一种车载转台控制系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机电控制领域，具体涉及一种基于DSP的车载转台控制系统及方法。
【背景技术】
[0002] 转台可以真实地复现被测设备在方位、俯仰、偏航方向的运动特征，在科学实验和 武器装备中起着重要作用，是模拟、仿真、测试的关键载体设备。
[0003]目前，使用的转台主要有实验室大型驻地转台、车载转台、舰船转台，常用的转台 控制系统主要由计算机控制系统、驱动系统和测量系统组成，其计算机控制系统主要由工 控计算机和运动控制器组成，工控计算机主要是对转台运行状态进行监控，而运动控制器 是伺服控制系统的核心，它采用积分分离的PI算法进行位置与速率的控制，从而实现基于 工控计算机指令信号和位置传感器反馈信号的转台控制。
[0004] 按以上方法进行转台姿态控制时，主要优点是：结构简单、使用简便、可靠性高、造 价低，控制方法简单，可满足精度不高的转台定位需求。缺点是：采用运动控制器作为控制 系统的核心部件，虽简化了硬件设计、降低了控制算法的难度，但增加了软硬件成本，且转 台不易实现与其他设备的无缝集成。
[0005] 随着微处理器的性能不断提高，转台的控制系统采用具有高运算速度的DSP(简 称数字信号处理器）芯片作为控制的核心，以差量式数字PID为控制算法来实现转台的基 本功能。
[0006] 此外，随着神经网络算法的广泛研究，也出现了转台伺服系统的神经网络控制方 法，即先建立转台伺服系统的机械动态模型，初始化系统状态等一系列先验知识的基础上 选择神经网络逼近未知动态，根据系统跟踪误差、快速终端滑模面及其一阶导数来设计自 适应鲁棒有限时间神经网络控制器，采样时刻更新神经网络权值矩阵。但由于神经网络算 法本身的复杂性，适用于高性能的工业计算机，硬件成本高、算法复杂，无法在基于DSP的 嵌入式系统中采用，有一定的使用局限性，且目前还处于算法研究阶段。
[0007] 综合上述的转台的控制方法以及各个方法的优缺点，针对基于DSP的车载转台， 目前主要存在如下技术问题：（1)硬件成本高，体积大，不易实现与其他设备的无缝集成； (2)由于受到路面颠簸、震动等因素的影响，普通的PI控制算法很难消除静差，以达到较高 的控制精度，还可能导致积分过饱和超调；（3)由于受到结构件、锁紧力、环境温度的影响， 转台较难实现任意角度下的自动锁紧解锁，并且车载转台在启动和停止时的过冲和急停极 易引起的来回震动；(4)车载转台在运动过程中容易出现电流的陡增和速度的突变而出现 飞车现象。
【发明内容】
[0008] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种车载转台控制系统及方 法，其目的在于，该方法能够满足DSP嵌入式数字信号处理器运行要求，极大简化转台体 积，实现与其他设备的集成，其控制算法也能避免车载转台的干扰因素，实现转台的稳定运 行和精密定位，并能实现在转台任意位置的自动锁紧、解锁，解决了车载转台的自动化控制 等技术难题。
[0009] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种车载转台控制系统，其特征 在于，其包括驱动装置、锁紧装置以及用于控制所述驱动装置和锁紧装置的控制装置，其 中，
[0010] 所述驱动装置包括角度传感器、D/A转换芯片、电机驱动器以及驱动电机，所述角 度传感器与所述控制装置相电连接，所述控制控制装置同时还与D/A转换芯片相电连接， 所述D/A转换芯片连接电机驱动器，所述电机驱动器连接所述驱动电机，所述驱动电机用 于驱动转台旋转；
[0011] 所述锁紧装置包括位置传感器、A/D采集芯片、步进电机驱动器以及步进电机，所 述位置传感器与所述A/D采集芯片相电连接，所述A/D采集芯片与所述控制装置相电连接， 所述控制控制装置同时还与所述步进电机驱动器相电连接，所述步进电机驱动器与所述步 进电机相电连接，所述步进电机用于锁紧转台；
[0012] 所述控制装置包括数字信号处理器，所述数字信号处理器同时连接所述角度传感 器、所述D/A转换芯片、所述A/D采集芯片以及所述步进电机驱动器。
