基于DSP的飞行仿真转台控制系统
**** Hidden Message ***** 电气传动 2004年第 2期===============================================================基于 DSP的飞行仿真转台控制系统
扈宏杰1尔联洁1吴森堂1陈文彪2
1.北京航空航天大学 2.大庆石油管理局供电公司
摘要:文章介绍了一种新型的基于高速数字信号处理器(DSP),以永磁同步电动机(PMSM)为驱动部件的飞行仿真转台控制系统的原理及构成,并介绍了控制系统的硬件和软件结构。给出了一些实验结果。关键词:数字信号处理器(DSP)伺服系统永磁同步电动机
ServoSystem ofFlightSimulatorBasedonDigitalSignalProces
or
HuHongjie ErLianjie WuSentang ChenWenbiao
Abstract:Inthispaper,anewly-developedflightsimulatorservosystem drovedbypermanentmagnetsyn-chronousmotor(PMSM)basedonthedigitalsignalproces
or(DSP)isdiscribed.Thehardwareandsoftware structuresofservosystem arepresentedindetailed.Experimentalresultsaregiventoconfirm itsef
iciencyand validity.
Keywords:digitalsignalproces
or(DSP) servosystem permanentmagnetsynchronousmotor(PMSM)
飞行仿真转台是一种高精度的复杂控制系先进的飞行转台控制系统。统,作为地面半实物仿真的关键设备,用来模拟飞本文介绍的就是这种基于 DSP的、采用永磁行器在空中的各种动作和姿态,包括偏航、滚转和同步电动机控制的飞行仿真控制系统的基本原俯仰。目前,除美国的 CGC和 CARCO公司、德国 理、系统构成以及系统实现的硬件和软件结构。 MBB公司、法国 Belfert公司和瑞士 Acutronic公
司近年来生产的部分转台外 国内外的仿真转台1三轴飞行仿真转台系统控制原理
,及软件结构
系统中普遍采用驱动技术比较成熟的有刷直流电动机,配以工业控制计算机构成转台控制系统。该基于 DSP的、采用正弦波驱动的永磁同步电类型系统存在 3个问题:①由于有刷直流电动动机控制系统的 3个通道具有相同的控制结构,机的电刷极易磨损,容易引起"环火"和电磁干扰,图 1给出了其中一个通道的系统构成。
同时电刷需要经常维护;②这种电动机的电枢在转子上,容易引起转子发热,对系统散热不利;③这种系统的三通道控制算法均是在一个采样周期内、由 1台工控机完成。在系统的动态指标要求下采样时间受到约束,很多复杂控制算法 (计算量大)的使用受到限制。而正弦驱动的永磁同步电动
机由于其自身的结构特点而避免了直流电动机系统的前两项不足。目前,永磁同步电动机控制理论基础 --矢量控制技术已经发展成熟,并且,计算机技术尤其是 DSP技术的飞速发展,为永磁同步电动机控制系统的设计与实现提供了坚实的基础。由于 DSP具有体积小、功耗低、速度快等一系列优点,完全可以承担转台系统中各个通道的,原来由工控机完成的控制任务,从而构成更加
图 1飞行仿真转台单通道控制系统结构
本飞行仿真转台控制系统中每一个通道(轴)的控制功能是由插入工控机 ISA槽中的一块电路板完成。控制板挂在工控机总线上,接收来自工控机的控制指令、完成永磁同步电动机的矢量控制。具体控制原理如图 2所示。
从图 2可见,DSP单元完成如下功能:①接
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电气传动 2004年第 2期===============================================================
图 2飞行转台控制的原理框图收来自工控机的位置指令信号 θd,读取电动机转子的实际位置角 θ,完成位置环控制器的计算 产生速度环的指令速度 ω* ;②读取电动机的反馈速,度 ω,进行速度环 ASR控制器的计算 产生直流的指令电流 I*;③读取转子磁极的实际,位置角 ψ,经乘法器完成矢量运算 从而得到三相正弦指令电流 i、*b和 *c;④采样电,动机绕组的反馈电
*aii流 i和 i进行电流环 ACR的控制算法计算 经
a、b ,
ic过 PWM输出控制功放电路,从而控制永磁同步电动机拖动转台负载框架旋转,使得转台实际输
出角 θ跟踪位置指令信号 θd的变化。
传统的转台控制系统一般采用上、下 2个计算机的集散式控制方式,上位机实现系统监测、下位机完成控制运算。上、下位机的通讯是由通信网卡实现。在采用了本系统以后,由于位置指令信号 θd直接由 ISA总线传输,这样就避免了传统控制系统的上、下位机数据通讯问题。原来的上位机功能便由下位机完成,DSP代替了原来的下位机。这样,不但节省了 1台工控机,而且避免了通讯的问题,从而减小了系统的体积又提高了系统的可靠性。
系统软件结构如图 3所示。
图 3 DSP单元软件结构
2数字信号处理器 TMS320LF2407
本系统采用了美国德州仪器公司 (TI公司)的专用 DSP芯片 TMS320LF2407。该芯片提供了低成本、低功耗、高性能的处理能力。其内部集成了 32K的 FLASH、16路 A/D转换、双事件管理器、可以进行死区编程的 PWM以及看门狗电路,
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非常适合于电动机的控制。除此以外 该芯片还集成了串行通信接口(SCI)、同步串行通信,接口 (串行外设接口模块 )(SPI)以及 CAN通信接口模块,特别适合于与外部系统的通信。
3位置信号反馈
用于系统位置环的位置反馈信号 θ,是由与永磁同步电动机同轴相连的感应同步器经过信号处理以后得到;用于速度环的反馈信号 ω,是由旋转变压器/数字转换器 (RDC)得到;用于系统矢量控制的转子磁极位置信号 ψ是由 RDC直接得到;电流反馈信号是由霍尔电流传感器得到。 RDC电路是采用了美国 AD公司的专用芯片 AD2S80A与旋转变压器共同完成。
4实验结果及结论
图 4为转台内框架跟踪 1Hz、1o的正弦位置信号的结果;图 5为转台外框架跟踪 2.5Hz、2.5o的正弦位置信号的结果。可见,控制系统的性能优良。
图 4 1o,1Hz的位置信号跟踪
图 5 2.5o,2.5Hz的位置信号跟踪
本文介绍的基于 DSP、采用永磁同步电动机驱动的飞行仿真转台控制系统具有如下优点:①由于采用了 DSP技术因而可以进行很复杂的控制算法,系统的实时性好;②由于采用了矢量控制的永磁同步电动机驱动技术 避免了直流力矩电动机的
"环火"、发热、不易维护等,问题;③系统体积小、可靠性高。因而本控制系统可广泛地应用于实时性和精度要求较高的伺服系统的跟踪控制中。
参考文献
1李自民,张遇杰 .同步电动机调速系统 .北京:机械工业出版社,1998 2张雄伟,曹铁勇 .DSP芯片的原理与开发应用 .北京:机械工业出版社,2001
3 StronachA F,VasP,NeurothM.ImplementationofIntel
i-gentSelf-organizeControl
ersinDSP Control
edElectrome-chanicalDrives.Proc.IEE,Pt.D,1997,144:324～330
收稿日期:2002-12-09修改稿日期:2003-10-20
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