五轴电动转台控制系统设计

慢 速 光 隔 FPGA EP1C12Q240C8 快 速 光 隔
双端口RAM
IO输入
IO输出
光电马 盘输入 五路LED
显示
EBI
快
ARM 42800
S P
I
速 光 隔
EBI
AD输入 DA输出
采用串行 A/D、D/A 芯片，和 42800 的 SPI 口连接。 （3）该板采用 CY7C09449PCI 总线控制芯片完成与 PCI
2.1.3 数显面板
采用 MAX7219 显示驱动芯片驱动数码管，实现共阴方 式的五框位置量的数字动态显示。MAX7219 是串行通讯芯 片，因此在将信号送往 MAX7219 之前，先进行并串转换。
2.2 软件设计
印。 5）事故处理模块：用于显示系统中所有故障诊断。 6）通讯模块：完成与下位机的通讯。 7）扫频处理模块：主要是在转台的测试阶段，将扫频
制导、控制与仿真, 计算机控制；单家元(1967-),, 男, 湖北黄梅人, 教授,
博导, 研究方向为飞行器导航、制导、控制与仿真。
光电编码器等均是采用国内外的成熟产品。下面介绍自行研 制的硬件产品。
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第 20 卷第 10 期 2008 年 5 月
系统仿真学报
Vol. 20 No. 10 May, 2008
Abstract: In the hardware-in-the-loop simulation of homing guidance weapon, five-axis turntable has obvious advantages. The design scheme for the five-axis electric-driven turntable control system was introduced. The designs of the software and the hardware developed by ourselves were proposed. The control system based on the method of distribution control system has a key future that a multifunctional motion controller developed independently on ARM is used, and can meet the demands of hard real-time character. Because of its flexibility in use, some new control algorithms can be used in the signal processing easily. Key words: flight simulation; homing guidance; five-axis turntable; control system
CY7C09449 I2C
HT24LC02
P C I 总线
图 3 运动控制器简化框图
（2）处理器采用 AT91 系列 ARM 核微控制器 42800[2]， 因为需要多任务调度及内存管理，所以在芯片内部移植了 UC/OS2 操作系统。42800 在 FPGA 的双端口 RAM 区读取 位置反馈信号，在光纤反射内存卡读取命令信号，叠加并经 控制算法处理后，经 D/A 变换输出。为了节省制板空间，
引 言1
仿真转台是用于制导武器制导控制部件和系统半实物
仿真的主要仿真试验设备，在导弹的研制过程中有重要的作
用。寻的制导武器半实物仿真系统由三轴转台（弹体姿态运
动模拟）、二轴弹目相对运动模拟器、目标特性模拟器、仿
真计算机系统组成。为节省空间，可以把二轴弹目相对运动
模拟器、目标特性模拟器与三轴转台集成在一起，构成五轴
图 4 CY7C09449 和 42800 的接口
（4）为了屏蔽掉外界干扰，所有的信号都经过了光电 隔离，对于速度传输快的信号采用高速光隔，速度低的 I/O 信号经过低速光隔。
（5）为了避免信号的相互干扰，运动控制器电源分为 三部分：内部核心数字部分、外部数字部分及模拟部分。板 内核心电压为 3.3V,由 PCI 总线 5V 电压转换而来，为内部 核心数字部分提供 5V，3.3V，1.5V 电压值。外部数字部分 电压由 VCC5V-2 提供。模拟部分由 VCC5V-3 及由其转换来 的电压提供。
（1）实时控制：实现五框转台的运动实时控制。对各 控制对象参数进行识辨和补偿。复现系统仿真信号。
（2）限位限速：根据检测到的系统状态信号及用户设 置的软限位、软限速值，采用相应的控制算法，对转台系统 的运行位置、速度进行控制，保证转台运行状态不超出软限
本控制系统的软件设计包括：上位机软件设计、下位机 软件设计和运动控制器卡 PCI 驱动程序的设计。
总线的接口设计[3]。CY7C09449 符合 PCI 局部总线 2.2 规范, 能够方便地与众多微处理器接口。内有 16KB 双口 RAM； 含有 I2O 信息传输单元,可对 PCI 总线进行配置；局部总线 时钟频率可达 50MHz；能兼容 3V、3.3V、5V 信号环境;既 可作为 PCI 目标设备使用,也可作为 PCI 主设备使用。板卡 的配置信息放在 EEPROM(HT24LC02)中，可以从 PCI 总线 通过 CY7C09449 芯片写进去,也可以通过 EEPROM 的专用 烧写器写入。42800 和 CY7C09449 的连接采用 16 位数据总 线，地址范围为 16KB,CY7C09449 局部总线配置寄存器 LBUSຫໍສະໝຸດ BaiduFG 的配置值定为 0X010931。具体连接见图 4。
制系统的设计方案，并详细给出了转台控制系统的软件及相关硬件的设计。本套数字式集散控制系
统特点在于采用自主研发的基于 ARM 的多功能运动控制器，能够满足仿真、控制的硬实时性要求，
而且在使用上具有很好的灵活性，便于实现一些复杂的控制算法。
关键词：飞行仿真；寻的制导；五轴转台；控制系统
中图分类号：TP391.9
TESTM ODE TO GROUND
A
/R E Q
/GN T
/BE0 TO GROUND
