基于DSP的飞行仿真转台控制系统

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基于DSP的飞行仿真转台控制系统

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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
ServoSystemofFlightSimulatorBasedonDigitalSignalProcessor
HuHongjie ErLianjie WuSentang ChenWenbiao
Abstract:Inthispaper,anewly-developedflightsimulatorservosystemdrovedbypermanentmagnetsynchronousmotor(
PMSM)basedonthedigitalsignalprocessor(DSP)isdiscribed.Thehardwareandsoftware
structuresofservosystemarepresentedindetailed.Experimentalresultsaregiventoconfirmitsefficiencyand
validity.
Keywords:digitalsignalprocessor(DSP) servosystem permanentmagnetsynchronousmotor(PMSM)
飞行仿真转台是一种高精度的复杂控制系
统,作为地面半实物仿真的关键设备,用来模拟飞
行器在空中的各种动作和姿态,包括偏航、滚转和
俯仰。目前,除美国的CGC和CARCO公司、德国
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
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
类型系统存在3个问题[1]:①由于有刷直流电动
机的电刷极易磨损,容易引起"环火"和电磁干扰,
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[2～3]。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
先进的飞行转台控制系统。
本文介绍的就是这种基于DSP的、采用永磁
同步电动机控制的飞行仿真控制系统的基本原
理、系统构成以及系统实现的硬件和软件结构。
1 三轴飞行仿真转台系统控制原理
及软件结构
基于DSP的、采用正弦波驱动的永磁同步电
动机控制系统的3个通道具有相同的控制结构,
图1给出了其中一个通道的系统构成。
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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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*
a 、i*
b
和i*
c ;④采样电动机绕组的反馈电
流ia、ib
和ic
进行电流环ACR的控制算法计算,经
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,
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 StronachAF,VasP,NeurothM.ImplementationofIntelligentSelf-
organizeControllersinDSPControlledElectromechanicalDrives.
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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期

rise51

册是好东西。要多多学习！谢谢！

shineixueche

这是个好东西啊，DIY。