嵌入式芯片在ATP系统中的应用
李兴红，谢斌，闫智武
（成都理工大学工程技术学院，成都614007）
摘要：为了提高经纬仪的跟踪、捕获、瞄准(ATP)的精度，越来越多的复杂实时算法被应用到光电经纬仪的ATP系统中，因此要求伺服控制器能够在最短的时间内完成大量的运算，即对伺服控制器的运算性能提出了更高的要求。目前的经纬仪伺服系统多是在底板PC104上叠加多种功能板卡来完成捕获跟踪等任务，文章所述系统设计了以嵌入式芯片为核心的伺服系统，增加了可靠性，提高了精度和响应速度。
关键词：嵌入式；精度；ATP系统
中图分类号：TP272 文献标志码：A 文章编号：1001-6848（2010）04-0080-03
1砸件结构
目前光电经纬仪的伺服系统大都采用图1历示的PC104控制系统，它是通过引导主控计算机对飞行目标完成捕获跟踪等功能，若要组成实际应用的跟踪伺服系统还需要叠加多块板卡，不仅增大了系统体积，降低了可靠性，精度提高困难，而且花费昂贵。
鉴于以上原因，为了改善PC104的弊端，设计了以TMS320F2812为CPU的伺服系统。它作为一款专为电机控制而设计的芯片，不仅具有运算速度快的特点，而且集成了丰富的片内外设，能够满足跟踪系统的多方面要求。该控制器主要由电机、DSP核心处理器、功率转换电路、反馈电路及一些辅助电路组成，如图2所示。
1)DSP: TMS320F/C281X作为TI公司DSP控制器ZXXX系列的新成员，是TMS320F/C2XXX平台下的一种定点DSP芯片，它在电机的数字化控
嵌入式芯片在ATP系统中的应用李兴红，等制方面具有低成本、低功耗、高性能的特点，而且将几种先进的外设集成到该芯片内，形成了真正的单芯片控制器。
2)ACE接口：DSP通过16C554读取数字系统发送来的控制命令，并实时回送当前的控制系统的状态信息。16C554是集成异步通信元件，在FIFO模式下传输和接收前将数据缓冲为16字节数据包，减少了CPU的中断数量，包含4个改良的16C550，每个通道实现串行和并行两种连接方式的转换，具有可编程的串行接口特性。
3)功率转换电路：TMS320F2812有16路PWM输出口供电机使用，通过控制PWM波的占空比来改变加在电机两端的电压，从而改变电机的转速。由于DSP发出的PWM波功率不足以驱动大功率电机，需要经过IGBT进行功率转换，设计中应用了将ICBT与驱动芯片相结合的新型功率芯片(IPM)PM100DSA120．它将两个IGBT与相应驱动部分集成到一起，TTL电平即可实现功率驱动，而且具有完整的隔离及保护功能，如过流、过压保护等。
2软件流程
为了提高控制系统的跟踪精度，在硬件电路基础上搭建反馈回路（速度回路和位置回路），反馈回路调节器经商散化后进行软件编程，算法模块软件流程如图3所示。
3伺服校正
经过IGBT的PWM波驱动电机从而带动跟踪架转动，电机采用自制的，其中的机电时间常数L采用阶跃响应法测得[2]，模型为（以某型号经纬仪的俯仰机为例）并对具有****角速度50和****角加速度30的运动目标的跟踪精度校正，由以下公式可得出等效正弦运动目标的函数。
3.1复合校正
复合控制就是在系统闭环中增加一个开环控制支路，用来提供输入信号的一阶导数。使系统的无静差度提高，系统的快速响应性能提高。复合校正框图如图4所示。
图4中G，(S)为位置校正函数，G2(S)为速度校正函数，G3(S)为控制对象传递函数，Hf(S)为速度前馈传递函数，代表频率给定与速度给定值之间的变换关系，G(S)为速度反馈（编码器）传递函数，此处位置反馈为单位负反馈。在采样频率为800同样周期为1 25 ms)时，根据Matlab仿真工具及经验，通过系统稳定判据得出G，(5)和G2(S)。其中超前一后速度校正环节。超前一滞后位置校正环节。
此系统采用增量式光电编码器，它可以同时检测电机的转速、转向及转子相对于定子的位置。电机与码盘同轴安装，因此电机的编码器读数可以从DSP的正交编码脉冲单元(QEP)获得。TMS320F2812的QEP能对脉冲的前后沿进行计数，即使用的时钟源CLK为正交编码脉冲的4倍频，并且根据两路脉冲的次序判别电机转向。
TMS3201;2812内部的捕获单元脚，用软件定义为QEP方式。从编码器产生A、B两路相位相差90的正交脉冲和Z基准点信号（用来确定位移零点），其中A、B两路信号输入到QEP单元中的QEP1、QEP2，QEP工作方式的捕获单元检测到这两路信号，内部产生一个使计数精度提高的4倍频时钟信号(CLK)和一个方向信号( DIR)。如图5所示。
3.2速度和加速度滞后补偿校正
采用速度、加速度滞后补偿的方法，构成近似等效复合控制系统。
在工程设计中，当内环带宽是外环带宽5倍以上时，内环可等效为一阶馈性环节，由图6表示可把整个速度校正闭环等效为一阶惯性环节，在速度、位置双闭环校正的基础上加上速度滞后补偿传递函数)和加速度滞后补偿传递函数。
4实验分析
本系统采用了增量式编码器做为系统的反馈测试装置。图7、图8为给定用复合校正使电机达到要求的转速后所需要的时间及精度。
当给定信号码值为150时，由增量式编码器可得，此时的电机速度为6. 25 r/s。
从以上的图形数据可以得出：用编码器作为反馈装置时，高速时的误差明显小于低速时的误差，这是由于电机低速时的摩擦力矩大所造成的。 
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