/P E R R
/BE1 TO GROUND
/S E R R
/BLAST TO GROUN D
/IN TA
/RDY_IN TO GROUND
/STROBE AN D
NOE NWE
/RDYOUT OR
n WA IT
1 转台控制系统的总体方案
近年来，用户不但对转台的工作性能提出了较高要求， 而且对转台系统的维护及操作提出了较高要求，这就对转台 系统的设计提出了更高的要求。基于此，采用数字式集散控 制系统成为当前转台设计的一个发展趋势。在转台数字式集 散控制系统中，监控计算机（上位机）用于为操作者提供人 机界面，实现对整个系统的在线检测、安全保护、性能检测、
飞行仿真转台。五轴飞行仿真转台结构紧凑，相对位置精度 高、调整稳定性好且所需工作空间小，具有良好的通用性，
图 1 某型号五轴电动转台结构形式图
因此受到导弹半实物仿真试验机构的普遍重视。某型五轴电 动转台其结构形式如图 1 所示。
证跟踪的位置精度。运动控制器可快速计算系统的控制规 律，经 D／A 芯片转化输出，最后经功率放大后给执行元件，
文献标识码：A
文章编号：1004-731X (2008) 10-2557-03
Design of Control System of Five-axis Electric-driven Flight Turntable
XU Bo, SHAN Jia-yuan
(Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)
监控和系统的运动管理以及数据处理，而运动控制器（下位 机）是直接控制机，构成各个框架的数字伺服控制系统，保
2.1 硬件设计
本套伺服系统的直流力矩电机，功率驱动器，测速电机，
收稿日期: 2007-01-11
修回日期: 2007-03-16
作者简介: 徐博(1980-), 男, 河北沧州人, 硕士生, 研究方向为飞行器
（ 1 ） FPGA 部 分 ： 采 用 cyclone 系 列 的 FPGA （EP1C12Q240C8）[1]，负责接收光电编码器的脉冲信号， 以一定的时钟频率将计数结果写到双端口 RAM 区，供微控 制器 42800 读取。并把计数结果处理后送往前面板显示，以 及完成限位信号，归零信号，错误信号等输入信号的处理， 和功率放大器的使能信号输出。
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第 20 卷第 10 期 2008 年 5 月
徐 博，等：五轴电动转台控制系统设计
Vol. 20 No. 10 May, 2008
2.1.2 速度控制器板设计
在飞行仿真转台的应用中，当执行元件和框架的耦合力 矩不是很大也就是结构刚度不是足够大时，引入速度反馈 后，不仅可以满足仿真对速率模式的需要，而且可以改善执
行元件的线性度和动态特性，对抑制干扰、克服摩擦死区、
减小力矩波动以及拓宽系统频带都有好处。 速度控制器采用全模拟方式实现信号的调节，通过双 T
网络来抑制机械谐振和工频干扰。其简单结构框图如图 5 所 示。
信号端
T型 网络
消除 工频 干扰
PID调 节
消谐 送往功放 网络
测速
T型
反馈
网络
图 5 速度控制器板的结构框图
实现转台系统的实时控制，保证系统的性能满足要求。为使 系统具有较好的速度和加速度性能，引入测速信号作为系统 的速度反馈，构成速度回路。由高精度的光电编码器作为系 统的主反馈元件，构成数字式角位置伺服回路，控制转台各 框的运动，满足转台的各项动态性能指标。这种方案的简化 结构框图如图 2 所示。
2 控制系统设计
MCKO A
P C I
Y 7 C
NOT /IRQ _O U T
/IR Q _ IN
IR Q 0 PB22
T M 4
B
0
RDY_IN PULLED UP
2
U
9
ALE PULLED UP
8
S
/S TO P
4
/BE2 TIED HIGH
0
ID S E L /DEV SEL
4
/BE3 TO GROUND
0
9
CLK
AD R[14:2]
A [13:1]
/R S T
D Q [15:0]
D Q [15:0]
AD [31:0]
RSTOUT
NRST
C /B E [3 :0]
/S E L E C T
NCS2
PA R
/FRAM E
/R E A D
NOE
/IR D Y
/W RITE
NWE
/T R D Y
C
C L K IN
仿真计 算机
监控计 算机
光纤反 射内存
卡
PCI总线
速度 控制 器
功率
直流
驱动
力矩
台体
器
电机
运 动
控
电流 检测
制
测速
器
电机
光电
编码 器
图 2 五轴转台控制系统简化框图
2.1.1 运动控制器设计
运动控制器是整个控制系统的核心器件，完成实时轨迹 规划、主机命令处理和外部 I/O 管理，通过输出接口控制伺 服电机实现规定的运动。该运动控制器采用以 ARM 为核心， 结合 FPGA 可编程逻辑器件的灵活性完成运动控制的硬件 架构。ARM 负责完成运动控制算法，信号滤波，实时任务 控制管理等功能；FPGA 可编程逻辑器件和其他相关器件组 成伺服控制和位置反馈的硬件接口。运动控制器板的简单结 构框图如图 3 所示。运动控制器板主要包括如下几个部分：
第 20 卷第 10 期 2008 年 5 月
系 统 仿 真 学 报© Journal of System Simulation
Vol. 20 No. 10 May, 2008
五轴电动转台控制系统设计
徐 博，单家元
（北京理工大学，北京 100081）
摘 要：五轴转台在寻的制导武器半实物仿真系统中具有突出的优点。介绍了某型五轴电动转台控
结果记录下来，主要包括频率，幅值和相位等数据。 2.2.2 下位机软件
下位机是转台控制系统的直接控制级，构成转台五个框 独立的伺服控制回路。从程序的模块结构出发，下位机软件 主要包括控制模块和通讯模块。控制模块完成系统控制各参 数的计算和控制量的输出；通讯模块完成与上位机及光纤反 射内存卡的通讯。
1）基于 ARM 的嵌入式程序：该程序是整个控制系统 的核心程序，调用 UC/OS2 操作系统[4]提供的函数完成任务 调度和内存管理，使用 ARM 汇编指令集完成对硬件的操作 及初始化程序编写。程序完成的主要功能如下：