓器感應(yīng)到的平臺(tái)位置信號(hào)經(jīng)過軸角粗精通道編碼后，也傳送到 DSP 中，在 DSP 中經(jīng)過信號(hào)處理和控制算法處理后，產(chǎn)生控制力矩電機(jī)的信號(hào)，以抵消擾動(dòng)力矩使平臺(tái)穩(wěn)定并跟蹤目標(biāo)。圖 2.1 方案整體設(shè)計(jì)圖2.1 主控芯片的選擇與論證主控芯片的選擇與

7、論證TMS320F28335 型數(shù)字信號(hào)處理器 TI 公司的一款 TMS320C28X 系列浮點(diǎn)DSP 控制器。與以往的定點(diǎn) DSP 相比，該器件的精度高，成本低， 功耗小，性能高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量大，A/D 轉(zhuǎn)換更精確快速等。TMS320F28335 具有 150MHz 的高速處理能力，具備 32 位浮點(diǎn)處理單元，6 個(gè) DMA 通道支持 ADC、McBSP 和 EMIF，有多達(dá) 18 路的 PWM 輸出，其中有 6 路為 TI 特有的更高精度的 PWM 輸出 (HRPWM)，12 位 16 通道 ADC。得益于其浮點(diǎn)運(yùn)算單元，用戶可快速編寫控制算法而無需在處理小數(shù)操作上耗費(fèi)

8、過多的時(shí)間和精力，與前代 DSC 相比，平均性能提高 50%，并與定點(diǎn) C28x 控制器軟件兼容，從而簡(jiǎn)化軟件開發(fā)， 縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。與作用相當(dāng)?shù)?32 位定點(diǎn)技術(shù)相比，快速傅立葉轉(zhuǎn)換（FFT）等復(fù)雜計(jì)算算法采用新技術(shù)后性能提升了一倍之多。這些特點(diǎn)使得 TMS320F28335 非常適合于本設(shè)計(jì)伺服2控制系統(tǒng)使用。2.2 陀螺的選擇與論證陀螺的選擇與論證本系統(tǒng)所采用的陀螺儀為動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀，與常用的輸出位置信號(hào)的液浮陀螺不同，該陀螺輸出的是速率信號(hào)，經(jīng)過調(diào)研該型陀螺是目前國(guó)內(nèi)同等體積下精度較高的一款陀螺儀。動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀是一種雙自由度陀螺儀，它利用可以準(zhǔn)確補(bǔ)償摩擦力矩的撓性支承懸掛

9、陀螺轉(zhuǎn)子，消除了摩擦干擾力矩，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠。外環(huán)的轉(zhuǎn)子通過外扭桿與內(nèi)環(huán)的平衡環(huán)相連，平衡環(huán)通過內(nèi)扭桿與力矩電機(jī)軸相連，轉(zhuǎn)子可以繞內(nèi)外軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，是目前比較常用的一款陀螺儀2.3 力矩電機(jī)的選擇與論證力矩電機(jī)的選擇與論證執(zhí)行元件影響著被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)狀況與系統(tǒng)精度。通常選用電機(jī)作為穩(wěn)定平臺(tái)伺服控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件。目前使用的電機(jī)有：直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電機(jī)以及直流力矩電機(jī)等。根據(jù)平臺(tái)穩(wěn)定系統(tǒng)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的工作要求，選用直流力矩電機(jī)作為穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件。其主要特點(diǎn)是可以長(zhǎng)期在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下運(yùn)行，和負(fù)載直接相連無需加裝減速齒輪，避免了空回除此之外，力矩電機(jī)還具有反映快、精度高

10、!藕合剛度大、低轉(zhuǎn)速、線性度好，體積小等優(yōu)點(diǎn)。2.4 位置檢測(cè)元件的選擇與論證位置檢測(cè)元件的選擇與論證平臺(tái)的環(huán)架位置就是各個(gè)環(huán)的力矩電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，比較常用的獲取電機(jī)轉(zhuǎn)角的裝置主要有光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器等。在工業(yè)生產(chǎn)中光電編碼器的精度可以做到很高，測(cè)量范圍廣，且很多數(shù)字控制器都有專用外設(shè)結(jié)構(gòu)與其相匹配，所以其使用更為廣泛。但在此處力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度比較小，轉(zhuǎn)速快慢變化范圍較大，并且由于系統(tǒng)使用環(huán)境存在大沖擊等惡劣因素，電機(jī)角度采樣裝置除了需要能精確地反映電機(jī)真實(shí)的轉(zhuǎn)角外，還需要有較強(qiáng)的抗沖擊和抗誤差能力。旋轉(zhuǎn)變壓器是在測(cè)角系統(tǒng)中廣泛采用的一種高精度角度傳感器，精度高、動(dòng)態(tài)性能好、抗干擾能力

