基于DSP+FPGA的两轴稳定平台控制系统设计

李衡　曹文喆

摘要：为了实现两轴稳定平台的控制，设计了一种基于DSP+FPGA架构的伺服控制系统，描述了该系统的组成及工作原理，并给出了具体硬件电路设计和相关的软件设计。开展相关验证工作，结果表明，该系统具有较高的响应速度和稳定精度，两轴的隔离度均小于2%，能够有效的隔离载体扰动。同时，该系统为后续复杂的控制算法提供了验证平台。

关键词：TMS320C28346 稳定平台 控制系统 陀螺

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）06-0006-03

稳定平台控制系统由伺服控制器、稳定平台以及负载等组成。在工作时，需要实时地获取负载的角速度和角位置信息，从而形成一个闭环系统，通过不断地调整姿态或位置来隔离载体运动带来的干扰，从而精确保持动态姿态基准[1]。由于目前控制系统对精度、运算量以及实时性都有比较高的要求，所以通常采用DSP做为控制器的运算核心，使得复杂的算法以及功能能够快速的实现。本文设计的稳定平台控制系统采用TI公司的TMS320C28346DSP芯片作为运算单元，其工作频率达到300Hz，具有强大浮点运算能力，片内集成了516KRAM，同时，本设计还有采用FPGA作为接口器件，能够方便灵活的扩展A/D转换器、D/A转换器以及各种接口的传感器。

1 系统结构及工作原理

稳定平台主要由框架、角度传感器、电机和速度传感器组成，稳定平台根据需求的不同，可以采用两轴、三轴或两轴四框架等结构形式，本设计中采用的是两轴结构形式，组成框图如图1所示，外框架为方位框架，内框架为俯仰框架。

该稳定平台具有方位和俯仰两套独立的稳定控制回路，两个控制回路结合起来可使安装内框的光学相机在空间中具有稳定视轴的功能。系统采用高精度光电编码器作为角位置传感器以及高精度的速率陀螺作为速度传感器，方位框和俯仰框分别安装一个陀螺，敏感轴与安装框架旋转方向平行，控制系统利用陀螺测量的空间角速率来构成速度稳定回路，当载体运动产生的扰动耦合到平台时，其角速率被框架上的陀螺敏感，陀螺输出的信号经控制系统处理后，产生的相反力矩来平衡干扰力矩，从而保证视轴在惯性空间的稳定。同时整个控制系统采用串级多闭环控制的结构形式，由内置外依次为速度稳定环以及位置环。稳定控制回路的示意图如图2所示。

2 硬件电路设计

2.1 电路总体设计

控制器硬件电路由TI公司的浮点DSPTMS320C28346，以及Xilinx公司的Spartan-6系列XC6SLX75 FPGA，以及外围的辅助电路组成，辅助电路包括A/D转换电路、D/A转换电路、RS422接口电路以及电源电路、电平转换电路和保护电路等。系统外扩了512K×16bit的SRAM作为运算数据存储单元；外挂了8M×16bit的FLASH芯片用于程序存储；采用一片AD7609外扩8路模数转换输入端口，用于陀螺数据的采集；采用2片AD5574作为数模输出端口，将方位轴和俯仰轴的控制电压输出给电机驱动器；采用2片MAX490E做为RS422桥接芯片外接SSI接口的角编码器；采用1片MAX490E连接TMS28346的SCIB接口用于DSP与上位机的通信。控制器硬件电路示意图如下图3所示。

2.2 主控制器特点

TMS320C28346基于TI现有的F2833X高性能浮点控制器，具有300MHz（3.33ns周期）的浮点性能，并具有516KB的片上RAM；高性能的32位CPU（TMS320C28x）包含IEEE-754单精度浮点单元；16×16和32×32位的乘法累加器，哈佛总线结构，具有6通道DMA，可用于McBSP，XINTF和SRAM；具有16位或32位的外部接口，超过2M×16地址范围；具有3个32位CPU定时器，同时具有2个CAN总线接口，3个SCI接口，2个SPI接口以及1个I2C接口，还具有88个有输入滤波功能且可单独编程的多路复用通用输入输出（GPIO）引脚。本设计充分利用该DSP的特点，采用TI公司官方的参考设计，降低了系统硬件和软件开发难度。

