CN105700561A - 三维转台伺服控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明所述三维转台伺服控制系统，包括三个与总线连接的控制回路，所述控制回路包括依次数据连接的DSP、DA转换器、伺服驱动器、交流伺服电机和减速器，所述交流伺服电机的输出端通过光电编码器连接伺服驱动器的输入端，所述减速器的输出端连接旋转变压器，所述旋转变压器通过RDC模块连接DSP输入端，所述DSP与总线数据连接，所述RDC模块为对旋转变压器进行采样输出的采样输出模块，还包括与总线连接的监控计算机。采用本发明所述的三维转台伺服控制系统，具备强大的运算处理能力和丰富的外设功能，使系统集成化程度和精确性得到提高。采用上、下位机协调控制的方案，可以运行较为复杂的控制算法，提高系统控制精度。
Description
技术领域
本发明属于电力电子领域，涉及一种三维转台伺服控制系统。
背景技术
目前国内外的转台大多应用于惯性导航领域以及飞行姿态仿真系统。而机动目标跟踪也已经越来越为人们所重视，在现代化技术中，尤其是在国防技术中，有着举足轻重的作用。我国从六七十年代开始就开始自行研制三轴液压转台，到80年代开始出现电液伺服控制系统转台和伺服电机控制系统转台。转台逐步朝着高精密、高准确性的方向发展，而且随着航天和航空技术的发展，以及车载、舰载对转台体积的要求，转台也逐渐开始小型化、智能化。
目标跟踪系统是直瞄武器的“眼睛”，其对机动目标跟踪的准确度，直接影响到武器系统的射击命中率。一般跟踪系统为一个转台，跟踪转台在空间沿三个坐标轴的平移量对目标的跟踪精度影响不大，可以忽略不计。对跟踪精度影响比较大的是跟踪转台的方位和俯仰两个自由度。目前我国高炮上装备的大部分转台机构就是只考虑了方位和俯仰两个自由度。
在自动目标跟踪系统中，为了能够识别目标，需要对跟踪系统传感器采集到的数据进行图象识别，如果忽略横滚向的影响，而采用两自由度转台，会造成采集到的图像发生扭曲失真，加大图像处理的难度。而且当车体在地面上行进或者舰船在海上航行时，都会由于路面或海浪而引起横滚向的偏移。因此为了减小图像处理的难度，抵消车体或舰船在横滚向的偏移，在自动跟踪系统中应该采用三自由度的跟踪转台，即包括方位、俯仰和横滚三个自由度。
发明内容
为克服现有技术存在的技术缺陷，本发明公开了一种三维转台伺服控制系统。
本发明所述三维转台伺服控制系统，包括三个与总线连接的控制回路，所述控制回路包括依次数据连接的DSP、DA转换器、伺服驱动器、交流伺服电机和减速器，所述交流伺服电机的输出端通过光电编码器连接伺服驱动器的输入端，所述减速器的输出端连接旋转变压器，所述旋转变压器通过RDC模块连接DSP输入端，所述DSP与总线数据连接，所述RDC模块为对旋转变压器进行采样输出的采样输出模块，还包括与总线连接的监控计算机。
优选的，所述三个控制回路的减速器输出端分别与三维转台的横滚轴、俯仰轴和方位轴连接。
优选的，所述DSP处理器为TMS320F2812。
优选的，所述总线为CAN总线。
采用本发明所述的三维转台伺服控制系统，具备强大的运算处理能力和丰富的外设功能，使系统集成化程度和精确性得到提高。采用上、下位机协调控制的方案，可以运行较为复杂的控制算法，提高系统控制精度。
附图说明
图1为本发明一种具体实施方式结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明所述三维转台伺服控制系统，包括三个与总线连接的控制回路，所述控制回路包括依次数据连接的DSP、DA转换器、伺服驱动器、交流伺服电机和减速器，所述交流伺服电机的输出端通过光电编码器连接伺服驱动器的输入端，所述减速器的输出端连接旋转变压器，所述旋转变压器通过RDC模块连接DSP输入端，所述DSP与总线数据连接，所述RDC模块为对旋转变压器进行采样输出的采样输出模块，还包括与总线连接的监控计算机。
三轴跟踪转台伺服控制系统包括方位、俯仰、横滚三个独立的控制回路。究其本质，三轴跟踪转台是一个高精度位置/速度伺服系统。对于驱动元件为电动机的转台系统，其本质又为一个电动机的位置或速度闭环系统。图2是三轴跟踪转台伺服控制系统原理框图。
三轴跟踪转台控制器主要包括监控计算机（上位机）和控制下位机两个部分。监控计算机主要是在仿真状态下，解算被机动目标的飞行方程，从而求得图像传感器在三维空间的运动轨迹，并将三个空间轨迹作为控制指令实时地通过CAN总线通讯方式发送到三轴跟踪转台的下位机。同时，监控计算机完成转台系统的集中监控、综合管理，主要实现系统实时在线综合管理、性能检测、安全保护及监控功能。而控制下位机也将通过角度传感器采集各轴转角和位置数据通过CAN总线反馈到监控计算机，通过监控计算机实时显示各自由度的运动参数以及机动目标运动轨迹。
