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1、技术论文学校： 南京理工大学 队伍:7046指导老师：李军成员1: 雷杨成员2: 陈舒思成员3: 邝平作品名称：高精度稳定平台控制系统摘要稳定平台能够隔离载体角运动，在载体机动状态下建立稳定基准面，使安装 在平台上的光电设备不会因载体运动产生的抖动和滚动而丢失目标，保证光电设 备准确瞄准和跟踪目标，因此广泛应用于民用和军事领域。设计的高精度稳定平台控制系统是以动力调谐陀螺仪为速度敏感元件，旋转 变压器为角度测量元件，DSP控制器TMS320F28335为主控芯片，直流力矩电 机为被控对象的闭环控制系统。 根据所需关键器件的选型设计了系统的硬件电 路，包括速度和角度信号采样电路、电机驱动电路、通
2、信电路等。采用电流环和 位置环的双闭环控制方式实现系统载体静止时的伺服控制；采用电流环、速度环 和位置环的三闭环控制方式实现系统在载体运动时的稳定控制。以上两种控制模 式下的角度控制精度都能够达到0.05mrad,载体运动时系统稳定控制模式下隔离 扰动效果很好。实测结果表明，该系统硬件结构简单，稳定性好，实时性强，具有良好的稳 态和动态性能，能够满足稳定平台系统的性能要求。关键词： 稳定平台 DSP 陀螺仪 伺服控制目录1. 作品创意 12. 方案设计与论证 12.1 主控芯片的选择与论证 22.2 陀螺的选择与论证32.3 力矩电机的选择与论证 32.4 位置检测元件的选择与论证 33. 系
3、统硬件与原理图设计 43.1 最小系统外围电路 43.2 旋转变压器-数字转换器电路 53.3 滤波采样电路 63.4 电机驱动电路 73.5 通信电路 83.6 闭锁电路 93.7 电源隔离电路 94. 软件设计与流程 104.1 主程序框架 104.2 中断程序设计105. 系统测试与分析 135.1 系统调试环境 135.2 系统静止状态下伺服控制调试结果 135.3 系统运动状态下稳定控制调试结果 156作品难点与创新 186.1 难点186.2 创新点181. 作品创意陀螺稳定平台作为稳定视轴或瞄准线的主要手段，多年来一直是国内外科研 机构的主要研究对象。从地面上的汽车、坦克到空中的
4、飞机、卫星等，都可以看 到陀螺稳定平台的身影。其主要作用是用来消除载体受到的干扰，使载体能够按 照既定的方向运动或者在惯性空间中保持稳定。本作品设计了双轴稳定平台控制系统。控制系统可工作在两种不同的工作 模式：载体静止时的伺服控制和载体运动时的稳定控制。其中载体静止时系统工 作于伺服控制模式，系统作用是使被稳定平台转角相对基座保持固定不变或跟随 指令信号进行跟踪运动，采用旋转变压器作为角度反馈器件；载体运动时系统工 作于稳定控制模式，控制系统主要功能是隔离载体运动及平台受到的各种扰动信 号，保持平台相对于惯性空间稳定，以保证光电装置可以获得稳定的视场，采用2. 方案设计与论证针对稳定平台的功能
5、和用途，我们设计了系统控制方案，系统硬件结构如 图 2.1 所示，系统分为方位轴和俯仰轴两个自由度的控制电路设计，控制系统在 这两个方向上的结构基本一致，主要可以分为信号采集、电机驱动和信息交互三 部分。控制过程为：陀螺敏感到平台在惯性空间的角速度信号，经过 A/D 转换后变为数字信号传送给 DSP 主控制器，同时旋转变压器感应到的平台位置信号经 过轴角粗精通道编码后，也传送到DSP中，在DSP中经过信号处理和控制算法处理后，产生控制力矩电机的信号，以抵消扰动力矩使平台稳定并跟踪目标。粗机旋导航 板CANXINTFDSPSCIPWM图 2.1 方案整体设计图2.1 主控芯片的选择与论证TMS3
6、20F28335 型数字信号处理器 TI 公司的一款 TMS320C28X 系列浮点 DSP控制器。与以往的定点DSP相比，该器件的精度高，成本低，功耗小，性 能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大， A/D 转换更精确快速等。TMS320F28335具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6 个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多达18路的PWM 输出，其中有 6路为TI特有的更高精度的PWM输出（HRPWM）, 12位16通道ADC。得益 于其浮点运算单元，用户可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多 的时间和精力，与前代 DSC 相比，平均性能提高
7、50%，并与定点 C28x 控制器 软件兼容，从而简化软件开发， 缩短开发周期，降低开发成本。与作用相当的 32位定点技术相比，快速傅立叶转换（FFT）等复杂计算算法采用新技术后性能 提升了一倍之多。这些特点使得 TMS320F28335 非常适合于本设计伺服控制系 统使用。2.2 陀螺的选择与论证本系统所采用的陀螺仪为动力调谐陀螺仪，与常用的输出位置信号的液浮 陀螺不同，该陀螺输出的是速率信号，经过调研该型陀螺是目前国内同等体积下 精度较高的一款陀螺仪。动力调谐陀螺仪是一种双自由度陀螺仪，它利用可以准 确补偿摩擦力矩的挠性支承悬挂陀螺转子，消除了摩擦干扰力矩，结构简单，性 能可靠。外环的转子