11、強(qiáng)，尤其適用于高溫、嚴(yán)寒、潮濕、高速、振動(dòng)等環(huán)境惡劣、旋轉(zhuǎn)編碼器無法正常工作的場(chǎng)合。它利用電磁感應(yīng)原理將直線位移或轉(zhuǎn)動(dòng)角度精確地轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，按極對(duì)數(shù)可以分為單對(duì)極和多對(duì)極型。由于粗機(jī)（單對(duì)極旋轉(zhuǎn)變壓器）測(cè)量范圍大但精度低，精機(jī)（多對(duì)極旋轉(zhuǎn)變壓器）測(cè)量范圍小但精度高，在測(cè)量電機(jī)角度時(shí)一般都采用精機(jī)和粗機(jī)相組合的方式獲取準(zhǔn)確角度。3. 系統(tǒng)硬件與原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件與原理圖設(shè)計(jì)3.1 最小系統(tǒng)外圍電路最小系統(tǒng)外圍電路JTAG 接頭是 DSP 與仿真器的接口，通過該接口可以很方便的對(duì) DSP 進(jìn)行仿針和調(diào)試，圖 3.1 所示為無緩沖器的簡(jiǎn)易接法。需要注意的是當(dāng) JTAG 接口與 DSP 的距離大于

12、15cm 時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮增加信號(hào)緩沖器。圖 3.1 JTAG 接口TMS320F228335 的最高主頻為 150MHZ，為了正常工作需要為其提供時(shí)鐘輸入信號(hào)。有兩種時(shí)鐘提供方式，一種是直接使用外部振蕩器提供，另一種是使用 DSP 內(nèi)部振蕩器但需要外接石英晶振如圖 3.2 所示。從易實(shí)現(xiàn)性和成本上考慮使用后種方式來為 DSP 提供時(shí)鐘輸入。圖 3.2 石英晶振電路電源和復(fù)位電路如圖 3.3 所示。一路輸出穩(wěn)定 3.3V 電壓，另一路選擇=18.2K，由式 3.1 可以得到輸出電壓為 1.9V。兩路電壓通過 TPS3305-18 來1R監(jiān)測(cè)電壓穩(wěn)定情況，在按下手動(dòng)復(fù)位按鍵和電源電壓不穩(wěn)時(shí)復(fù)位 DSP

13、。4圖 3.3 電源和復(fù)位電路3.2 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路圖 3.4 中 S1，S2，S3，S4 為旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號(hào)，CDD0CSD11 為對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸出量。為了將所有輸出位一次性送出，需要將 BYSEL 信號(hào)至高或者懸空，信號(hào)為模塊的片選信號(hào)，當(dāng)需要讀取輸出數(shù)據(jù)時(shí)需要將其置低，INH為數(shù)據(jù)輸出使能信號(hào)可以接控制器的，BUSY 信號(hào)為模塊轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志，ENRD當(dāng)轉(zhuǎn)換完成時(shí)輸出一個(gè)高脈沖。圖 3.4 旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路其供電電源電路如圖 3.5 所示，電源轉(zhuǎn)換模塊輸入為 26V 直流電，輸出26V、400HZ 交流電源。圖 3.5 26V 交流電源53.3

14、濾波采樣電路濾波采樣電路如前所述，陀螺速率信號(hào)、操縱瞄準(zhǔn)信號(hào)和漂移補(bǔ)償信號(hào)等需要進(jìn)行濾波采樣，幾種信號(hào)的采樣電路結(jié)構(gòu)相似，以陀螺速率信號(hào)采樣電路為例，如圖 3.6所示，信號(hào)經(jīng)過前置差分放大電路進(jìn)行減噪處理后，通過 RC 低通濾波器濾除速度信號(hào)中的高頻噪聲干擾，再經(jīng)過電壓跟隨器進(jìn)行前后級(jí)的隔離，最后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)數(shù)字量。圖 3.6 陀螺速率信號(hào)采樣電路系統(tǒng)需要采集的模擬量比較多，對(duì)應(yīng)需要讀取的信號(hào)線就多，但 DSP 的數(shù)據(jù)線和板卡面積有限，而且對(duì)數(shù)字控制系統(tǒng)來說，對(duì)信號(hào)量的讀取是分時(shí)進(jìn)行的。因此從各方面考慮沒有必要為每個(gè)讀取的模擬量單獨(dú)配置一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，這就要求必須使用緩沖器件對(duì)信號(hào)

