0 引言
稳定平台的主要作用是使被控载体在惯性空间的指向保持稳定[1],使载体与平台所受到的干扰隔离,为其能够稳定的跟踪目标提供基础。其控制方法的实现及指标的优化一直是国内外研究的热点问题。
稳定平台的实现有多种方法,传统的模拟电路稳定平台控制方法主要是使用电阻、电容、运算放大器组成模拟电路,通过大量的计算、试验等方法实现,存在参数调整不灵活、体积大、成本高[2]等缺点。而采用数字控制系统的稳定平台系统可以克服以上缺点,且控制精度更高。为了实现该数字控制系统,文中以STM32F103ZET6微控制器为核心芯片,其主要特点是性能稳定、价格低廉、功能齐全,且开发环境友好,完全可以实现本设计所使用的速度环、位置环双闭环控制功能。
1 稳定平台工作原理
2 稳定平台硬件设计
硬件设计方案以STM32F103ZET6微控制器为核心芯片,同时与AD采样芯片、串口通信芯片、光耦隔离芯片完成数据通信与信号隔离。完成的功能有信号采样、数据通信、功率放大与电机控制。硬件系统方案框图如图2所示。
速率陀螺及电位计信号都为模拟信号,经过AD采样器输出数字信号,通过串行外设接口(SPI)与微控制器进行数据通信。同时,误差信号通过RS422通信芯片与微控制器的串口1(USART)进行通信。以上数据在芯片内经过算法的处理后,通过定时器配置脉宽调制信号(PWM),经过功率放大器进行功率放大,完成对电机的实时控制。
2.1 模数采样电路
在综合考虑分辨率、模拟采样范围、通信模式、带宽、信噪比、转换速率等因素后,选择AD7328来实现AD采样功能。该器件为12 bit逐次逼近型AD采样器。
本设计将该芯片的模拟地和数字地隔离,降低数字脉冲信号对模拟信号的干扰概率。
2.2 功率放大电路
功率放大电路主要由功率放大器及其辅助电路组成。设计所采用的功率放大器WSA54属于开关型功放,内部控制电路提供了开关管死区时间。由于其工作状态下电流大,而且工作于开关状态,容易对电源、地及其他芯片造成干扰。本设计中将微控制器的定时器3产生的两路PWM波信号经过HCPL2630双通道光电耦合器隔离后输出,这种信号隔离方法可以降低功率器件对逻辑芯片的干扰。
2.3 速率陀螺
速率陀螺的选则按照环境适应性、外形尺寸、精度、成本的顺序考虑,经调研,选择了一款微小型动力调谐陀螺,具有体积小、重量轻、测量范围大、可靠性高等特点。适用于过载系数大、尺寸空间小的伺服控制系统。该陀螺的输出为模拟量,实时反馈方位和俯仰两个方向的角速度,经过AD采样和数字滤波器,可作为控制系统算法速度环的反馈量参与计算。
3 软件设计
控制系统的软件设计是至关重要的,直接影响到系统的性能。控制周期越短,控制精度也越高,但计算量更大,根据工程经验,本设计的控制系统软件控制周期为1 ms,该控制周期的控制精度较高,AD芯片也可选用采样稳定性更高的模式,同时STM32微控制器处理数据的时间有较大的余量。子程序模块包括SPI通信、串口通信、PID算法等。
3.1 主程序设计
系统上电后,程序首先执行定时器、SPI、PWM功能、AD采样控制、IO口等子模块的初始化,对内部的寄存器、变量进行定义,随后进入while循环,等待陀螺的自检信号。自检通过后,才允许程序进入while(1)循环,在该循环中,等待系统的3个中断,根据中断程序的标志位选择执行的命令。软件主程序流程图如图3。
3.2 串口2中断
本设计中控制系统的工作状态由串口2接收到的命令确定,串口2的中断周期设计为10 ms,上位机按照约定好的通信协议每10 ms发送命令,USART2接收程序的中断流程图如图4所示。
