高精度转台控制系统的研制及应用

张雷 孟莹

【摘要】本文提出了高精度转台控制系统的详细设计方法，试验结果验证所研制的转台控制系统运行稳定，功能完善，精度达到±0.002°，满足了相关测试需求。

【关键词】目标定位转台；定位精度；PMAC技术；冗余控制；RCS

1.引言

随着隐身战机的出现，飞机的隐身性能已经成为衡量战机综合性能的重要指标之一，我们通常对飞机的雷达散射截面（RCS）进行测量，来获取这一指标，用以评估飞机在未来战争中的生存能力。室外RCS测试平台包含：测试场地、天线系统、测量系统及目标定位转台系统四个部分，其中目标定位转台在室外RCS测试平台中占有相当重要的位置，主要承担测试过程中的目标架设、转动、远程通讯及高精度目标定位等功能，为外场RCS测试、成像诊断测试提供精确的角度对应，因此，对转台的控制特性提出了较高的要求。

2.控制系统的功能、指标要求

2.1 功能指标

⑴实现SLEW模式、TRACK模式、SECTOR模式、DIRECT模式下转台水平旋转的控制功能；

⑵具备俯仰、横滚姿态调节功能；

⑶具备TTL脉冲输出功能；

⑷具备IE488、RS232、以太网及光纤通讯功能。

2.2 技术指标

⑴转台定位精度≤0.005°；

⑵系统连续、稳定工作时间≥15小时，且性能满足指标要求；

⑶系统工作的环境温度：-10℃～+60℃；保存温度：-20℃～+70℃；相对湿度：20%～95%。

3.基于PMAC技术控制系统的设计

综上所述，转台控制系统的设计由以下四个方面组成：

3.1 高精度控制系統的设计及研制

该控制系统由PCM-4381控制计算机、ARM微处理器、C8051F040单片机、PMAC多轴运动控制卡组成，构成多层次、多处理器的复杂控制系统。系统各计算单元之间通过CAN总线传递信息，并互相监测，实现对转台安全可靠的控制。同时该系统主要包括以下三项功能：

（1）运动轨迹规划；

（2）多处理系统的管理；

（3）便捷的人机操作模式。

3.1.1 控制计算机单元

控制计算机主要包含以下三项功能：

（1）实现人机交互，通过前面板上的按键、外接鼠标、键盘以及远程计算机等获得控制指令。为节省控制计算机的硬件资源，前面板按键由一个单片机负责管理，按键信息由该单片机处理后，通过CAN总线传递给控制计算机；

（2）根据操作人员指令生成转台控制命令，并将命令传递给PMAC控制卡；

（3）监控各单元的工作状态。

3.1.2 单片机单元

高精度控制系统包含两个单片机。控制计算机与它们通过CAN总线连接，彼此传递控制信息，同时监视运行状态。其主要功能如下：

（1）控制系统前面板功能按键的管理。管理前面板控制按键，将操作者的按键操作编码传递给控制计算机。

（2）实现控制系统的冗余管理。当控制计算机和PMAC出现故障时，单片机自动接管控制，直接向驱动器下达控制命令，防止转台出现异常动作。

（3）自整角机信号处理。担任冗余控制的单片机，同时还负责自整角机数据处理。系统初始化时由该单片机读入自整角机反馈数据，然后传递给控制计算机，由此确定转台的初始绝对位置。

3.1.3 ARM处理单元

为实现控制系统与其它测试设备之间可靠、快捷的通讯功能，我们采用新型的ARM开发板TE2440-II来完成。通过ARM处理单元可使本系统输出一路描述转台位置信息（由PMAC提供）的增量式脉冲和方向信号，同时还可提供二进制/BCD编码的转台当前绝对位置信息和转速信息。

3.1.4 PMAC多轴运动控制器单元

控制系统的实时控制任务由PMAC（Progra-mmable Multi-Axis Controller）可编程多轴运动控制器来完成。它使用数字信号处理器（DSP）作为计算单元，采用模块化的硬件和软件结构，能够适应目前运动控制领域各种控制要求。

PMAC与控制计算机采用以太网通讯，接收运动控制指令，并将系统的状态传递给控制计算机，依据控制计算机的控制指令计算出各伺服周期的目标位置、速度、加速度，根据实时的感应同步器的反馈信号，计算出控制命令电压，传递给电机驱动器。同时监视电机驱动器的工作状态，以防止意外发生时转台出现异常运动。

3.1.5 高精度定位功能的设计

转台的位置传感器由自整角机和感应同步器两部分组成，原有控制系统使用的是自整角机粗通道结合感应同步器的方式，实现转台±0.005°的定位精度。为了获取更高的定位精度，我们在原有的基础上加入了自整角机精通道数据，实现自整角机粗、精通道结合感应同步器的三级位置反馈机制。

系统初始化时，PMAC读取感应同步器绝对位置数据，单片机读取粗、精通道自整角机数据，并将数据传递给控制计算机。控制计算机将三组数据组合在一起，获得转台的初始绝对位置。此后PMAC根据感应同步器的增量式脉冲信号，计算当前转台位置相对于初始绝对位置的变化。这个变化值与初始绝对位置组合构成转台当前的绝对位置，信息获取流程。

3.2 电机驱动系统的设计及研制

转台控制系统中，其多轴运动、协调、限位等功能均由控制器来完成，对电机驱动装置的要求大大减低，因此我们选择西门子开发的6RA7018-6DV62直流电机驱动器作为转台的驱动系统。该驱动器提供模拟测速机、脉冲编码器、电机电枢电动势等多种方式测量电机速度以实现速度闭环控制，同时还提供电流前馈及反馈控制优化、速度控制优化，能够自动设定相关控制参数及电机电枢的电阻和电感。

3.3 控制系统安全措施的设计

控制系统中包含控制计算机、PMAC多轴运动控制器、ARM处理器、单片机、电机驱动系统等多个计算单元，任何一部分都可能由于软件或硬件的原因出现故障。因此在系统安全措施方面我们采取以下两项措施保证系统安全可靠运行。

（1）采用冗余控制单元配置，控制计算机为主控制单元，执行正常的控制任务。同时配置辅助控制单元—C8051F040单片机，在控制计算机发生故障时，自动接管控制任务，保证系统安全可靠运行；

（2）各计算单元彼此监视，一个单元出现故障，其他单元自动进入故障处理模式，保证系统安全可靠运行。

4.验证试验

为了验证转台控制系统各项功能、指标的实际效果，我们开展了以下对比验证试验：

（1）控制系统功能验证试验；

（2）控制系统技术指标验证试验。

由于篇幅所限，我们仅给出转台以20%转速，在顺时针旋转、逆时针旋转状态下的定位精度测试数据，如表1所示。从表中可知，新转台控制系统的定位精度已达±0.002°，相比于原有控制系统±0.005°的定位精度有了极大的提升。

5.结论

从验证试验中可以看出，转台控制系统的各项功能、指标达到了我们预期的设计要求，部分指标、性能在同类产品中已达到了国内领先水平。

下一步，将针对转台的机械结构开展升级改造或重新研制工作，再配合该控制系统，以实现转台大承载、高精度定位及俯仰、横滚调节等功能。

参考文献

[1]龚时华，李斌，朱国力.基于非线性特性的大型转台精密运动控制技术[J].电气传动，2010.

[2]郑堤.机电一体化设计基础[M].北京：机械工业出版社，2001.