15、進(jìn)行鎖存以便分時(shí)進(jìn)行讀取。以陀螺速率信號(hào)的漂移補(bǔ)償和零偏補(bǔ)償電路為例，就使用了多路開關(guān)來分時(shí)選通補(bǔ)償量進(jìn)行補(bǔ)償。如圖 3.7 所示，該多路開關(guān)最多可以選通 8 路模擬信號(hào)，實(shí)際中只使用了 4 路。圖 3.7 多路開關(guān)對(duì)于并行數(shù)據(jù)，使用 54HC541 為鎖存緩沖器電路，如圖 3.8 所示。由于鎖存輸出信號(hào)為 5V 電平標(biāo)準(zhǔn)，需要 54ALVC16245 進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，如圖 3.9 所示。6圖 3.8 鎖存緩沖器電路圖 3.9 電平轉(zhuǎn)換電路3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖 3.10 所示，DSP 輸出的兩路 PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過光耦 HCPL2601 隔離后送至集成驅(qū)動(dòng)器 MC33486 用

16、以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，MC33486 的控制信號(hào)以及反饋信號(hào)也通過光耦進(jìn)行隔離。由 7805 構(gòu)成的電壓轉(zhuǎn)換電路給光耦位于電機(jī)側(cè)信號(hào)提供單獨(dú)的+5V 電源。圖 3.10 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路73.5 通信電路通信電路CAN 通信和 SCI 串行通信電路如圖 3.11 所示，本系統(tǒng)使用的 CAN 通信速率達(dá)到了 1Mb/s，SCI 串行通信采用了 115200bit/s 的波特率，經(jīng)過實(shí)際調(diào)試，兩路通信正常穩(wěn)定，板卡間信息交互良好。圖 3.11 CAN 和 SCI 串行通信電路對(duì)于 CAN 通信與 MRC 總線通信轉(zhuǎn)接電路，由于使用的 RAM 只有 4K，實(shí)際只使用了 1K，而 DSP28335 外設(shè)總線接口的

17、ZONE0 區(qū)，可以訪問 8K 的地址空間，所以其訪問范圍是足夠的。在此使用 28335 的 ZONE0 區(qū)訪問信號(hào)線作為該雙向 RAM DSP 側(cè)片選，另一側(cè)接 MRC 總線控制器，其電路圖如圖3.12 所示，設(shè)置 RAM 為字訪問模式。圖 3.12 雙向 RAM 應(yīng)用電路83.6 閉鎖電路閉鎖電路穩(wěn)定平臺(tái)在斷電情況下是無法正常工作的，為了使平臺(tái)方位軸和俯仰軸在斷電情況下不隨載體的運(yùn)動(dòng)顛簸作無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，保護(hù)上反光鏡和機(jī)械裝置，本系統(tǒng)設(shè)置了閉鎖保護(hù)電路用于在斷電情況下鎖定穩(wěn)定平臺(tái)。其工作電路如圖3.13 所示，由于閉鎖電機(jī)是大電流設(shè)備，同樣使用光耦對(duì)控制信號(hào)和功率設(shè)備進(jìn)行隔離，閉鎖電路不需要高

18、頻觸發(fā)，所以在此處使用了導(dǎo)通頻率相對(duì)不高的普通光耦完全滿足使用要求。輸入高電平將使穩(wěn)定平臺(tái)處于閉鎖狀態(tài)，反之則打開電磁鐵，系統(tǒng)工作時(shí)應(yīng)打開閉鎖狀態(tài)的電磁鐵。圖 3.13 閉鎖電路3.7 電源隔離電路電源隔離電路由于數(shù)字電源通常均含有高頻干擾，因此模擬電源與數(shù)字電源不能直接相連通，需要經(jīng)過磁珠之類的元件進(jìn)行一定的隔離，如圖 3.14 所示。圖 3.14 共地電路94. 軟件設(shè)計(jì)與流程軟件設(shè)計(jì)與流程4.1 主程序框架主程序框架系統(tǒng)中用到了 DSP 芯片的多個(gè)模塊，需對(duì)其進(jìn)行初始化。另外，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，我們定義了多種狀態(tài)，為了標(biāo)識(shí)這些狀態(tài)，定義一個(gè)標(biāo)志位 flag，通過 flag 的值來記錄和識(shí)

