框架式导引头数字控制器设计
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摘要
本文研究设计了框架式导引头数字控制器,阐述了框架式导引头稳定跟踪平台的设计要求、设计方案和实现方法。考虑到直流力矩电机有响应快、精度高、线性度好的特点,本课题采用直流力矩电机作为力矩器。
框架式导引头稳定跟踪平台由光学成像系统及CCD摄像机、图像处理机、万向支架、力矩电机及反馈装置、控制器五部分组成。其中控制器是本课题研究的对象,它包括控制计算机、采样信号调理电路及驱动电路三部分组成。本文着重研究了控制回路工作原理和控制器的软硬件设计。控制器以TI公司推出的TMS320F2806 DSP为核心,采用片内ADC采样输入信号及反馈信号,片内ePWM模块输出两组(共4路)PWM信号,经功率放大集成电路L298驱动俯仰、方位两个轴上的直流力矩电机。控制律采用基于Z-N公式的积分分离增量PID算法。
程序设计采用模块化方法设计,主要由ADC采样、PWM驱动、控制算法实现三个模块组成。从理论上建立了控制回路仿真模型,进行了MATLAB仿真,验证了控制回路的正确性。最后对平台进行了模拟性能测试,测试结果表明,平台运行良好,性能达到设计要求。
This thesis studied and designed a frame pattern guided aimer digital controller, described the requirement and target of the frame pattern guided aimer stable track platform designing, as well as the realizing method. Considering DC torque motors have good characters like quick respond, high precision and smooth modulation. This thesis selected DC torque motor as the torquer.
A frame pattern guided aimer stable track platform consists of five main parts: optical imaging system& CCD camera, image processor, universal framework, torque motors& feedback devices and controller. The controller is the object of this paper, it includes control computer, sample signal adjust circuit and drive circuit. This thesis studied theory of control loop and hardware and software design of the controller emphatically, on which the core is TMS320F2806 DSP released by TI Inc. The board uses on-chip ADC to sample control signals and feed- back signals, generates 2 groups (4 in total) PWM waveforms by on-chip ePWM module, driving two DC torque motors at the pitching and azimuthal axes through the power amplifying integrate circuit. The control method, with respect to the software, is integral-separated PID based on Z-N formula.
Program on controller, including three modules: sampling data, PWM driving and processing data, is designed in a module manner. This thesis executes a simulation of platform model in MATLAB, the result shows that the model is valid. At last, some tests are implemented, the platform performs well as expected.
框架式导引头稳定跟踪平台由光学成像系统及CCD摄像机、图像处理机、万向支架、力矩电机及反馈装置、控制器五部分组成。其中控制器是本课题研究的对象,它包括控制计算机、采样信号调理电路及驱动电路三部分组成。本文着重研究了控制回路工作原理和控制器的软硬件设计。控制器以TI公司推出的TMS320F2806 DSP为核心,采用片内ADC采样输入信号及反馈信号,片内ePWM模块输出两组(共4路)PWM信号,经功率放大集成电路L298驱动俯仰、方位两个轴上的直流力矩电机。控制律采用基于Z-N公式的积分分离增量PID算法。
程序设计采用模块化方法设计,主要由ADC采样、PWM驱动、控制算法实现三个模块组成。从理论上建立了控制回路仿真模型,进行了MATLAB仿真,验证了控制回路的正确性。最后对平台进行了模拟性能测试,测试结果表明,平台运行良好,性能达到设计要求。
This thesis studied and designed a frame pattern guided aimer digital controller, described the requirement and target of the frame pattern guided aimer stable track platform designing, as well as the realizing method. Considering DC torque motors have good characters like quick respond, high precision and smooth modulation. This thesis selected DC torque motor as the torquer.
A frame pattern guided aimer stable track platform consists of five main parts: optical imaging system& CCD camera, image processor, universal framework, torque motors& feedback devices and controller. The controller is the object of this paper, it includes control computer, sample signal adjust circuit and drive circuit. This thesis studied theory of control loop and hardware and software design of the controller emphatically, on which the core is TMS320F2806 DSP released by TI Inc. The board uses on-chip ADC to sample control signals and feed- back signals, generates 2 groups (4 in total) PWM waveforms by on-chip ePWM module, driving two DC torque motors at the pitching and azimuthal axes through the power amplifying integrate circuit. The control method, with respect to the software, is integral-separated PID based on Z-N formula.
