Контроллер наведения оси телескопа с pci-интерфейсом

КОНТРОЛЛЕР НАВЕДЕНИЯ ОСИ ТЕЛЕСКОПА С PCI-ИНТЕРФЕЙСОМ

К.М. Денисов, Ю.Ю. Янкин

В данной статье описывается реализация комбинированного цифрового управления в системе подчиненного регулирования положения на базе синхронного бесконтактного моментного двигателя ДБМ 12001200 и контроллера PCI-интерфейса, способного осуществлять пакетные целевые транзакции, на базе микросхем программируемой логики фирмы ALTERA.

Введение

Контроллер предназначен для управления движением оптической оси телескопа по одной из координат, в соответствии с кодами задания, поступающими от ЭВМ верхнего уровня. При построении таких систем возникает широкий круг задач, связанных с необходимостью точного позиционирования и слежения, сопровождающегося вращением следящей оси с инфранизкими скоростями при значительных величинах моментов статического сопротивления и маховых масс на валу и возможном широком диапазоне их изменения. Обычно к таким системам предъявляются высокие требования по статическим и динамическим показателям.

Разрабатываемая система должна обеспечивать движение следящей оси в широком диапазоне углов с угловыми скоростями в диапазоне от 10"/с до 1 град/с со среднеквадратичным значением ошибки не выше 10" и позиционирование с точностью не хуже единиц угловых секунд при значительных значениях статического момента сопротивления нагрузки на оси. Также быстрое изменение аппаратных средств и рост вычислительной мощности ЭВМ верхнего уровня требуют использования современных интерфейсов, таких как шина PCI. Такие требования обусловливают необходимость реализации управления в цифровом виде.

При рассмотрении протокола PCI становится ясно, что разработка собственных PCI-устройств на логике малой и средней степени интеграции является сложной комплексной проблемой. Собственно протокол шины не так уж и сложен, но реализация требований к конфигурационным регистрам проблематична [1]. Серийные устройства PCI, как правило, являются однокристальными - в одной микросхеме размещается и интерфейсная, и функциональная части устройства [1]. Разработка таких микросхем весьма дорогостояща и имеет смысл лишь с перспективами массового выпуска. Для создания отладочных образцов и мелкосерийных изделий ряд фирм выпускают интерфейсные микросхемы PCI различного назначения [1]. Со стороны PCI практически все эти микросхемы поддерживают одиночные целевые транзакции (target transactions), совершенные модели допускают и пакетные циклы. Однако у них есть принципиальный недостаток: они имеют два интерфейса -интерфейс для PCI и пользовательский интерфейс, к которому должна подключаться схема периферийного устройства, что заставляет разработчика делать дополнительный интерфейс между своей схемой и интерфейсной микросхемой.

Интересно решение построения интерфейса PCI на конфигурируемой логике FPGA (Field Programmable Gate Array - программируемый массив вентилей). Здесь PCI-ядро, а также функции целевого и ведущего устройств занимают 10-15 тысяч вентилей в зависимости от требуемых функций. Микросхемы FPGA выпускаются на 10, 30, 50 и более тысяч вентилей. Оставшаяся часть может быть использована для реализации функциональной части устройства, внутренних регистров, регулятора, интерфейса с датчиком положения и т. д.

Параметрический синтез цифровой системы подчиненного регулирования угла

Синтез системы проводился на основании методики, изложенной в [2]. Структурная схема системы с ПИ-регулятором положения представлена на рис. 1. Система со-

держит цифровые регуляторы положения, скорости и тока, ШИМ, силовой каскад и линеаризованную математическую модель двигателя.

Рис. 1. Структурная схема системы подчиненного регулирования положения

с цифровыми регуляторами

Параметры цифровых регуляторов с разделенными пропорциональным Кп и интегральным Ки каналами вычисляются на основании соотношений [2]. Коэффициенты цифрового ПИ-регулятора тока

( -То Л ( -То Л

1 - e

=

__V

R

1 - e

K K

дт ст

_. K = А

-T0 Л ' ит

R

1-e

K K

дт ст

где Т0 - период дискретизации, Тт - эквивалентная постоянная времени контура тока, R - сопротивление фазы, Кдт - коэффициент передачи датчика тока, Кст - коэффициент передачи усилителя мощности, Тэ - постоянная времени фазы. Коэффициенты цифрового регулятора скорости T С K T K

K = м е дт . K = 0 . K = cul Л™ — >Лси1 _ .гг ' Лcu2 _ '

2TMC RKdc

4T„

где Тм - механическая постоянная времени двигателя, Се - коэффициент пропорциональности между ЭДС фазы и угловой скоростью двигателя, Т^ - постоянная времени контура скорости, Тмс = Тт + Тзап, Тзап - запаздывание вносимое цифровыми регуляторами, равное Т0/2, Кдс - коэффициент передачи датчика скорости.

Коэффициенты цифрового регулятора положения

К„ =-

К

2ТМпКдп

K„„, =

K дл

K

. Tf _ nul

где Тп постоянная времени контура положения, Тмп = 4Т^с + Тзап, Кдп - коэффициент

передачи датчика положения.

Коэффициент усиления производной равен Кпр = 2Т^п.