19、別系統(tǒng)所處的工作狀態(tài)。對(duì)于這些狀態(tài)的具體定義，會(huì)在后面詳細(xì)介紹。如圖 4.1 為系統(tǒng)的主程序框圖。系統(tǒng)一開始先關(guān)閉所有中斷，對(duì)系統(tǒng)初始化，然后對(duì)用到的模塊進(jìn)行初始化，再設(shè)置中斷向量表，完成這些工作后打開中斷，等待中斷。中斷程序是用來處理信號(hào)采集、控制算法計(jì)算等工作。開始系統(tǒng)初始化關(guān)中斷定時(shí)器初始化CAN初始化IO口初始化系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)志位flag初始化中斷向量設(shè)置開中斷運(yùn)行圖 4.1 系統(tǒng)主程序框圖4.2 中斷程序設(shè)計(jì)中斷程序設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行主要依賴于中斷程序的運(yùn)行，中斷程序的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到系統(tǒng)的信號(hào)采集、算法計(jì)算以及控制執(zhí)行。因此可以說中斷程序的設(shè)計(jì)是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的核心。由于陀螺信號(hào)的精度對(duì)系

20、統(tǒng)影響非常重要，因此對(duì)于陀螺信號(hào)的采集頻率要求很高。這就要求定時(shí)中斷的間隔時(shí)間盡可能短。又由于信號(hào)采樣、信號(hào)處10理、控制計(jì)算都要在中斷程序內(nèi)完成，在中斷的間隔時(shí)間內(nèi)必須保證能完成這些工作。因此在綜合考慮了這兩個(gè)因素后，將定時(shí)中斷的時(shí)間定為 100us。在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，能兼顧上述兩種情況。陀螺的采樣需要在每次中斷執(zhí)行中都完成一次，而旋轉(zhuǎn)變壓器的采樣則不用這么頻繁，控制算法的執(zhí)行頻率也不用這么高。因此在定時(shí)中斷程序內(nèi)定義一個(gè)計(jì)數(shù)器 count_interrupt，將中斷任務(wù)分為十次一組，count_interrupt 在不同的值時(shí)對(duì)應(yīng)不同的任務(wù)。具體安排如表 5.1：表 4.1 中斷任務(wù)分配cou

21、nt_interrupt 的值對(duì)應(yīng)的任務(wù)0陀螺儀信號(hào)采樣1陀螺儀信號(hào)采樣、置位調(diào)零選通信號(hào)2陀螺儀信號(hào)采樣、采樣調(diào)零信號(hào)3陀螺儀信號(hào)采樣、置位調(diào)漂選通信號(hào)4陀螺儀信號(hào)采樣、采樣調(diào)漂信號(hào)5陀螺儀信號(hào)采樣6陀螺儀信號(hào)采樣7陀螺儀信號(hào)采樣、采樣旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)8陀螺儀信號(hào)采樣9陀螺儀信號(hào)采樣、計(jì)算并輸出控制量中斷程序流程圖如圖 4.2。圖 4.2 中的 tiaoling_tiaopiao_count 是用來計(jì)數(shù)保證每隔 0.1s 的時(shí)間計(jì)算一次調(diào)零調(diào)漂的補(bǔ)償值。中斷程序中，首先判斷中斷任務(wù)計(jì)數(shù)器 count_interrupt 是否為最大值，是則清零，否則累加。然后進(jìn)行陀螺儀信號(hào)的采樣，這是每次進(jìn)中斷

