TMS320F2818双框架陀螺仪控制系统

2020-2-24 10:14

本帖最后由東南博士于 2020-2-24 10:16 编辑

硬件系统组成主要包括陀螺仪，D SP2812控制器，功率放
大驱动模块，交流力矩电机，自整角机，FB900C/E角位变送器和上位机(计
算机)。

2020-2-24 10:21

双框架陀螺仪具有俯仰和倾斜两个独立的方向，针对每一个方向的位置控
制可以设定一个期望，然后选取一个合适的控制方法来实现控制。但是，在实
际系统应用中，需要两个方向运行速度以及位置的精确同步，如何实现同步，
选取什么样的切入点是一个非常难的问题。

2020-2-24 10:24

双框架陀螺仪的同步其实就是内外框架转动角度的速度同步，当然这种速
度同步可以是相同速度或者说几倍关系恒定。实现同步的方法无非两种：机械
方式，电方式。第一种方法就是通过机械扭矩将各单元耦合起来，这种方法简
单，但是误差比较大，漂移大，在此不做探讨。第二种方法就是通过回路反
馈，控制各方向电机输入电压，柔和控制内外框架转速。
内外框架的同步控制基本有两种思路，主从式和交叉耦合式。下面简单介
绍一下。

2020-2-24 10:30

主从同步控制方式思路比较简单，就是将两个运动单元的运动特性做一个
分析，区分出转动速度快的和转动速度慢的，然后给转动速度慢的单元一个期
望输入，并且采集此单元的输出，最后将此反馈输出乘以一定倍数，作为期望
值动态输出给转动速度快的单元。在本双框架陀螺仪系统中，倾斜方向转动速
度大概是俯仰方向的三倍，因此选择将俯仰方向转动角度的三倍加给倾斜方
向，作为期望输入，让倾斜方向对其进行跟踪。
此种控制方式的优点在于结构简单，易于实现，并且每一路可以灵活选取
不同的控制方法。但是缺点也是显而易见的。首先，局限于两个单元进动速
度，并不能实现时间意义上的真正同步。其次，从单元受到的干扰，因为没有
耦合信号的存在，主单元不会进行跟踪，同步性能大大降低。

2020-2-24 10:33

2812也是经典物料了！
现在还有使用的吗？另外028基本上也没人用了吧

2020-2-24 10:43

wangjiahao88 发表于 2020-2-24 10:33
2812也是经典物料了！
现在还有使用的吗？另外028基本上也没人用了吧

怎么说呢现在也丢失了部分市场吧。个人认为

2020-2-24 10:45

交叉耦合式同步控制方式的核心思想是在同步的各单元间加一个耦合信
号，这样，当每一个单元受到干扰时，其他单元会对此干扰信号进行跟踪，在
实现真正意义同步上又前进了一步。
此种方法的关键是耦合信号的选取，耦合信号一般选取同步误差的某种变
换，也就是将两者的同步误差实时添加到控制方案中去，在每一路都有一个对
应的同步误差，这么做的优点就是在同步的实施上更加迅速。具体的控制方案
上可以选取很多种，本文选取了 LQR 方法和滑模变结构控制方法，仿真和实
验结果都不错。

2020-2-24 10:47

自适应同步控制策略也可以很好应用到高阶系统中， Tsao 等人 [6] 把自适应
同步控制方法扩展到了两个磁浮电机，并做了四个磁浮电机的位置和速度同步
控制实验，都取得了一定效果。 Yang 和 Chang [7] 借鉴了 Tomizuka 等人 [5] 的方
法，采用自适应同步控制方法研究双转子力矩陀螺的同步控制，期望能够在力
矩陀螺控制空间体运动时实现位置的同步。 Sun [8,9,10] 提出了针对 Lagrangian 非
线性系统的自适应“交叉耦合” 同步控制器的 Lyapunov 设计方法，这种同步
控制方法可以适用于两阶或者多阶系统，可以在有限时间内实现位置环的追踪
和速度的同步，在实际应用中得到了应用。 Liu 和 Sun [11] 提出了同步误差的一
种定义方法，可以应用在各种同步系统中，并且在控制的时候使用了一种自适
应耦合一致同步控制策略，在一个同步系统中，跟踪误差和同步误差均渐进收
敛，动态同步性能也得到提高。
其他的控制方法也在实际中得到广泛应用，并且取得不错的效果，譬如鲁
棒控制方法。 Doraiswami 和 Gulliver [12] 在论文中提出了使用鲁棒控制方法去设
计位置环补偿器，在实验中实现了位置误差和同步误差的严格控制，实现了同
步的目的。 Fang 和 Chen [13] 为了提高圆形轮廓轨迹的精度，以及使直接驱动机
器人严格追踪指令信号，采用了 H ∞ 控制方法设计了交叉耦合同步控制器，取
得了不错的效果。王兴元、刘明
[14] 在面对具有扇区非线性输入且含有参数不确
定性和外部干扰的主从混沌系统的同步控制问题，采用滑模变结构控制方法设
计了同步控制器，取得了很好的效果。

