基于TMS320F2812的弹载伺服稳定平台控制系统设计

摘要：文章介绍了弹载伺服稳定平台功能及控制要求，分析了平台控制系统组成及工作原理，说明了系统核心器件、传感器及伺服电机的选型方案，通过基于TMS320F2812高性能DSP的控制系统硬件、软件设计，完成伺服稳定平台控制系统设计。试验结果表明，该弹载伺服稳定平台各项指标满足设计要求，设计方法正确、有效。

0 引言

导弹在飞行过程中，由于发动机和空气阻力等因素的影响，弹体始终处于剧烈振动摇摆中。这种扰动不仅影响导引系统的目标角度测量精度，还影响导引系统对机动目标的探测与识别，甚至导致系统无法截获目标或丢失跟踪目标。弹载伺服稳定平台利用平台台体上安装的速率陀螺测量台体相对惯性空间的角速度，通过速率陀螺反馈构成闭环稳定控制回路，驱动伺服电动机带动平台运动，实现弹体扰动隔离，保持平台视轴稳定。当视轴与目标位置不一致时，弹载雷达导引系统测得目标角误差信号，经计算处理后形成平台跟踪信号，通过伺服电动机带动平台运动，实现平台视轴对目标的跟踪。

本项目依据某弹载雷达导引系统需求，设计一款伺服稳定平台，通过高性能DSP主控芯片、小型化传感器、微型直流伺服电动机、集成PWM功率放大芯片的选型分析及系统硬件、软件设计完成控制系统设计。

1 系统总体方案设计

1.1 系统组成及工作原理

弹载伺服稳定平台由平台机械结构和平台控制系统两部分组成。平台采用两轴双框架结构形式，平台控制系统由DSP控制电路、电动机功率驱动电路、伺服电动机、角度传感器、速率陀螺组成。系统组成方框图如图1所示。

DSP控制电路完成传感器信号采集及、平台控制算法实现、功率驱动电路PWM控制脉冲波形产生，以及导引系统计算机控制信号接收和平台测量反馈信号发送等功能，电动机功率驱动电路接收PWM控制脉冲波形并将放大后信号送至伺服电动机实现电动机驱动功能。伺服电动机作为执行机构，受电动机驱动电路控制，带动平台实现绕轴转动。角度传感器测量平台框架角度信号，速率陀螺测量平台惯性空间角速度。

1. 2 关键器件选型

1.2.1 DSP主控芯片选型

TMS320F2812 DSP芯片基于高性能的32位CPU，指令执行速率高达150MIPS，具有强大的运算能力和控制功能，片内集成了大容量Flash存储器、高速SRAM 存储器、功能强大的事件管理器(EV)、高速A/D转换模块、增强型CAN总线通信模块、SCI串行通信接口、SPI串行外设接口、多通道缓冲串口、 PLL时钟模块、看门狗、定时器以及多达56个多路复用通用IO等丰富、易用的高性能外设单元，适用于自动化设备控制、电动机数字控制、数字伺服系统控制等场合。

1. 2.2 传感器选型

基于本项目所设计伺服稳定平台应用于弹载雷达导引系统，因此，对平台外形尺寸及重量要求及其严格，传感器选型的关键在于器件小型化、轻量化及对弹载使用环境的适应性。

1.2.2.1 角度传感器选型

角度传感器选用旋转电编码器，编码器采用数字SSI输出、分辨率17位、最大转速3500rpm。与电位器、光电编码器、旋转变压器等常用角度传感器相比具有质量轻、惯量小、功耗低、无磁敏感等诸多优点，由于其主体部分(转子、定子)采用合成介质材料制造，因此具有工作温度范围宽、抗潮湿、冷凝等优点，适用于弹载环境条件。

1，2.2.2 速率陀螺选型

速率陀螺选用双轴微机械陀螺，陀螺速率范围±400°/s，标度因数非线性度50ppm、启动时间1 s，功耗1.5W，分辨率2-14°/s，全温零位变化5°/h(全温)，采用数字RS422串口输出，波特率最高可达1.8Mbits/s。该陀螺主要优点为结构尺寸小、质量轻、功耗低、启动快、环境适应性强，适用于弹载环境条件。

1.2.3 伺服电动机选型

电动机选用带行星齿轮减速器的直流伺服电动机，行星齿轮减速器可以在尺寸和重量较小的条件下，实现大功率传动，同时，采用内啮合的行星齿轮减速器可以提高空间利用率，兼之其输入输出轴在同一轴线上，所以行星齿轮减速器的径向尺寸非常紧凑。电动机电枢电阻157Ω，电感3.4mH，峰值堵转转矩 4.45mNm，空载转速7700r/min，额定电压24V，减速比19：1。

