基于DSP的光电搜跟设备伺服机构控制器研究

作者/ 孙健 李钊 刘鹏飞 上海航天控制技术研究所(上海 201109)

摘要：针对光电搜跟设备对伺服控制机构动、静态响应和跟踪精度的要求，本文设计了基于DSP的光电跟踪设备伺服机构控制器。控制器以TMS320C28346为数据处理平台，配置高性能外设结构模块和调理电路，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，使得系统具有良好的跟踪性能，系统结构简单，性能可靠，可为外场动态目标的观测和测试提供便捷和保障。

引言

　　光电搜跟设备是集光、机、电、控制与信号处理于一体的集成设备，通过光学仪器进行目标探测，经图像处理得到获取目标脱靶量，控制伺服运动机构实时运动，实现对目标的有效捕获与跟踪^[1]。

　　高效的伺服控制是稳定跟踪的基础，在伺服控制中设计满足要求的控制器是关键。本文采用性能优越的DSP作为光学搜跟设备伺服运动机构的核心控制器，成本低廉，体积小巧，性能可靠。设计时采用合理的软件流程，并通过数字PID控制使得系统更加稳定，并具有良好的静态和动态性能。系统可安装于测试车上，便于对外场目标进行动态观测。

1 控制器组成及工作原理

　　光电搜跟设备主要由光学探测及图像处理系统、伺服运动机构及管理显示系统组成，基于DSP的转台控制器作为伺服运动机构的核心控制单元，图1是光电搜跟设备系统框图。主要包括控制芯片、电源模块、串口通讯模块、电机驱动模块、编码器采集模块和外部时钟模块。如图1所示，DSP控制器通过串口模块实时读取跟踪器处理得到的目标脱靶量信息，经控制芯片数据处理，通过电机驱动模块控制驱动器来驱动力矩电机运动，编码器采集模块通过实时采集编码器数据来反馈伺服机构位置信息，与控制信号构成闭环回路，实现对伺服机构的闭环控制。外部时钟模块可为控制芯片提供精确的时钟，实现控制器对伺服机构的实时控制。同时，控制器通过串口模块将伺服机构工作状态和运动参数实时反馈管理计算机，实现伺服机构工作过程中的实时监控、参数设置及数据存储。

　　本系统中DSP控制器有两种工作模式，即搜索模式和跟踪模式。搜索模式下，伺服机构根据管理计算机的指令实现对空周扫或扇扫功能，此时，红外热像仪与电视跟踪仪通过导电环中的光纤滑环将图像信息传输到图像处理器，图像处理器再将图像信息通过网络发送给管理计算机。跟踪模式下，跟踪器实时解算光学探测器采集的图像信息，并将计算得到的目标与转台中心位置的脱靶量信息，实时发送至DSP控制器，控制器通过对伺服机构的实时闭环控制，实现对目标的跟踪，为了提高跟踪精度，控制器控制周期为1ms。

　　本系统中伺服机构技术指标如下：速度指标中，方位：10°/s~360°/s，俯仰：10°/s~70°/s;位置精度中，方位：≤3mrad，俯仰：≤5mrad;转台频率响应特性指标中，峰峰值为1°时， 在1Hz～10Hz时，输出幅值特性≤1dB，输出相位特性≤10º。

2 硬件设计

2.1 控制芯片

　　控制芯片采用TMS320F28346，该芯片基于TMS320C2xx内核的浮点数字信号处理器，器件上集成了许多先进的外设，为电机及其他运动控制领域应用的实现提供了良好的平台。主频高达300MHz，CPU高达32位，为系统实时运动控制提供了良好的运算能力。

2.2 电源模块

　　开关电源输出包含±15V及+5V电压，其中，+15V与-15V用于为电机驱动模块的运放供电，并通过选取合适的电容进行滤波。而控制芯片及外设硬件模块均需3.3V电压供电，该电压属于非常规电压，采用电源芯片TPS75933将+5V的电压转换为+3.3V，最大输出电流可达7.5A，3.3V电压产生电路如图2所示。

2.3 电机驱动模块

　　电机驱动模块用于控制和驱动力矩电机按照预定的控制指令运动，电机驱动模块包括I/O转换电路和D/A转换电路。I/O转换电路用于控制驱动器使能信号、驱动器综合故障信号和驱动器就绪信号，D/A转换电路通过输出-10V~+10V控制驱动器产生相应速度信号控制电机运动。

　　驱动器通过模拟电压来响应位置环与速度环的输出，对应于一定的模拟电压驱动器输出与之对应的电流，控制力矩电机运动，从而实现对执行机构的精确控制。D/A转换电路采用DAC7744芯片，该芯片具有16位分辨率，精度高，同时还能满足-10V~+10V电压输出。在模拟量的输出端施加运放隔离，既保证了DAC7744芯片的使用安全，也保证了输出量的精度。

2.4 编码器采集模块

　　编码器采集模块用于接收编码器实时反馈的反馈伺服机构位置信息，编码器采用进口的雷尼绍编码器，型号为RGH20，5V供电。将编码器安装在转台的轴上，当转台在运动时，编码器会输出差分信号，DSP会读取这些信号。在设计接口电路时，需要将差分信号转换为单端信号，且单端信号的高电平所对应的电压必须是3.3V，否则会损毁DSP芯片。差分转单端的光耦型号是FOD063L，FOD063L属于高速光耦，最大的转换速度高达10MBit/s。转换电路设计如图4所示。

2.5 串口通讯模块

　　串口通讯模块用于控制器与管理计算机和跟踪器通讯，上位机通过串口将控制指令发送给控制器，同时控制器将伺服机构工作状态及运动信息进行反馈。在此系统中，通讯主要采用422通讯与232通讯，422通讯芯片是MAX3490。此芯片一端连接与DSP的SCI接口连接，其中MAX3490以差分的422型与系统的上位机进行通讯。串口通讯模块如图5所示。

2.6 外部时钟模块

　　控制周期是采用外部的CPLD芯片，选用EPM570T100C5N，EPM作为系统的定时器，系统控制周期为1ms，EPM570T100C5N在完成1ms的定时后会输出1个翻转的电平信号，DSP采集作为外部中断，实现转台的1ms实时控制。