基于DDS的惯性器件特性测量转台控制系统设计

张瑞民，王明建，汪徐胜，宋仔标

（火箭军工程大学士官学院，山东青州，262500）

基于DDS的惯性器件特性测量转台控制系统设计

张瑞民，王明建，汪徐胜，宋仔标

（火箭军工程大学士官学院，山东青州，262500）

设计了一种能够对惯性器件特性进行测量的转台控制系统，该系统采用DDS数字调速系统和伺服电动机组合的方法来实现转台的自动控制；系统软件采用LabVIEW与MATLAB混合编程，完成惯性器件的性能状态评估曲线与转台监控曲线等功能，通过MCGS组态软件技术建立了PLC和上位机之间的通信连接，实现了现场设备的实时监测、数据控制和远程控制。系统运行稳定可靠、适应性强、性价比高，具有广阔的应用前景。

惯性器件；转台控制系统；DDS

0　引言

随着科技的发展，高新技术应用于武器装备的领域越来越多，尤其是以陀螺仪、加速度计为代表的惯性器件更为突出。由于惯性器件的抽象性以及原理复杂性，使得对其原理的学习和测试变得较为复杂。因此，设计一种惯性器件特性测量转台控制系统就应运而生，它能较好地解决惯性器件特性监测控制的难题。系统以高可靠性的工业控制计算机作为该系统的控制核心，采用DDS数字调速系统和伺服电动机组合的方法来实现转台的自动控制，完成对惯性器件特性的监测和显示，同时基于MCGS组态软件建立PLC与上位PC机之间的通信连接，实现了友好的人机交互界面，且操作方便、可靠，节省费用。

1　设计思路

该方案的基本设计思路是通过构建一个自动控制转台来模拟实现飞行器在飞行过程中加速度及角速率变化情况，并通过加速度或陀螺仪传感器将此信号传至主控机，然后由主控机完成相应的数据处理及图形仿真，从而实现惯性器件特性的测量、标定及其原理展示。

2　系统的硬件设计

系统由主控机、DDS电机调速模块、伺服电动机、数据采集模块和转台台体组成。转台加速度传感器随转台一起转动，而接口电路与PLC机处于静止状态。数据采集系统与接口电路之间通过滑环系统进行信号传输。被测传感器固定在转台的圆盘上，圆盘的半径为0.6m。圆盘通过电动机驱动旋转，电动机选用日本安川SGMAV-06A 500W伺服电机，由主控机通过串口控制电动机的转速变化。数据采集模块通过滑环系统获得被测器件的相关测试数据，并将该数据通过串口传入测控柜主控机。系统整体结构框图如图1所示。

图1　系统结构框图

2.1测控机柜设计

测控柜的控制系统部分是整个测控柜设计过程中的难点和重点部分。测控主机采用高可靠性的工业控制计算机作为该系统的控制核心。其中在数据通信接口电路的处理上，充分考虑被测件高频弱电数据信号在整个传输过程中的抗干扰问题，采用工业标准的RS485与计算机的RS232进行接口，这样一方面解决了弱电信号的传输距离问题；另一方面也解决了被测件与测控计算机的接口融合问题。在数据的监控及融合处理方面，充分考虑整个系统实时性的需求，采用了专门的数据采集处理接口模块，这样一方面降低了工控机的数据处理压力；另一方面减少了高频数据信号的传输环节，降低了干扰的产生机率。

中央处理器是整个模块的核心，完成数据采集、处理和通信等功能。该模块选择高性能DSP TMS320C31芯片，该芯片具有精度高、速度快、集成度高等特点，硬件条件完全符合设计需求。电源模块给各个组成模块部分进行供电，保证整个模块的正常工作。