22、都要運(yùn)行的，目的是為了采集到盡可能多的數(shù)據(jù)來保證信號(hào)的精度。然后根據(jù)中斷任務(wù)計(jì)數(shù)器的值，按照表 5.1 分別執(zhí)行響應(yīng)的任務(wù)。在 count_interrupt=9 時(shí)，任務(wù)是計(jì)算并輸出控制量，這里還要根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài) flag 的不同分別進(jìn)行不同的算法計(jì)算，論文后面將會(huì)詳細(xì)介紹系統(tǒng)在不同狀態(tài)下的工作過程。在完成了以上工作后，計(jì)數(shù)器 tiaoling_tiaopiao_count每計(jì)數(shù)滿 1000 次就計(jì)算一次調(diào)零調(diào)漂的補(bǔ)償值。由于調(diào)零調(diào)漂的采樣值相對(duì)穩(wěn)定，因此計(jì)算補(bǔ)償值的周期不需要很短。11開始count_interrupt=9?count_interrupt加1NYcount_interrupt

23、=0陀螺儀信號(hào)采樣count_interrupt=1?count_interrupt=2?count_interrupt=3?count_interrupt=4?count_interrupt=7?count_interrupt=9?NNNNN計(jì)算并輸出控制量采旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)調(diào)漂信號(hào)采樣置位調(diào)漂選通信號(hào)調(diào)零信號(hào)采樣置位調(diào)零選通信號(hào)YYYYYYtiaoling_tiaopiao_count=1000?計(jì)算調(diào)零調(diào)漂補(bǔ)償值；清零計(jì)數(shù)器清中斷標(biāo)志位YNtiaoling_tiaopiao_count加1結(jié)束N圖 4.2 中斷程序流程圖125. 系統(tǒng)測(cè)試與分析系統(tǒng)測(cè)試與分析5.1 系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境

24、最終成型的板子實(shí)物圖如圖 5.1 和圖 5.2 所示，其中圖 5.1 為俯仰軸控制電路板，圖 5.2 為方位軸控制電路板。系統(tǒng)在具備雙軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)樣機(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一系列的調(diào)試。圖 5.3 為系統(tǒng)功能樣機(jī)，圖 5.4 為系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境，主要包括電腦、26V 直流電源、示波器、控制箱、仿真器、CAN 通信板卡等。如前所述，在調(diào)試的過程中可以通過 CAN 通信在 CCS3.3 開發(fā)環(huán)境中對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示分析，也可以通過 CAN 通信板卡在上位機(jī)界面上對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行觀察分析、發(fā)送控制命令、調(diào)節(jié)控制算法參數(shù)等。5.2 系統(tǒng)靜止?fàn)顟B(tài)下伺服控制調(diào)試結(jié)果系統(tǒng)靜止?fàn)顟B(tài)下伺服控制調(diào)試結(jié)果系統(tǒng)工作

25、于靜止?fàn)顟B(tài)下伺服控制模式時(shí)，主要的功能就是根據(jù)指令調(diào)轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置并相對(duì)基座坐標(biāo)系保持位置不變。初上電時(shí)系統(tǒng)打開處于閉鎖狀態(tài)的電磁鐵，然后進(jìn)入靜止?fàn)顟B(tài)下伺服控制尋零，并保持在零位。平臺(tái)開始上電時(shí)電磁鐵為閉鎖狀態(tài)，在 7.08s 時(shí)系統(tǒng)切換到靜止?fàn)顟B(tài)下伺服控制模式，電磁鐵開鎖，控制方位電機(jī)和俯仰電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使方位和俯仰方向歸零（方位和俯仰方向上旋變角度值為零） ，平臺(tái)響應(yīng)曲線如圖 5.5 所示，經(jīng)過3s 系統(tǒng)歸零且一直穩(wěn)定在零位。經(jīng)測(cè)試平臺(tái)穩(wěn)定誤差為mrad，即上下波0.05動(dòng)一個(gè)碼位。圖 5.1 俯仰板電路圖13 圖 5.3 系統(tǒng)功能樣機(jī)圖5.4 系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境靜止?fàn)顟B(tài)下伺服控制狀態(tài)下穩(wěn)瞄裝置可以

26、切換到方位和俯仰上的任意角度，調(diào)試中 4.23s 處輸入命令使方位角從 0 到 409.5mrad，俯仰不變。經(jīng)過 7.53s 方位和俯仰角度誤差為mrad 以內(nèi)，到 25s 處誤差為零，實(shí)驗(yàn)效果如圖 5.6 所0.5示。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，平臺(tái)基座受到小擾動(dòng)信號(hào)為認(rèn)為觸碰基座產(chǎn)生擾動(dòng)效果，實(shí)驗(yàn)效果如圖 5.7 所示。圖 5.2 俯仰板電路圖14050010001500200025003000-40-20020Time(10ms)仰 仰 仰 仰 仰 0.05mil仰 仰 仰 仰 仰 仰 仰050010001500200025003000-10000100020003000Time仰 10ms仰

