基于DSP的机载光电稳瞄稳定环路数字控制实现

4、数字控制硬件平台

数字控制硬件结构如图8所示。系统包括DSP芯片、A/D电路、D/A电路和信号调理电路。硬件平台核心器件是TMS320F2812数字信号处理芯片。TMS320F2812的最高运行频率可达150MHz，片上存储器最多达128K×16位的Flash存储器，最多达128K×16位的ROM，1K×16位的OPT ROM，两块4K×16位的单周期访问RAM，一块8K×16位的单周期访问RAM，两块1K×16位的单周期访问RAM。由于TMS320F2812片内RAM资源有限，系统中外扩了一片512K的RAM芯片。



图8 数字控制硬件结构框图

陀螺输出的电压经信号调理电路后进入A/D芯片，TMS320F2812从A/D芯片读入转换的电压数据，经算法计算后，DSP芯片将输出的值送入D/A芯片输出电压，输出的电压经电压跟随提高驱动能力后进入电机驱动电路，由力矩电机驱动陀螺稳定平台。

A/D转换芯片采用AnalogDevices公司的16位6通道模数转换芯片AD7656。此芯片输入电压范围为-10V～+10V。

陀螺输出信号要经过远距离传输，为了降低陀螺信号的噪声，稳瞄系统中采用差分形式传输陀螺输出信号。本设计中模数转换芯片AD7656为单端输入方式，因此需要将陀螺输出的差分信号转换成单端信号。转换电路采用AnalogDevices公司的AD620仪表放大器芯片，该芯片的1脚和8脚之间接的电阻 决定其放大倍数，放大倍数计算公式如下：


（7）

由式7可知，当电阻 为无穷大时放大倍数 ，本设计中选择放大倍数为1。

D/A转换芯片采用AnalogDevices公司的12位4通道数模转换芯片DAC8412，输出电压范围为-10V～+10V，输出的通道由DSP的地址低两位A1和A0选择。DAC8412芯片的±10V输入参考电压由AD688芯片产生。

5、试验与分析

a) 通道精度测试

1) A/D电路精度测试

用标准电压源测试A/D电路的采样精度，测试结果如图9所示。图中横轴为输入到A/D电路的标准电压源电压值，纵轴为AD7656芯片转换出的数据，图中黑点为实际测试的数据点，直线为理想状态下的A/D电路采样曲线。



图9 A/D电路精度测试结果

可以看出，测试的数据点基本上位于理想A/D电路采样曲线上，为此算法中不需要对A/D电路采样的数据进行补偿。

2) D/A电路精度测试

通过输出标定值来标定D/A电路的输出精度，测试结果如图10所示。图中横轴为DAC8412要输出的标定电压值数据，纵轴为D/A电路实际输出的电压值，图中黑点为实际测试的数据点，直线为理想状态下的D/A电路输出曲线。



图10 D/A电路精度测试结果

可以看出，测试的数据点基本上位于理想D/A电路输出曲线上，为此算法中不需要对D/A电路输出的电压值进行补偿。

b) 伺服周期的设定

采样周期是数字控制系统的一个非常重要的指标，高性能伺服控制系统一般采样率不小于1KHz，为此要测量算法运行所需的时间，确保其在伺服周期内完成。

利用DSP的IO口，在算法运行之前置IO口为低电平，算法运行之后置IO口为高电平，从示波器测量出低电平的时间即为算法运行所需时间，测试结果如图11所示。可以看出算法运行所需时间为55 ，满足一般高精度数字控制系统的控制频率为1kHz要求。本设计中设定采样周期1ms。



图11 算法运行所需时间测试结果

c) 控制系统动态测试

1) 阶跃响应

为系统加入阶跃信号，用示波器测量得到阶跃响应曲线如图12所示。图中上方的曲线为给定阶跃信号曲线，下方的曲线为系统的响应曲线。可以看出，上升时间约为20ms，峰值时间约为40ms，调节时间约为100ms，超调量约为37%。



图12 系统阶跃响应曲线

2) 系统频率特性

经扫频得到系统的闭环特性曲线如图13所示。从图13可以看出，系统带宽约为17Hz。



图13 系统的闭环特性曲线

6、结论

稳定环路是光电稳瞄系统的关键，影响到光电稳瞄的稳定性能。论文设计的控制器可以满足光电稳瞄的应用需求，搭建的数字控制硬件平台为在机载光电稳瞄控制中实现复杂的算法建立了实现平台。从仿真和试验的结果可以看出，数字控制实现机载光电稳瞄稳定控制设计简单且可靠，系统稳定性能和动态品质较好。数字控制在机载光电稳瞄稳定环路控制中得到了成功应用，系统稳定控制器的设计和调试变得简单、灵活、高效。论文也为其它复杂算法在机载光电稳瞄中应用打下了基础。