Результаты моделирования в пакете MATLAB показали, что данная структура не удовлетворяет заявленным требованиям на низких скоростях слежения (10 угл. сек за сек) (рис. 2).

Рис. 2. Результаты моделирования цифровой системы регулирования положения

с ПИ-регулятором в контуре положения

Обозначения, принятые на рисунках: 1цифр - ток в цифровой системе; шцифр - скорость в цифровой системе; ацифр - угол в цифровой системе; ицрт - выход цифрового регулятора тока; ицрс - выход цифрового регулятора скорости; ицрп - выход цифрового регулятора положения.

Использование П-регулятора в контуре положения также не дало требуемых результатов, так как ошибка на скоростях слежения, близких к максимальным, намного превышала допустимую (рис. 3). Было принято решение реализовать принцип комбинированного управления в контуре регулирования положения, а именно - подать на вход П-регулятора положения производную задания вместе с ошибкой. Такая структура позволила достичь требуемого качества слежения во всем диапазоне скоростей вращения следящей оси (рис. 4).

Реализация на базе программируемой логики

Описание протокола шины PCI приведено в соответствующей литературе [1, 3].

Использование программируемой логики для реализации функциональной части устройства позволяет осуществлять вычисления управления с требуемой разрядностью (21 разряд), не прибегая к реализации сложных программных алгоритмов при использовании микроконтроллеров с меньшей разрядностью, и позволяет избежать использования микроконтроллеров с избыточной разрядностью, а также упростить разработку печатной платы. PCI-интерфейс, регулятор и интерфейс с датчиком положения реализованы аппаратно на одной микросхеме программируемой логики.

Разработка принципиальных схем контроллера шины PCI и функциональной части устройства велась в пакете MAX+plusII, доступном на сайте фирмы Altera [4]. Структурная схема устройства представлена на рис. 5. Она содержит собственно контроллер PCI-интерфейса и информационную подсистему контура положения, содержащую, в свою очередь, интерфейс с датчиком положения типа АЦПВТ-21П-Д1К, интерфейс с контуром регулирования скорости и системой точного времени, представляющей из себя генератор меток астрономического времени, регулятор положения.

Задание

1цифр

ицрп

О 0.5

1.5 2

t, с

t, c

Рис. 3. Результаты моделирования цифровой системы регулирования положения с П-регулятором в контуре положения

t, c

Рис. 4. Результаты моделирования цифровой системы регулирования положения

с комбинированным управлением

Передача уставки по положению происходит по высокопроизводительному РС1-интерфейсу, вычисление управления происходит с повышенной разрядностью (умножение с накоплением осуществляется с двойной разрядностью). Также система позволяет менять коэффициенты регулятора в произвольный момент времени (кроме моментов вычисления управления) без внесения изменений в принципиальную схему, так как передача коэффициентов осуществляется по РС1-интерфейсу.

Заключение

Была синтезирована математическая модель в среде MATLAB, описывающая цифровую систему подчиненного регулирования положения, проведен анализ влияния трех типов регуляторов (ПИ-, П-регулятора и комбинированного управления) на качество слежения на разработанной модели. Разработан контроллер PCI-интерфейса на ба-

зе программируемой логики, способный поддерживать целевые пакетные транзакции при обращении к конфигурационному пространству и пространству ввода-вывода, осуществлять проверку ошибок с использованием проверки четности, и проведено его моделирование в пакете МАХ+р1ш II. Также в этом пакете разработан аппаратный цифровой регулятор, реализующий комбинированное управление, задержка вычисления которого составляет ~150 нс, и проведено его моделирование. На базе программируемой логики разработаны принципиальные схемы, осуществляющие интерфейс с датчиком положения типа АЦПВТ-21П-Д1К и микропроцессорной системой регулирования скорости. Разработана конструкция РС1-совместимой печатной платы, реализующей названные выше функции, а именно: РС1-интерфейс, вычисление управления, интерфейс с датчиком положения и контуром регулирования скорости.

Входные/выходные сигналы шины PCI

AD[31..00]

FRAME#

STOP#

DEVSEL#

PERR#

SERR#

Контроллер PCI-интерфейса

Блок записи в конфигурацио нное

пространство

Блок чтения из внутренних регистров устройства

Блок записи во внутренние регистры устройства

Блок чтения из

конфигурационн

ого

пространства

^ ¡г

Конфигурационное пространство

Блок

CLK выработки

RST# прерывания

система управления

Блок чтения кода угла с датчика положения

Интерфейс с контуром регулирования скорости

Интерфейс с системой астрономическ ого времени

realtime_sync

к системе

точного

времени

INTA#

Рис. 5. Структурная схема контроллера наведения оси телескопа с РС1-интерфейсом

Литература

1. Гук М.Ю. Аппаратные интерфейсы ПК. СПб: Питер, 2003. С. 175-211.

2. Кротенко В. В., Толмачев В. А., Томасов В.С., Синицын В. А. Синтез микропроцессорной системы управления электропривода опорно-поворотного устройства // Изв. вузов. Приборостроение. 2004. Т. 47. №11. С. 23-30.

3. «PCI Local Bus Specification. Revision 2.2» 1998, PCI SIG (Special Interest Group).

4. http://www.altera.com