3.3 控制周期1 ms中断
控制周期中断程序完成的主要功能是接收USART2的数据命令及SPI口的AD采样数据,将以上数据汇总后,经过优化的PID算法处理,输出控制指令给PWM控制器,完成位置环和速度环双闭环控制;中断程序执行完毕后,返回主程序,等待下次1 ms的中断。如此循环,PWM的控制周期每1 ms更新,兼顾了主程序的计算量和控制精度的要求。方位方向的控制方法与俯仰方向一致,方位方向控制周期1 ms中断的流程图如图5所示。
3.4 控制系统状态数据发送
控制系统状态数据发送周期可根据具体要求进行设计,设计中使用了一个10 ms的定时器,发送控制系统的状态数据,具体包括信息头、陀螺速度、框架位置、自检状态、信息尾等信息,通过USART3与上位机进行通信,完成数据的解析。
3.5 陀螺自检程序
陀螺自检信号可以用来判断陀螺转子是否达到了稳速状态。本设计通过STM32微控制器的IO脚连接陀螺自检输出线。自检通过后,使用IO脚控制电机的使能端使能,随后进入主程序。通过该子程序,可以使用陀螺的自检信号控制电机工作的时机。
4 控制系统调试
本控制系统要达到的主要性能指标为:
1)被控载体可以在惯性空间保持稳定,使载体的视轴或光轴与平台所受到的扰动隔离。在控制系统的参数调节过程中,可以通过观察法去定性的判断系统是否达到了稳定,以及阻尼的大小是否足够隔离载体所受到的干扰。
2)隔离度要求在5%范围内。通过定性的调试及判断后,应该使用速率转台对隔离度指标进行检测,当隔离度不满足指标时,继续对控制软件参数进行调整,直到满足设计指标为止。
4.1 PID参数的调试
Matlab软件对控制模型进行仿真并对参数进行调整是一种较为流行的方法,但在系统实际调试过程中,对电机、陀螺、框架、负载的传递函数及转动惯量的计算与实际系统存在一定偏差,非线性因素及噪声也是仿真过程不能完全考虑到的。PID算法是一种经过验证的经典算法,使用中不需要精确的系统模型作为先决条件,可以直接在实际系统中应用并调试。本设计中所应用的两级PID算法,又称为串级PID调试。调试过程应该先对内环的P、I、D参数进行调试,在内环调试完成后再对外环参数进行调试。PID的标准数学公式为:
u(t)=Kp
本设计的算法就是将该公式转换为微控制器可以执行的C代码并进行优化,在控制器中对数据灵活的进行处理,随时调整控制参数。
4.2 隔离度的计算
隔离度的测试方法为:将稳定平台安装至速率转台,控制转台做正弦运动,由于稳定平台在惯性空间中稳定的作用,其轴向将保持一个方向,记录转台在运动过程中的陀螺信号,统计峰峰值,并与转台运动速率峰值进行除法,经过多次测试,可以得到较为准确的隔离度指标。
4.3 试验数据及波形
4.3.1 陀螺角速度测试
将稳定平台安装至速率转台后,首先对上位机接收到的陀螺数据进行验证,在确定上位机软件显示与转台速度一致的情况下,隔离度的测试才真实准确。本设计使用Labview设计了专用上位机测控软件,使用速率转台装订1°/s、3°/s、0.5°/s,经测试,陀螺的数据反馈在误差允许的范围内,上位机实测的角速度如图6所示。
4.3.2 隔离度测试
5 结论
文中介绍了一种基于STM32F103ZET6微控制器为核心器件的稳定平台数字控制系统。控制算法使用经典的PID算法,采用位置环、速度环双闭环控制,方法简单、可靠。大部分的数字信号处理都由微控制器完成,调试灵活方便,最终的实测数据及波形显示该稳定平台能够有效隔离干扰,使载体在惯性空间保持稳定。