1.2.4 功率驱动芯片选型

考虑本系统电动机驱动需求、驱动控制逻辑及器件性能指标，选用MSK4201型PWM功率放大芯片作为电动机驱动芯片。MSK4201内部集成了功率场效应管H桥电路，H桥自举驱动与控制电路，最大电源母线电压75V，连续输出电流5A，满足系统功率驱动要求。H桥自举驱动与控制电路包括场效应管驱动、死区时间产生及H桥关断等电路。

2 系统硬件电路设计

系统硬件电路由DSP控制电路和电动机功率驱动电路组成，其中DSP控制电路包含DSP主控模块、传感器信号采集模块、通讯控制模块等功能模块电路。系统硬件电路组成框图如图4所示。

2.1 DSP控制电路

2.1.1 DSP主控模块

由TMS320F28 1 2、振荡电路、LDO电路、JATG接口电路及外部扩展SRAM电路组成，主要完成DSP工作环境设置及存储空间扩展。设计中选用30MHz石英晶体振荡器提供系统时钟，LDO芯片提供DSP内核及I/O工作电源，片外扩展SRAM存储空间为512K×16bit。

2.1.2 传感器信号采集模块

旋转电编码器采用+5V供电，采用SSI串行通信接口，通信时钟频率为0.5～2.5MHz，输入输出信号为Rs-422差分电平。由于TMS320F28 12数字量IO供电电压为+3.3V，无法直接与旋转电编码器直接连接，输入输出信号需经总线驱动电路、RS-422电平转换电路变换。设计中选用IDT74LVCH1 64245A双向16位总线驱动芯片和DS26LS31、DS26LS32差分总线驱动、接收器实现总线驱动与电平转换功能。

双轴微机械陀螺采用+5V供电，采用RS-422串行通信接口，其输入输出信号也需要经总线驱动电路、RS-422电平转换电路变换。

2.2 电动机功率驱动电路

由光耦隔离电路、输出使能逻辑控制电路、滤波电路组成。采用HCPL-0630高速光耦实现DSP控制电路与电动机功率驱动电路间的隔离，使用RC串联滤波电路对MSK4201输出信号进行滤波保护，提高系统电磁兼容性和工作可靠性。

3 系统软件设计

控制系统软件采用模块化设计，主要包括以下程序模块：系统初始化、串口中断、控制算法运算、PWM脉冲波形产生。

3.1 系统程序流程

主程序首先完成系统初始化，将SCI串行通信接口SCI-A设置为FIFO中断接收方式(用于控制电路与导引系统计算机串口通讯)、SCI-B设置为状态查询接收方式(用于陀螺输出信号采样)，GPIO-F设置为通用数字量I/O(用于陀螺同步触发、旋转电编码器输出采样及电机锁定信号产生)，时间管理器 EV-A和EV-B设置为连续增减技术模式(用于PWM脉冲波形产生)，软件通过CPUTIMERO定时计数器的定时功能实现算法更新，完成平台系统闭环控制。

控制系统程序流程图如图5所示。

3.2 数字PID控制算法

PID控制因其算法简单、鲁棒性好和可靠性高等优点被广泛应用于伺服稳定平台系统控制中。

对于连续系统的PID控制器，其算法表达式如下：

其中：u(t)是PID控制器的输出，e(t)是给定输入如实际输出之间的偏差量，Kp是比例增益，Ki是积分增益，kd是微分增益。

按照连续PID控制算法、以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以矩形法数值积分近似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，可得离散PID表达式为：

其中，T为采样周期，k为采样序号，k=1，2，…，e(k-1)和e(k)分别为第(k-1)和第k时刻偏差量。

由于数字PID控制未考虑积分饱和问题，不能直接输出到电动机功率驱动电路，需在PID控制输出之前设计抗积分饱和措施，以防止由于积分项的过度积累造成系统产生较大超调。

4 系统试验结果

经测试，本项目所设计伺服稳定平台主要性能指标如下：

隔离度：对幅度5°、频率1Hz正弦摆动的隔离度为43dB;

位置伺服精度：0.2°;

各项指标均满足设计任务书要求。

5 小结

本文通过基于TMS320F2812 DSP的控制电路硬件、软件设计，配合小型、数字输出传感器选型，完成弹载伺服稳定平台控制系统设计，平台系统各项指标满足设计要求。本文研究成果对于小型化、数字式弹载伺服稳定平台控制系统设计具有一定的参考价值。