[0013] 所述角度传感器用于感知转台旋转的角度，所述角度传感器连接所述控制装置。
[0014] 通过以上发明构思，一方面设置角度传感器能实时采集转台的位置值，另一方面 设置位置传感器实时采集步进电机状态，所述位置值和所述步进电机的状态经过数字信号 处理器处理后，分别输出控制驱动电机的电压值和步进电机的PWM脉冲，使驱动电机和步 进电机按照控制要求进行转台的驱动和锁紧。
[0015] 进一步的，所述驱动电机为力矩电机。
[0016] 按照本发明的另一方面，还提供了一种车载转台控制方法，其特征在于，包括如下 步骤：
[0017] S1 :向数字信号处理器输入指令，所述指令包括转台的定位角度和转台的运行速 度；
[0018] S2 :以A/D采集芯片采集位置传感器的位置值，并将该位置值输入至数字信号处 理器以对所述位置值进行判断，若该位置值在解锁阈值范围内，则判断转台解锁成功，接着 执行步骤S3 ;否则启动锁紧电机往解锁方向运行，直至解锁成功；
[0019] S3:将角度传感器采集的解锁成功时的转台角度反馈至数字信号处理器，根据解 锁成功时的转台角度、步骤S1中所述定位角度以及所述运行速度，数字信号处理器计算转 台的加减速控制曲线，所述转台的加减速控制曲线包括加速段、恒速段和减速段；
[0020] S4:数字信号处理器分别计算所述加速段、恒速段和减速段的驱动电机电压值，并 按照所述电压值驱动转台先进行加速转动直到速度达到所述转台的运行速度，再依照所述 转台的运行速度进行恒速转动，最后进行减速转动以使转台到达所述转台的定位角度时静 止；
[0021] S5 :在减速转动结束后，以A/D采集芯片采集位置传感器的位置值，当多次采集的 位置值均无变化时，判断锁紧电机堵转，否则锁紧电机往锁紧方向继续运行直至堵转；堵转 后，接着判断该多次采集的位置值是否在锁紧阈值范围内，若是，则判断锁紧电机锁紧；若 否，则启动锁紧电机往锁紧方向继续运行，直至锁紧。
[0022] 通过以上发明构思，采用加减速控制曲线控制转台先加速、再恒速、最后加速，而 不是立即加速至运行速度，并在达到定位角度处又立即停止，因此，能避免了转台的过冲和 抖动，实现了平稳启动和停止。
[0023] 进一步的，所述步骤S4中，实时采集传感器的实测值，计算与给定目标值之间的 偏差量，将偏差量代入PID控制算法计算每一时刻输出给驱动电机的电压值，以此实现转 台的稳定运行和精密定位。
[0024] 通过以上发明构思，加减速控制曲线可规划转台的加速段、恒速段和减速段，PID 控制算法计算获得的所述驱动电机电压控制量是控制转台速度或者说转台位置的关键量， 作为参考或者作为闭环控制的策略，同时还实时采集角度传感器的值来获取转台实际的转 过的角度（位置值），转台的速度以及驱动转台旋转的驱动电机的电流，以电流环、速度环 以及位置环三回路的控制策略，最终用于精确控制驱动电机的电压控制量，可进一步实现 转台速度和位置的稳定、精确控制。
[0025] 进一步的，所述步骤S3中，所述加速段的加速度和所述减速段的加速度的绝对值 相同。
[0026] 进一步的，步骤S4中，采用PID控制算法计算所述驱动电机电压值，所述驱动电机 电压值u(k)为：
[0027]
[0028] 上述公式中，给定值目标角度rin(t)与电机的实际角度yout(t)构成的控制偏差 error(t)为error(t) =rin(t)-yout(t)，t为时刻，T为采样周期，k为采样序号，k= 1、 2、......、N，所述N为采样总数，error(k-1)和error(k)分别为第（k-1)和第k个采样周 期所得的偏差信号，KP为比例系数，Ki为积分系数，Kd为偏分系数。
[0029] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有 益效果：
[0030] 1、采用数字信号处理器集成在控制系统中，极大简化了转台体积，实现与其他设 备的集成，大大降低了转台的外围体积，使得整个控制系统结构精巧，运输方便。
[0031] 2、基于DSP的转台系统结合PID控制方法，采用加减速控制曲线进行转台控制，使 转台启动和