摘? 要: 介紹了尋北過程和轉位控制系統" title="控制系統">控制系統。針對尋北系統" title="尋北系統">尋北系統對轉位時間的特殊要求,提出了RIGOL DS1102CA型數字示波器" title="數字示波器">數字示波器測試轉位機構性能參數的實現方案。實驗分析表明該示波器測試、分析的轉位參數準確可靠,并可以簡化測試難度,增加測量數據準確性,提高測試效率。?
關鍵詞: 尋北系統; 光標測量; 手動方式; 追蹤方式
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光纖陀螺尋北系統以慣導系統中初始對準技術為基礎,為獲得精確的北向基準,快速性和高精度是其主要指標。隨著電子信息時代的不斷發展及數字化測試儀器的普及,各種數字化自動測試手段在各領域中發揮作用。本文依據數字化儀器的優點,利用數字示波器中處理、分析數據的特長,有針對性地設計出能夠測試轉位機構到位時間的測試方案并給出了測試實現過程。?
1 尋北系統?
尋北系統主要由兩部分組成: 一部分是由光纖陀螺等慣性器件獨立構成的一個轉位裝置,另一部分是由伺服轉位控制計算機和導航計算機兩個模塊構成的控制箱。?
尋北系統的轉位裝置固定在精調平的轉臺上,在系統靜基座(穩定不動的轉臺)自主式對準工作過程中,設定一個初始零位值,控制轉位到分別相鄰90°的四個位置上,每一位置上導航計算機采集陀螺與加速度計數據[1]。回到初始零位值后,解算出準確北向。整個系統要求精確轉位,另外整個尋北時間也有嚴格要求,由于存在陀螺零漂等影響,分配到各個位值的時間都有嚴格規定,所以也要求轉位的快速性。因此本系統要求的轉位誤差小于±0.03°(即小于±108′′),相鄰兩位置間的調轉時間小于3s。?
2 轉位控制系統?
尋北系統的轉位控制分系統結構組成如圖1所示。?
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2.1 控制結構分析?
為克服只有位置反饋帶來的動態性能不理想的設計缺陷,縮短轉位的調節時間,提高尋北系統的抗干擾性,設計了基于速度與位置雙反饋的轉位控制系統[2]。由于引入速度反饋,大大提升了系統對干擾的反應能力,從而提高了整機的剛度。?
2.2 控制器設計?
系統選擇Philips公司LPC2114控制器。它除了具有豐富的外部接口,關鍵是具有1個32位ARM7TDMI-S RISC處理器[3]。內核使用ARMV4T結構實現,包含32位ARM指令集和16位Thumb指令集,其中Thumb指令集具有較高的代碼密度,并且還有多個32位寄存器實現數據存放,更能滿足本系統的需要。?
2.3 角位置檢測電路與存儲器?
多對極雙通道旋轉變壓器與電機轉子同軸固連,表征轉動角位置。它和A/D解算器將電機轉位的角位置模擬量轉換成4位十六進制數,送入ARM控制器。尋北初始化時,轉位的圓周坐標系的初始零度角并非旋變自身特性輸出顯示的圓周坐標零度角,所以設計了存儲器,用來存放兩個坐標零位的偏差角,協助完成校零工作。?
2.4 D/A" title="D/A">D/A轉換芯片" title="轉換芯片">轉換芯片和PI調節器?
D/A轉換芯片采用AD公司高速14位轉換器AD7535。在雙極性輸出模式下,接收數據13位,轉換速度1.5μs,具有外接元件少、功耗低、精度高的特點。并采用模擬式調節器及有源校正網絡實現比例積分調節器[4]。?
2.5 CPLD?
CPLD是控制器的邏輯控制核心,控制旋變、存儲器、鍵盤/顯示、D/A轉換器的選通與禁止,另外還增加了鍵盤響應、顯示譯碼驅動電路、D/A轉換芯片的邏輯控制與14位的緩沖區,輔助ARM控制器向存儲器寫入/讀取數據,控制總線讀取角位置的二進制代碼,并在轉位時將控制器計算的角偏差量實時送給D/A轉換芯片。?
2.6 通信模塊?
與上位機采用串口RS232方式通信,選取具有16字節緩沖區的16c550串并轉換芯片,為以后擴展功能及大信息量傳輸做準備,接口與導航計算機PC104相連。尋北過程中,由導航計算機發出轉位指令,控制轉位機構精確轉位。轉動到位后,由ARM控制器向PC104發送到位信息,導航計算機開始采集陀螺與加速度計數據。為了便于調試和測試,設計了鍵盤顯示接口模塊。?
3 測試方案?
3.1 測試難點?