Program on controller, including three modules: sampling data, PWM driving and processing data, is designed in a module manner. This thesis executes a simulation of platform model in MATLAB, the result shows that the model is valid. At last, some tests are implemented, the platform performs well as expected.
引文
[1]吴鹏.精确制导光电导引头稳定平台数字控制技术.弹箭与制导学报,2002(3),37-41
[2]敖荣庆,袁坤。伺服系统.航空工业出版社,2006
[3]廖晓钟,刘向东.自动控制系统.第一版.北京:北京理工大学出版社,2005
[4]吴金中.电视导引系统的视轴稳定跟踪技术.战术导弹技术,2002(1),34-38
[5]电机工程手册编委会.电机工程手册.机械工业出版社,第四卷,1982
[6]王晓明,王玲.电动机的DSP控制--TI公司DSP应用.北京航空航天大学出版社,2004.7
[7]董期林,张淑梅.基于DSP的直流电机数字控制系统.CAMETA,2006(1),50-52
[8]张静等.MATLAB在控制系统中的应用.第一版.北京:电子工业出版社,2007
[9]TMS320F2809,TMS320F2808,TMS320F2806,TMS320F2802,TMS320F2801TMS320C2802,TMS320C2801,and TMS320F2801x DSPs Data Manual.TI Inc,2007
[10]刘向东.DSP技术原理与应用.第一版.北京:中国电力出版社,2007
[11]万山明.TMS320F281xDSP原理及应用实例.第一版.北京:北京航空航天大学出版社.2007
[12]唐国栋,高云国.基于L297/L298芯片步进电机的单片机控制.微计算机信息.200622(12-1)134-136
[13]Understanding the F280x ADC for Embedded Control Applications TI Inc 2005
[14]TMS320x280x,2801x,2804x DSP System Control and Interrupts Reference Guide.TI Inc.2007
[15]苏奎峰,吕强等.TMS320F2812原理与开发.第一版.北京:电子工业出版社 2005
[16]王新安.基于DSP的CCD二维指向机构控制器的研制.哈尔滨工业大学硕士学位论文 2006
[17]胡浩.基于DSP双轴稳定控制平台设计.南京理工大学硕士学位论文.2007
[18]黄忠霖.自动控制原理的MATLAB实现.第一版.北京:国防工业出版社.2007
[19]王晓明.电动机的单片机控制.北京:北京航空航天大学出版社.2002
[20]雷虎民.导弹制导与控制原理.国防工业出版社.2006
[21]孟秀云.导弹制导与控制系统原理.北京:北京理工大学出版社.2003
[22]谭建成.新编电机控制专用集成电路与应用.机械工业出版社.2005
[23]李峻,张俊儒.电机控制集成电路的原理和应用.冶金工业出版社.1995
[24]Reliability Data for TMS320LF24xx,and TMS320F28xx Devices.TI Inc.2005
[25]Converting Analog Controllers to Smart Controllers with the TMS320C2000 DSPs.TI Inc.2004
[26]3.3V DSP for Digital Motor Control TI Inc.1999
[27]张翼,牛德青.基于力矩电机的姿态传感器设计.自动测量与控制.2006(10).70,76
[28]金以慧.过程控制.北京:清华大学出版社,1991
[29]吴金波.高压伺服气缸及其高压气动位置伺服系统的研究.华中科技大学硕士学位论文.2002
[30]TMS320x28xx,28xxx DSP Peripheral Reference Guide(Rev.E).TI Inc.2007
[31]TMS320x280x 2801x,2804x Analog-to-Digital Converter(ADC)Module Reference Guide(Rev.B).TI Inc.2005
[32]Frequently Asked Questions about Code Composer Studio(Rev.C).TI Inc.2001
[33]TMS320C28x Optimizing C/C++ Compiler v5.0.0 User's Guide.TI Inc.2007
[34]TMS320C28x Instruction Set Simulator Technical Overview.TI Inc.2002
[35]F2810,F2811,and F2812 ADC Calibration.TI Inc.2004