2.3 陀螺采样电路设计

陀螺为稳定平台的关键传感器，这里选用的是模拟输出的速率陀螺，陀螺输出为电压信号，输出的电压值与速度成正比，其输出电压的范围为±10V，且对应速度范围为±150°/s，根据陀螺输出信号的特性，以及考虑到控制系统的扩展，本设计选用的A/D转换芯片为AD7609，分辨率为18bit，具有8个通道，真差分输入，输入范围为双级性±10V，每个通道的采样率为200k，片内还带有二阶抗混叠模拟滤波器，输出接口可以是串行，也可以是并行，本设计中，为了节约FPGA的管脚，采用串行输出的方式。

2.4 角度编码器接口电路设计

本系统选用的是SSI接口的角度编码器，SSI为同步串口信号，以RS422为物理接口，分为时钟脉冲和数据两个部分，FPGA产生时序脉冲，通过RS422芯片转换成差分信号由发送端发送给编码器，编码器在接收到时钟脉冲时，逐位按时钟脉冲位数输出编码器数值，包括角位置、校验信号或编码器状态，FPGA再通过RS422芯片的接收端口相关的数据，然后按规定编码传输给DSP，DSP根据相关的数据格式进行角位置结算。

2.5 上位机接口

本设计采用TMS320C28346内部的SCI串行通信模块，外接RS422桥接芯片MAX490E与上位机进行通信，通过对DSP内部的寄存器进行设置，对数据的位数，波特率，校验位进行配置，上位机按约定的通信协议发送指令，DSP对指令进行响应，并控制两轴框架进行相应的动作。

3 软件设计及稳定平台隔离度测试

本控制系统的软件调试和开发均采用TI公司的CCS（Code Composer Studio）v3.3版本，该开发工具提供了可视化的窗口，便于用户进行程序编写、编译和调试。软件的构成包括DSP的初始化，定时器中断程序等相关内容。对于方位轴和俯仰轴的位置环和速度稳定环分别采用PID算法进行校正，程序流程图如下图4所示。

软件调试完成，对控制系统进行稳定隔离度的测试。测试时，将两轴框架安装于扰动台上，对方位轴和俯仰轴的稳定隔离度分别进行测试。先测试方位轴，首先将位置环断开，只采用速度稳定环，且速度输入指令为0，在此轴向方向施加一个1°/2Hz的角扰动，通过安装在框架上的角位置陀螺记录方位轴在惯性空间中的运动角度。测试俯仰轴时的方法和测试方位轴一样。

下图5为方位轴在1°/2Hz扰动下在惯性空间中运动的角度波形，纵坐标表示角度，单位为°，横坐标表示时间，单位为ms，可以看出最大值约为0.0123°，可计算出稳定平台方位的隔离度约为 1.23%。下图6为俯仰轴在1°/2Hz扰动下在惯性空间中运动的角度波形，其纵坐标表示角度，单位为°，横坐标表示时间，单位为ms，可以看出最大值约为0.0174°，可计算出稳定平台俯仰隔离度约为 1.74%。

4 结语

本文介绍了基于DSP 和FPGA的两轴稳定平台的伺服控制系统的设计，本设计采用DSP实现相关的控制算法，并采用FPGA作为接口扩展器件，解决了不同接口传感器信号接入问题，且具有很强的灵活性，方便后期采用不同接口的传感器。系统中采用速率陀螺作为反馈器件完成速度稳定回路的控制，在对方位轴与俯仰轴的稳定隔离度测试中，两轴的隔离度均小于2%。研究表明，该系统具有较高的响应速度和稳定精度，设计合理，同时为后续复杂的控制算法提供了验证平台。

参考文献

[1]张智永，周晓尧，张连超.稳定平台中通用陀螺数据采集处理系统[J].兵工自动化，2011，30（2）：55-57.

[2]范大鹏.《光电稳定伺服机构控制技术》专题文章导读[J].光学精密工程，2006，14（4）：673.

[3]毕永利，刘洵，葛文奇等.机载多框架陀螺稳定平台速度稳定环设计[J].光电工程，2004，31（2）：16-18.

[4]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真（第3版）[M].北京：电子工业出版社，2011.

[5]任润柏，周荔丹，姚钢.TMS320F28x源码解读[M].北京：电子工业出版社，2010.

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