由于轉位系統要求轉位精確、快速,所以轉到各個位置的轉位時間是一個重要測試指標。如果借助秒用人眼觀察轉位機構,會造成測試不準確,難以達到系統要求,而且也觀察不到轉位的實際動態過程,這給分析轉位系統的等效傳遞函數、調整PID參數帶來不便。尋北系統在工作過程中,轉位機構置于測試轉臺上,線纜連接遠程控制箱增加了觀察法測試的難度。如果能夠準確獲得到位時間,則對整個尋北系統耗費時間會有定量的統計。通過分析與合理調整分配到各個過程的時間來提高尋北系統性能。?
3.2? 測試實現?
分析整個控制結構可以看出,到位的標準是給定值與反饋值的偏差為零,此時D/A輸出應當為零。當給入轉位命令時,給定值與反饋值偏差最大,之后功率驅動電路使得電機朝著減小偏差的方向轉動,D/A值越來越小,最終減為零。所以將D/A輸出值做為觀測點,當給入轉位命令時,相當于給入階躍信號,此時D/A值最大。之后轉位慢慢縮小偏差,最終停止,D/A值也隨之衰減最后到零。測試出D/A由最大值減為零的過程即為一次轉位時間。?
依據測試方案,測試連接示意圖如圖2所示。由PC機模擬替代PC104,PC機的串口與控制箱連接,通過串口調試軟件向控制箱發送轉位命令。示波器通過USB與PC機相連,PC機使用Ultrascope 軟件操控示波器,可以簡化測試難度,節省測試時間,提高測試準確度,僅在PC機上方便地切換軟件就可以達到控制轉位與測試到位時間的目的。
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4 試驗結果分析?
模擬尋北轉位的全過程用PC機的串口調試軟件發送轉位的目標位置(16進制),顯示模塊實時輸出A/D解算器得出的轉動實際角位置(16進制),使用DS1102CA型RIGOL示波器探測位置偏差量變化情況,通過Ultrascope for DS1000 series軟件操控示波器進行分析。Ultrascope 軟件的操控界面如圖3所示,測試結果如表1和圖4、圖5所示。表1中的測試步驟1 表示由0°轉到90°的測試過程,依此類推測試步驟4表示由270°轉到0°的測試過程。圖4、圖5表示用示波器測試步驟1時位置偏差的變化過程。?
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RIGOL示波器的光標模式允許用戶通過移動光標進行測量,光標測量分為3種模式:手動方式、追蹤方式、自動測量方式[5]。?
(1)手動方式:光標X或Y方式成對出現,并可手動調整光標的間距。顯示的讀數即為測量電壓或時間值。?
(2)追蹤方式:水平與垂直光標交叉構成十字光標。十字光標自動定位在波形上,通過旋動多功能旋鈕可以調整十字光標在波形上水平的位置。?
(3)自動測量方式:系統顯示對應的電壓或時間光標,以揭示測量的物理意義。根據信號變化自動調整光標位置,并計算相應的參數值。?
圖4是在手動方式下測試步驟1位置偏差變化波形分析圖,測得ΔX是1.9s。而圖5是在追蹤方式下同樣是測試步驟1時位置偏差變化的測試分析圖,得知Y等于20mV時X是2.008s。兩者比較可以發現在本系統數據測試分析時,手動方式只能單一地以觀察X軸或Y軸坐標變化為依據,測量出的時間有一定的誤差; 而追蹤方式可根據X軸和Y軸坐標同時變化為參考依據,精確獲得當Y軸坐標變化到零時,兩坐標點上X軸的變化量,達到準確測量參數的目的。表1中的轉位時間是從追蹤模式下測量出的準確時間。由于靜摩擦力等非線性因素的存在,轉位機構不能完全克服因此產生的阻力,難以絲毫不差地轉到給定位置,所以在轉動停止時還存在微小的偏差,D/A輸出值也不能完全為零,同時也解釋了表1中存在的轉位誤差。?
??? 從測試結果可以得出基于雙反饋策略和ARM控制器的轉位控制系統,完全滿足尋北系統要求轉位迅速和到位精確的指標。?
本文介紹了用RIGOL數字示波器測試轉位系統性能參數的實現方案。利用USB數據接口和Ultrascope for DS1000 series軟件能夠很方便地在PC機上進行測試與控制轉位的隨時切換,降低測試難度,提高了測試效率。RIGOL數字示波器能夠及時存儲被測信號的波形,便于對系統數學模型深入了解,為設計PID調節器參數提供參考,大大縮短了系統調試時間。示波器高級功能中的光標測量提供了適用于測試本轉位系統到位時間的追蹤模式,計算出準確的到位時間,順利達到測試效果。采用RIGOL數字示波器和PC機緊密結合的測試方案,發揮了各自的優點,輕松完成復雜測量,獲得極高的測量精度,進一步可根據準確地測試結果改進系統方案,使設計臻于完善。?
參考文獻?
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