[36]Hardware Design Guidelines for TMS320F28xx and TMS320F28xxx DSCs.TI Inc.2008
[37]TMS320x28xx,28xxx Enhanced Pulse Width Modulator(ePWM)Module Reference Guide.TI Inc.2007
[38]施峥嵘.车载设备视轴稳定与跟踪技术研究.东南大学硕士学位论文.2006
[39]于龙飞.基于的直流伺服电机调速系统的控制设计与仿真.武汉理工大学硕士学位论文.2007
[40]王新安.基于DSP的CCD二维指向机构控制器的研制.哈尔滨工业大学硕士学位论文.2006
[41]周耀兵.三轴转台伺服控制研究.哈尔滨工程大学硕士学位论文.2007
[42]吴凡.基于DSP的光轴稳定平台控制系统研究.中国科学院研究生院硕士学位论文.2006
[43]张顺忠.转台伺服系统的设计与实现.南京理工大学硕士学位论文.2007
[44]刘和平.TMS320LF240x DSP结构、原理及应用.北京:北京航空航天大学出版社.2002
[45]夏恩松,王艳东.基于速率陀螺反馈的位置跟踪系统仿真.江南大学学报.2006(8).449-450
[46]王合龙,朱培申等.陀螺稳定平台框架伺服系统变结构控制器的设计和仿真.电光与控制.1998(2).24-29
[47]王继东.移动载体稳定跟踪平台测控关键技术研究.国防科技大学研究尘院硕士学位论文.2003
[48]崔莹莹,夏群力等.导引头稳定平台隔离度模型研究.弹箭与制导学报.2006(1)22-24
[49]祁飞,周志刚.电视导引头系统仿真数学模型.火力与指挥控制.2006(6).74-76
[50]王宏.无刷直流电动机控制系统的研究与设计.南京理工大学硕士学位论文.2003
[2]敖荣庆,袁坤。伺服系统.航空工业出版社,2006
[3]廖晓钟,刘向东.自动控制系统.第一版.北京:北京理工大学出版社,2005
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[19]王晓明.电动机的单片机控制.北京:北京航空航天大学出版社.2002
[20]雷虎民.导弹制导与控制原理.国防工业出版社.2006
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[23]李峻,张俊儒.电机控制集成电路的原理和应用.冶金工业出版社.1995
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[29]吴金波.高压伺服气缸及其高压气动位置伺服系统的研究.华中科技大学硕士学位论文.2002
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[31]TMS320x280x 2801x,2804x Analog-to-Digital Converter(ADC)Module Reference Guide(Rev.B).TI Inc.2005
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[35]F2810,F2811,and F2812 ADC Calibration.TI Inc.2004
[36]Hardware Design Guidelines for TMS320F28xx and TMS320F28xxx DSCs.TI Inc.2008
[37]TMS320x28xx,28xxx Enhanced Pulse Width Modulator(ePWM)Module Reference Guide.TI Inc.2007
[38]施峥嵘.车载设备视轴稳定与跟踪技术研究.东南大学硕士学位论文.2006
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[40]王新安.基于DSP的CCD二维指向机构控制器的研制.哈尔滨工业大学硕士学位论文.2006
[41]周耀兵.三轴转台伺服控制研究.哈尔滨工程大学硕士学位论文.2007
[42]吴凡.基于DSP的光轴稳定平台控制系统研究.中国科学院研究生院硕士学位论文.2006
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[44]刘和平.TMS320LF240x DSP结构、原理及应用.北京:北京航空航天大学出版社.2002
[45]夏恩松,王艳东.基于速率陀螺反馈的位置跟踪系统仿真.江南大学学报.2006(8).449-450
[46]王合龙,朱培申等.陀螺稳定平台框架伺服系统变结构控制器的设计和仿真.电光与控制.1998(2).24-29
[47]王继东.移动载体稳定跟踪平台测控关键技术研究.国防科技大学研究尘院硕士学位论文.2003
[48]崔莹莹,夏群力等.导引头稳定平台隔离度模型研究.弹箭与制导学报.2006(1)22-24
[49]祁飞,周志刚.电视导引头系统仿真数学模型.火力与指挥控制.2006(6).74-76
[50]王宏.无刷直流电动机控制系统的研究与设计.南京理工大学硕士学位论文.2003