基于伺服電機和運動控制器的目標仿真實時性設計

　　目標仿真系統研究的是能夠實時精確的模擬戰(zhàn)場環(huán)境中導引頭入瞳處接收到的各種目標反射編碼激光的光學特性。具體來說就是在計算機和電機控制器的控制下實時控制激光能量和光斑大小的變化，并以此來模擬激光航彈導引頭入瞳處的激光目標特性、能量變化特性和光斑大小變化特性。這種精確的模擬要求對目標的位置信息和速度信息等進行實時采集處理。之前基于步進電機伺服驅動系統的程控一體化激光器不能很好的滿足系統的實時性要求，因此，筆者設計了基于伺服電機及運動控制卡的運動控制系統。該系統在控制激光光斑大小和能量的實時變化方面較前一系統有了較大改進。

　　運動控制的實時性設計

　　對激光光斑的大小和能量的實時性控制，具體體現就是對程控一體化激光器中的可變衰減系統和可控擴束系統進行實時性設計，這是目標仿真系統設計的一個關鍵。在設計時，我們以某型激光制導武器為背景進行了數字仿真，得到一組典型的數字仿真能量衰減(對應的為電機控制步數數據)曲線如圖1~2所示。

　　由上述數據和圖形可見，在初始投彈和飛行的大部分時間里，能量和光斑變化較緩慢，而在接近目標時發(fā)生了劇烈的變化。這說明當炸彈接近目標時激光能量和導引頭所見光斑大小隨時間的變化并不是一個線性關系。鑒于此，本系統在設計時既充分考慮光斑大小和能量的實時跟蹤范圍，又考慮了工程上實現的可能性，選用了TSA50標準型高速電控平移臺。旋轉臺則選用中空力矩電機帶動旋轉棱鏡來直接實現。特別的，本系統將步進電機驅動的平移臺和旋轉臺均改為由伺服電機進行驅動，主要考慮的是伺服電機啟動時間短，速度高，在極短的時間內能夠帶動激光器內安裝的平移棱鏡和旋轉棱鏡做高速運動，來模擬導引頭近距離敏感到的光斑的大小和能量，從而能夠滿足對光斑實時變化的要求。由高速平移臺和旋轉電機分別驅動擴束系統的目鏡和格蘭—付克棱鏡的檢偏鏡，使得能量和光斑變化在彈目距離>300m時能完全滿足實時性控制要求。而在剩余時間內，由電機做全速運動來近似逼近末段的陡峭變化。

　　基于以上的目標和對于運動控制功能的設計，采用專用運動控制芯片是一種較好的選擇[2]。專用控制芯片通過PCI 總線與PC 機的CPU 通訊，接收PC 機的控制指令，由內部的邏輯電路進行運算和脈沖發(fā)送，同時檢測一些開關量信號(如限位信號)的狀態(tài)并向PC 機報告，以實現運動控制的功能。在這種方案中，所有的運動控制細節(jié)都由運動控制卡上的專用芯片完成，無需占用PC 機的資源，PC 機可以專注于用戶界面的處理和對運動控制卡狀態(tài)的監(jiān)控。運動控制專用芯片自身具有強大的運動控制功能，不需要擴展復雜的外圍電路。PC 機只需要對運動控制芯片發(fā)送命令和參數，控制簡單。經過反復的調研和論證，初步確定總體運動控制方案為“PCI 接口芯片+專用運動控制芯片+激光控制模塊”。運動控制系統結構

　　整個控制系統硬件由PC機、DMC5400多軸控制器、增量式編碼器以及松下公司的全數字式交流伺服系統(包括電機和驅動器)、中空力矩電機等組成(見圖3)。

　　該控制系統以PC機平臺為基礎，DMC5400多軸運動控制器為運動控制核心。PC機的CPU與DMC5400的CPU構成上下位機的結構，兩個CPU各自完成相應的任務。

　　PC機作為DMC5400的上位機，提供Windows平臺及人機操作界面，完成系統初始化、軌跡參數的設定、運動信息的實時顯示等，僅需用極少部分時間向控制卡發(fā)送運動指令。下位DMC5400多軸運動控制器主要完成平移電機和旋轉電機的運動控制，包括伺服驅動、程序解釋以及高速數據采集等實時性任務。DMC5400直接插在PC機的PCI插槽中，并由動態(tài)鏈接庫驅動。

　　運動控制系統軟件設計

　　該控制系統實質上是一種以DMC5400為核心組