27、仰 仰 仰 仰 仰 0.05mil仰 仰 仰 仰 仰 仰 仰圖 5.5 切換到靜止?fàn)顟B(tài)下伺服控制模式平臺(tái)響應(yīng)圖050010001500200025003000-50000500010000Time仰 10ms仰仰 仰 仰 仰 仰 0.05mil仰 仰 仰 仰 仰 仰 仰050010001500200025003000-20-1001020Time(10ms)仰 仰 仰 仰 (0.05mil) 仰 仰 仰 仰 仰 仰圖 5.6 方位角度切換平臺(tái)響應(yīng)圖5.3 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下穩(wěn)定控制調(diào)試結(jié)果系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下穩(wěn)定控制調(diào)試結(jié)果由于實(shí)際中沒有給定跟蹤速度的操縱桿，所以在調(diào)試時(shí)我們使用 CAN 通信來設(shè)定跟蹤

28、速度給定值以及該值對(duì)應(yīng)的標(biāo)度因數(shù)，通過動(dòng)態(tài)修改跟蹤速度給定值的方式來模擬操縱桿給定跟蹤速度。這里給方位環(huán)加入約的操縱速0.8 / s度，從圖 5.8 可以看到方位環(huán)原處于穩(wěn)定控制下的穩(wěn)定狀態(tài)，加入操縱速度后可以看到，方位電機(jī)迅速跟隨操縱速度運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡整體呈線性，從橫軸約152100 點(diǎn)開始到 2500 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)了約 566 個(gè)碼值，即在 1.923s 內(nèi)運(yùn)動(dòng)了，運(yùn)動(dòng)1.554速度約為，跟蹤較為準(zhǔn)確。0.808 / s050010001500200025003000-20-10010Time(10ms)仰 仰 仰 仰 (0.05mil) 仰 仰 仰 仰 仰 仰05001000150020002

29、5003000-4-2024Time(10ms)仰 仰 仰 仰 (0.05mil) 仰 仰 仰 仰 仰 仰圖 5.7 平臺(tái)基座受到擾動(dòng)下的響應(yīng)050010001500200025003000-1600-1400-1200-1000-800-600-400-2000200Time仰 10ms仰仰 仰 仰 仰 仰 仰 仰 0.05mil仰 仰 仰 仰 仰 仰 仰 仰 仰 仰圖 5.8 方位環(huán)跟蹤運(yùn)動(dòng)軌跡給俯仰環(huán)加入約的操縱速度，從圖 5.9 可以看到俯仰環(huán)原處于穩(wěn)定模1.6 / s式下的穩(wěn)定狀態(tài)，在加入操縱速度后，俯仰電機(jī)迅速作出響應(yīng)，從運(yùn)動(dòng)軌跡看基本無失真。俯仰電機(jī)從橫軸 2000 點(diǎn)到 250

30、0 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)了約 1440 個(gè)碼，即在 2.5s內(nèi)運(yùn)動(dòng)了，對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)速度為，從運(yùn)動(dòng)軌跡看俯仰環(huán)跟蹤準(zhǔn)確性能3.9551.58 / s良好。16050010001500200025003000-3000-2500-2000-1500-1000-5000500Time仰 10ms仰仰 仰 仰 仰 仰 仰 仰 0.05mil仰 仰 仰 仰 仰 仰 仰 仰 仰 仰圖 5.9 俯仰環(huán)跟蹤運(yùn)動(dòng)軌跡當(dāng)系統(tǒng)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下穩(wěn)定控制時(shí)，給系統(tǒng)基座水平方向加入一定的擾動(dòng)最大幅值約為，從圖 5.10 可以看到，系統(tǒng)能夠很好的隔離擾動(dòng)速度的影響，3 / s保持位于俯仰環(huán)的視軸穩(wěn)定。在沒有給定操縱速度時(shí)，基座水平移動(dòng)下光電裝置水平方向保持在正負(fù) 0.25mrad 范圍內(nèi)，垂直方向保持在正負(fù) 0.05mrad 范圍內(nèi)。擾動(dòng)速度撤去后能夠迅速回到零位且