基于DSP的光电搜跟设备伺服机构控制器研究

3 软件设计

3.1 工作流程

　　DSP控制器编辑软件采用TI公司的CCS3.3，采用C语言编辑。系统软件控制流程如图6所示。

　　(1)初始化

　　初始化包含DSP初始上电、CPLD的上电，其中，DSP在上电后，系统会将FLASH中的程序读入到DSP的RAM中，在将程序载入后，DSP会从RAM的起始位置开始执行程序，系统会配置DSP内部的资源，包括系统时钟、GPIO端口、SCI串口、ENCODE的读入端口、中断资源配置、输出端口控制。在初始化的程序中还包括与转台相关控制所需变量的初始化。

　　(2)控制器加载

　　控制器加载包括系统相关控制参数，如各个环路的放大倍数、积分网络的参数、微分网络的参数等，加载到控制器中，使系统接收到使能信号后进入闭环。

　　(3)系统自检

　　系统自检的过程包括转台俯仰轴与方位轴进入闭环控制。系统进一步会以5°/s的速度顺时针方向运动，当系统在接收到码盘零位的脉冲信号时，转台会停止在当前位置，并向上位机告知自检完好。如果DSP发现在规定的时间内系统没有运动，就会向上位机报错。

　　(4)各种运动

　　通常情况下，运动控制器会提供给使用方各种运动方案选择，如定位定速、速率模式还有扫频模式、阶跃模式等。扫频模式是用来测试被控对象的动态特性。

　　(5)控制器卸载

　　控制器卸载的过程与控制器加载的过程恰好相反。控制器在卸载后，转台将不再处于闭环状态，如果系统需要闭环就必须重新进行控制器加载。

3.2 伺服机构控制算法设计

　　为满足伺服机构静态及动态指标，控制器需要采用一定的控制算法对伺服机构进行闭环控制。随着计算机性能不断提升，诸如神经网络、遗传算法等智能控制算法在工业中得到了广泛应用，其控制精度、收敛速度等方面传统控制算法具有一定的优势。但在实时控制方面，由于算法的复杂性使得实时性很难得到保证，而传统的PID算法以其结构简单、易实现、鲁棒性高等优点，结合前馈网络等经典校正网络，在电机控制领域有着广泛的应用^[2]。

　　数字PID控制算法的计算公式为：

(1)

　　式中k为采样序号，分别为比例、积分、微分系数。

　　在对被控对象进行比例控制时，实际上是进行偏差控制，比例的参数越大，在同样的输入与反馈的偏差下，输出值就越大，对于系统的纠偏效果就越好，但是如果比例参数超出一定的范围，系统就会产生振荡。在对被控对象进行积分控制时，主要是考虑系统在到达稳态后，系统会存在一个稳态误差，积分调机器是通过将每个控制误差进行累加，会随时间的增加而增大，且作用的频带一般为低频段，所以也不会引起系统的振荡，可以提高系统的精度。在对被控对象进行微分控制时，通过微分控制器增大系统的阻尼，使阶跃响应的超调量下降，调节时间缩短，且不影响常值稳态误差及系统的自然频率。由于采用微分控制后，允许较高的开环增益，因而在保证一定的动态性能条件下，可以减小稳态误差。微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，能够提前产生抑制作用，在误差还没有产生之前消除^[3]。图7是在本设计中采用的PID控制系统原理框图，系统采用双闭环PID控制。外回路是位置环，控制系统的主回路，可以减小系统的稳态误差;内环为速度环，控制系统的辅助回路，其主要任务是抑制干扰，改善系统的动态性能。

4 系统实现

　　光电搜跟设备及DSP控制器硬件实物如图8所示。系统采用模块化设计，方便调试和系统维修，同时，充分考虑外场测试时车载运输及恶劣天气的影响，采用防震、防潮设计，提高系统的可靠性。

　　对光电搜跟设备偏航轴施加频率为0~15Hz、峰峰值为1°的正弦扫频信号，控制器将方位轴位置信息上传至管理计算机。图9与图10是方位轴实际的幅频与相频特性图。从图中可以看出系统在12Hz时，幅频的超调不超过0.5dB，相频也低于10°，满足系统的双十指标，系统的超调和延时都很小，具有良好的跟踪性能。

5 结论

　　本文设计了基于DSP的光电搜跟设备伺服机构控制器，采用TMS320F28346核心控制芯片，配置高性能结构模块，控制系统结构简单，性能可靠。通过合理优化软件流程，并对控制系统实施双回路闭环控制，使得系统具备良好的静态和动态性能，并能够为稳定的跟踪目标提供足够的带宽，系统具有良好的跟踪性能，为外场动态目标的观测和测试提供便捷和保障。

　　参考文献：

　　[1]马东玺.光电搜跟系统模式切换特性及控制研究[D].国防科学技术大学,2011.

　　[2]闵斌.液压位置转台控制系统的数字校正[J].航天控制,1999(3):51-57.

　　[3]胡寿松.自动控制原理[M].2013,北京:科学出版社,2008.

本文来源于《电子产品世界》2017年第5期第61页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。