三轴跟踪转台单轴控制系统是一个典型的电机控制系统，而经典的电机控制系统模型是一个“三环”控制系统，即从内到外一次是电流环、速度环、位置环。电流环和速度环的作用是提高系统的刚度从而抑制系统的非线性及外部扰动，系统的精度依靠位置环来保证。由于交流伺服驱动器已经将电流环和速度环封装好，因此我们只需要给出速度环的输入量从而进行位置闭环控制即可。输出轴由交流伺服电机驱动，经高精度、大速比的减速器减速，由于交流伺服电机的转速范围大，使输出轴能够实现很宽的调速范围。减速器输出端用高精度的双通道旋转变压器采集位移量，经RDC模块转换为数字量，再经过控制算法的运算后，由16位精度D/A转换，输出至伺服电机驱动器，驱动交流伺服电机运动，从而构成完整的位置闭环系统。
其主要功能包括：D/A，RDC模块信号采集，数字量输入输出。另外，为了与主控计算机和上位机进行实时通讯，协调其它轴动作，需要进行CAN总线通讯。处理器采用美国德州仪器（TI）专门用于伺服控制领域的32位高性能DSP处理器TMS320F2812。其主要性能指标包括：（1）处理速度快，主频高达150MIPS，大部分指令能在6.67ns内完成；（2）内部存储空间大，片内高达128k字的FLASH程序存储器，18k字的数据/程序RAM，可扩展达4M字的外部存储器空间。（3）两个事件管理模块EVA和EVB，每个包括：2个32位CPU定时器；3个16位脉宽调制（PWM）通道；三个捕获单元；特别适合于电机控制。（4）具有三个外部中断，一个外部中断扩展（PIE）模块，可支持多达96个外部中断；（5）增强型控制器局域网络CAN2.0B模块，包含32个均可配置为发送和接收的邮箱，速度高达1Mbps。由于TMS320F2812强大的处理能力和丰富的外设功能，使得控制器的设计变得简单而又实用。
三轴跟踪转台控制器软件设计包括两个部分：上位机监控软件和下位机控制软件，下面从这两个方面说明上、下位机控制程序流程。上位机具有以下几个方面的功能：
(1)为用户提供友好的操作界面：用户通过它对实验台的运动进行操作，如自检、运动状态设置、框架回零、静态指标测试、动态指标测试、演示运行、仿真运行。
(2)对转台系统的运行情况实时监控：运行中对状态信号进行在线检测，对电机、功放等关键部件的信号进行实时采集，判断其工作状况是否正常，一旦发现故障，及时切断电源，并发出声光报警。
(3)实现软逻辑控制功能：所有在控制柜上的开关、按钮所对应的操作，都可以由上位机上的软件按钮来替代，即用户可以通过上位机直接实现逻辑控制。具体操作如：“正转”、“反转”、“自动运行”等。
(4)通过CAN总线与下位机进行通讯，实现数据传输及命令设置；接收下位机传输过来的位置指令和转台的位置响应数据，并实时显示出来。
控制下位机是转台控制系统的直接控制级，构成转台方位、俯仰、横滚三个独立的伺服控制回路。其功能包括：实现三轴运动的实时控制；采用相应的控制算法，对转台系统的运行位置、速度进行控制；将检测到的系统状态信号通过CAN总线传给上位机。
下面以俯仰轴为例，说明下位机的控制程序流程，在DSP控制主程序中，首先要初始化系统、外设以及PIE中断向量表，设置CPU时钟以及初始化定时器时钟，规定中断服务程序首地址；然后，等待上位机发送的指令，根据不同的指令类型，判断进行什么操作，将运算结果再通过CAN总线发送到监控计算机。在定时器中断服务程序中，DSP读取RDC采集到的数据，进行一定的控制算法的运算，如PID控制，然后将控制量通过D/A输出至交流伺服电机驱动器，形成闭环，控制电机按预定规律运动。
前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.三维转台伺服控制系统，其特征在于，包括三个与总线连接的控制回路，所述控制回路包括依次数据连接的DSP、DA转换器、伺服驱动器、交流伺服电机和减速器，所述交流伺服电机的输出端通过光电编码器连接伺服驱动器的输入端，所述减速器的输出端连接旋转变压器，所述旋转变压器通过RDC模块连接DSP输入端，所述DSP与总线数据连接，所述RDC模块为对旋转变压器进行采样输出的采样输出模块，还包括与总线连接的监控计算机。
2.如权利要求1所述的三维转台伺服控制系统，其特征在于，所述三个控制回路的减速器输出端分别与三维转台的横滚轴、俯仰轴和方位轴连接。
3.如权利要求1所述的三维转台伺服控制系统，其特征在于，所述DSP处理器为TMS320F2812。
4.如权利要求1所述的三维转台伺服控制系统，其特征在于，所述总线为CAN总线。
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