8、通过外扭杆与内环的平衡环相连，平衡环通过内扭杆与力矩 电机轴相连，转子可以绕内外轴线转动，是目前比较常用的一款陀螺仪2.3 力矩电机的选择与论证执行元件影响着被控对象的运动状况与系统精度。通常选用电机作为稳定 平台伺服控制系统的执行元件。目前使用的电机有：直流伺服电动机、交流伺服 电动机、步进电机以及直流力矩电机等。根据平台稳定系统低转速、大转矩的工 作要求，选用直流力矩电机作为稳定平台伺服系统的执行元件。其主要特点是可 以长期在堵转状态下运行，和负载直接相连无需加装减速齿轮，避免了空回除 此之外，力矩电机还具有反映快、精度高!藕合刚度大、低转速、线性度好，体 积小等优点。2.4 位置检测元件
9、的选择与论证平台的环架位置就是各个环的力矩电机所转动的角度，比较常用的获取电 机转角的装置主要有光电编码器和旋转变压器等。在工业生产中光电编码器的精 度可以做到很高，测量范围广，且很多数字控制器都有专用外设结构与其相匹配， 所以其使用更为广泛。但在此处力矩电机的转动角度比较小，转速快慢变化范围 较大，并且由于系统使用环境存在大冲击等恶劣因素，电机角度采样装置除了需 要能精确地反映电机真实的转角外，还需要有较强的抗冲击和抗误差能力。旋转 变压器是在测角系统中广泛采用的一种高精度角度传感器，精度高、动态性能好、 抗干扰能力强，尤其适用于高温、严寒、潮湿、高速、振动等环境恶劣、旋转编 码器无法正常工
10、作的场合。它利用电磁感应原理将直线位移或转动角度精确地转 换成电信号，按极对数可以分为单对极和多对极型。由于粗机（单对极旋转变压 器）测量范围大但精度低，精机（多对极旋转变压器）测量范围小但精度高，在 测量电机角度时一般都采用精机和粗机相组合的方式获取准确角度。3. 系统硬件与原理图设计3.1 最小系统外围电路JTAG接头是DSP与仿真器的接口，通过该接口可以很方便的对DSP进行 仿针和调试，图3.1所示为无缓冲器的简易接法。需要注意的是当JTAG接口与 DSP的距离大于15cm时应当考虑增加信号缓冲器。D3.3VR66:4K7D3.3V TMS 1TDI35 TDO 7半 cig91 luF
11、 TCK HTEMUO 13，R65:4K7JTAG2 TRST4 DGND6S- DGND10 DGND12 DGND14 EMUITMS TRST TDI DGND DVCC NC TDO DGNDTCK DGND TCK DGND EMUO EMUI图 3.1 JTAG 接口TMS320F228335的最高主频为150MHZ，为了正常工作需要为其提供时钟 输入信号。有两种时钟提供方式，一种是直接使用外部振荡器提供，另一种是使 用DSP内部振荡器但需要外接石英晶振如图3.2所示。从易实现性和成本上考虑 使用后种方式来为DSP提供时钟输入。图 3.2 石英晶振电路电源和复位电路如图 3.3
12、所示。一路输出稳定 3.3V 电压，另一路选择 Ri=18.2K，由式3.1可以得到输出电压为1.9V。两路电压通过TPS3305-18来监 测电压稳定情况，在按下手动复位按键和电源电压不稳时复位 DSP。D3.3VD1.9V4 C37uFSENSEI RST SENSE2 RST1IN1REST1IN1OOT1EN1OOT1GND1FB/SENSE2IN2REST2IN2OUT2EN2OUTNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCThermalD3.3VT22uF图 3.3 电源和复位电路3.2 旋转变压器-数字转换器电路图3.4中SI, S2, S3, S4为旋转变压器输出信号，C
13、DDOCSD11为对应的 数字输出量。为了将所有输出位一次性送出，需要将BYSEL信号至高或者悬空, 1NH信号为模块的片选信号，当需要读取输出数据时需要将其置低，EN为数据 输出使能信号可以接控制器的RD，BUSY信号为模块转换完成标志，当转换完成时输出一个高脉冲。15VC21接机壳H-15V+ C26y,6.8u1CS3181CS2191CS120212223241HOWE25261CSBUSY271ZJEN28+15V29AGND30-15V31171CS432+5VS4RHS3RLS214SI1315121611CASE10NC9ENgBYSEL7BUSY6INH5+15V斗GND32
14、5V1U812XSZ1526AC2141312CSDO11CSD110CSD29CSD38CSD47CSD56CSD65CSD74CSD83CSD92CSD1O1CSD111626AC1C?.70.111粗通道OUT+ GND VIN-CASE VIN+图 3.4 旋转变压器-数字转换电路其供电电源电路如图3.5所示，电源转换模块输入为26V直流电，输出26V、400HZ 交流电源。U526AQ 526AC14G262+26VX2A1ZDC26AC26.1000-4003.3 滤波采样电路如前所述，陀螺速率信号、操纵瞄准信号和漂移补偿信号等需要进行滤波 采样，几种信号的采样电路结构相似，以陀螺速率信号采样电路为例，如图 3.6 所示，信号经过前置差分放大电路进行减噪处理后，通过RC低通滤波器滤除速 度信号中的高频噪声干扰，再经过电压跟随器进行前后级的隔离，最后通过模数 转换转换为对应数字量。I|R24C78O.luHOTN+I10KHOTN-ADD 12 ADD11 ADD10 ADD9 ADDS ADD?To TTITTTTT