2.2转台控制系统的设计

转台控制系统由上位机控制部分和调速模块、驱动模块及测速采样模块组成。本系统中电动机采用的是伺服电机，电机调速系统采用直接数字频率合成（DDS）技术数字交流变频调速系统。该调速系统是采用伺服电机和测速机机组，以单片机8098为核心，数字量给定，软件PID调节，数字PWM输出。IGBT功率驱动，是高精度、低漂移的双向调速系统。电机调速系统可以通过主控机进行实时控制，主控机通过串口为DDS调速系统发送相应的控制指令就可以控制电机工作在某一转速，从而加速度信号或角速率信号的动态模拟。系统主电路采用的是交—直—交电压型大功率全控型电力电子器件绝缘门极双极性晶体管（IGBT）桥式逆变电路。控制电路采用脉宽调制（PWM）技术和单片微机控制技术。脉宽调制电路采用HEF4725，另因主电路中存在着电感，采用R、C、VD集中在直流侧的吸收电路。速度反馈信号采用1024脉冲/r的光电码盘来实现。

DDS采用数字化技术，最终合成信号是经D/A转换后得到的。信号调理模块采用的是二阶压控电压源低通滤波器作为信号调理电路，首先需要对其进行滤波、放大等预处理，然后再输入单片机进行A/D转换。

3　系统软件设计

3.1系统软件总体设计

软件编程采用C++语言进行程序开发，采用结构化程序设计思想，从上到下的设计方式，使得程序的结构清晰、可读性、扩展性强，分布式计算机的全数字化控制策略，高性能计算机控制下的电机直接驱动转台的数字伺服控制体制。

在系统启动后，会自动向各号位发送通讯信号，检测硬件通讯线路是否正常，如果UDP和RS232均通讯正常则开始监控用户操作，如出现故障则提示用户发生通讯故障的工位和方式，在获取到用户操作的输入信号后，程序设计了测试项目的自动判断的算法，并提交数据库进行判断，如果目前用户操作确实符合某一测试项目的操作逻辑，则触发该项目测试的界面显示、现象显示、监控输出并开始记录用户操作，如果用户操作与所有已记录的逻辑集合均不对应，则判定用户误操作，给出用户相应的提示，软件流程图如图2所示。

3.2数据采集监控软件设计

数据采集监控中心负责数据采集、处理、存储和各种状态的显示。该软件采用LabVIEW与MATLAB混合编程，充分利用了MATLAB提供的大量高效率可靠的算法和LabVIEW高效的图形化编程能力。采用LabVIEW编写的数据采集和信号分析模块在读取数据后进行数字滤波，经过计算得到转台及被测件的实时数据，调用MATLAB的大型算法进行图形化仿真显示，并将被测件的测试数据进行曲线拟合后与给定曲线进行综合分析比较，最后得到惯性器件的性能状态评估曲线与转台监控曲线一起实时进行仿真显示，其实时显示效果如图3所示。

图3　图形化仿真实时显示主画面

图2　软件流程图

4　结束语

本文设计了基于DDS惯性器件特性测量转台控制系统，实现了速率可控、数据采集、通信、安全控制、特性测量、状态评估等功能，与传统惯性器件转台控制系统相比，该系统具有精度高、可靠性强、价格低廉、便于维修等特点，有较强的应用价值和市场前景。

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张瑞民（1971―），男，山东单县人，副教授，主要从事导航、制导与控制等方面的研究与教学。

Design of swivel table control system for IMU characteristic test based on DDS

Zhang Ruimin，Wang Mingjian，Wang Xusheng，Song Zaibiao
（College of Sergeant，the Rocket Force Engineering University，Shandong，262500，China）

A swivel table control system for IMU characteristic test which controlled automatically by DDS system and servo motor was designed.LabVIEW and MATLAB were used in software program of system.The control system can draw property evaluation curve and monitor curve.Communication connection between PLC and computer was founded by MCGS software.Locale facilities were monitored real-time and controlled longdistance on this system.The system which has a amplitude application future runs well and low-cost.

IMU；swivel table control system；DDS