2020-2-24 10:48

本系统的设计目的在于算法的验证，希望能通过上位机一个友好的操作界
面，通过串口通信给下位机输入一个期望值，然后下位机控制芯片能根据期望
值，以及实际反馈数值，执行相关算法，再通过功率放大电路去调节各框架电
机的输入，从而实际操作各框架的进动。相关芯片的选取如下：
(1)上位机选取。因为台式机串口丰富，并且具备操作系统，可以支持各种
软件，因此选取台式机作为上位机，然后编写一个操作界面完成数据的存储，
期望值的输入。
(2)下位机选取。因为 TI 公司生产的 DSP2812 具备很高的运算速度，良好
的控制性能，因此选取 DSP2812 作为下位机芯片。
(3)上下位机通信串口的选择，在此选择台式机 COM1 作为上位机，下位
机采用 SCI 串口。
(4)上下位机通信程序的编写。
(5)功放电路设计。本系统采用 LM324 功放作为核心实现电压转换。
(6)电压调节芯片选取。本系统选取 X9C10 数字电位计作为电压调节的芯
片。
(7)数据采集器件选取。本系统采用 FB900C/E 角位变送器作为陀螺仪角位
变送单元。

2020-2-24 10:50

2020-2-24 11:12

FB900C/E角位变送器
作为整个控制系统的变送单元，它将陀螺仪内部转换测量后的角度信号以
模拟信号或者数字信号的方式输出，其中数字信号可以 RS232 标准三针输出，
模拟信号以 1～5V 电压信号输出。
在系统当中，角位变送器作为反馈单元，在输入端接双框架陀螺仪的自整
角信号输出。输出端选择 RS232 标准数字信号输出， 10 位。
但是，角位变送器使用需要 FB900 系列编程软件进行离线配置，具体配置
图如图 2-2 所示

2020-2-24 11:14

X9C103 数字电位器
数字电位器是执行元件之一，其基本原理是像普通电位器一样改变电阻
值，输入一个数字量，输出对应的电阻值，这样就可以对电压进行分压，从而
通过不同电阻值输出对应的电压，达到控制交流力矩电机输入电压的目的，就
可以进一步改变内外框架的进动。
它由 7 位升降计数器、 7 位非易失性存储器、存储和重调控制电路、 100
位解码器和电阻阵列几部分组成。输入部分是一个 7 位的升降计数器，其输出
经过译码，控制接通电子开关，从而操作电阻阵列上的一个有效点，电阻阵列
是有 100 个等值的电阻和与之配套的电子开关组成。
X9C103 的功能非常关键，它是实现陀螺交流力矩电机输入电压的核心器
件，和普通电位器同样效果，不过能应用到数字控制场合。

**@Hufei1994** · 2020-2-24 11:16

2020-2-24 11:17

2020-2-24 11:17

看不懂帮顶系列。不知道这种的陀螺仪和大疆的关系大不大。

2020-2-24 11:18

2020-2-24 11:18

goodluck09876 发表于 2020-2-24 11:17
看不懂帮顶系列。不知道这种的陀螺仪和大疆的关系大不大。

一种是军事应用一种是消费品娱乐应用吧

2020-2-24 11:23

下位机的通信主要包括 DSP 与角位变送器之间通过 SCI 串口通信以及
DSP 与上位机之间的通信。在开发板上面，上位机和 DSP 之间的通信接口是
通过另一个 SCI 串口进行的。在此主要讲述一下比较复杂的 DSP 与 FB900C/E
之间的 SCI 通信，在对串口进行基本的配置之后，本文通过发送专门的角位变
送器读数据信号，开始读取数据，具体读取通过 SCI 专门的寄存器实现。数据
读取成功后，再对数据行字符串转化为浮点数形式，这样数据读取基本完成。
流程图如图 2-8 所示。

2020-2-24 11:23

2020-2-24 11:23

DSP的串口和STM32的串口，基本上都差不多吧？

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