光電跟蹤系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

秦學(xué)富　張兵　章艷艷

【摘要】：本設(shè)計(jì)采用技術(shù)成熟的混合步進(jìn)電機(jī)和RS485總線技術(shù)，針對(duì)光電跟蹤系統(tǒng)高速轉(zhuǎn)臺(tái)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)位置、速度環(huán)控制算法，采用先進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制，轉(zhuǎn)臺(tái)具有高速穩(wěn)定、速度和定位精度高特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】：光電跟蹤；步進(jìn)電機(jī)；DSP；寬調(diào)速比

1 引言

伺服系統(tǒng)經(jīng)歷了從液壓到機(jī)電，從模擬控制到數(shù)字控制，從集中式到分布式發(fā)展歷程，這些發(fā)展使得伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、安全性等各方面得到了很大的改進(jìn)，現(xiàn)代控制技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于伺服控制系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，本文以某光電跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)說(shuō)明設(shè)計(jì)方法。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本伺服系統(tǒng)采用RS485總線和全數(shù)字閉環(huán)控制，由控制器、功率放大器、步進(jìn)電機(jī)及減速器、位置、速度傳感器、轉(zhuǎn)臺(tái)等組成。伺服系統(tǒng)組成如圖1所示。

由于跟蹤平臺(tái)對(duì)速度控制精度要求非常高，單純依靠脈沖頻率控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)速度存在一定風(fēng)險(xiǎn)，本文通過(guò)設(shè)計(jì)位置和速度雙閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)定位精度和速度精確控制功能。

3 系統(tǒng)各組成部分及工作原理

系統(tǒng)主要由控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和位置速度檢測(cè)模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成?？刂颇K主要功能是控制狀態(tài)運(yùn)動(dòng)，主控電路根據(jù)接收到終端控制命令進(jìn)行解釋，獲取轉(zhuǎn)臺(tái)角度信息，將終端給定的目標(biāo)角度與采集到轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)時(shí)角度進(jìn)行比較運(yùn)算處理，得到角度誤差值，DSP通過(guò)運(yùn)算輸出控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片后輸出控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)向目標(biāo)角度方向運(yùn)動(dòng)，完成轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制。主控電路通過(guò)I/O口讀取驅(qū)動(dòng)芯片狀態(tài)，將轉(zhuǎn)臺(tái)角度信息和驅(qū)動(dòng)芯片工作狀態(tài)數(shù)據(jù)綜合處理后打包發(fā)送終端。

3.1 控制模塊

控制器核心為主控電路，控制核心采用TMS320F2812 DSP處理器，具有電機(jī)控制事件管理器模塊，主控電路通過(guò)可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)總線和接口電路轉(zhuǎn)換，大大節(jié)省外圍器件數(shù)量。

3.2 功率驅(qū)動(dòng)模塊

功率驅(qū)動(dòng)模塊主要由功率驅(qū)動(dòng)芯片及外圍電路組成，在DSP的信號(hào)控制下，輸出步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)，完成功率驅(qū)動(dòng)功能。

4 系統(tǒng)各功能模塊實(shí)現(xiàn)

4.1 伺服控制器模塊設(shè)計(jì)

伺服控制模塊主要由2812 DSP和大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷M成，主要實(shí)現(xiàn)為DSP最小電路和CPLD接口電路，DSP通過(guò)485接口與終端進(jìn)行通訊，DSP通過(guò)I/O口讀取驅(qū)動(dòng)芯片狀態(tài)信號(hào)并輸出控制信號(hào)。

4.2 功率驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

功率驅(qū)動(dòng)模塊采用THB6064步進(jìn)電機(jī)集成驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片具有工作電壓寬，輸出電流大、導(dǎo)通電阻小、可精細(xì)化細(xì)分等特點(diǎn)，具有自動(dòng)半流鎖定功能，4檔衰減方式可選，內(nèi)部集成溫度保護(hù)和過(guò)流保護(hù)功能，非常適合步進(jìn)電機(jī)控制。芯片衰減和細(xì)分可實(shí)時(shí)數(shù)字控制，非常適合應(yīng)用于調(diào)速范圍寬、加減速頻繁使用環(huán)境。

4.3 位置檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

位置檢測(cè)模塊采用開(kāi)關(guān)速度快，檢測(cè)寬度小的微型光電開(kāi)關(guān)，在方位和俯仰上分別設(shè)置零度檢測(cè)和上、下限位檢測(cè)裝置。當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)上電或重啟時(shí)，先尋找零位，實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制。

4.4 速度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

位置和速度檢測(cè)模塊共用，轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)比較撥片兩次通過(guò)位置檢測(cè)裝置時(shí)間，即可得到轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

5 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)方位、俯仰運(yùn)動(dòng)控制方式和算法都在DSP內(nèi)使用軟件代碼實(shí)現(xiàn)，采軟件用C語(yǔ)言編寫(xiě)，C語(yǔ)言具有可讀性高，易于移植、繼承等優(yōu)點(diǎn)。

伺服控制模塊軟件主要由4部分組成：初始化模塊，角度、速度狀態(tài)采集模塊，通訊模塊、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制模塊。軟件模塊組成如圖2所示，

軟件設(shè)計(jì)核心是轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制模塊軟件設(shè)計(jì)，該模塊完成轉(zhuǎn)臺(tái)所有運(yùn)動(dòng)控制方式。

5.1 軟件設(shè)計(jì)流程圖

伺服控制模塊軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示：

對(duì)于高速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，為避免轉(zhuǎn)臺(tái)造成較大沖擊，達(dá)到保護(hù)轉(zhuǎn)臺(tái)，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)角加速度要進(jìn)行限制，跟蹤系統(tǒng)既要求高動(dòng)態(tài)性能，又希望系統(tǒng)越穩(wěn)定越好，因此在一個(gè)輸入量，一個(gè)輸出量的控制系統(tǒng)，位置校正網(wǎng)絡(luò)采用PID調(diào)節(jié)控制，在轉(zhuǎn)臺(tái)中只采用比例控制。比例項(xiàng)越大，控制精度越高，靈敏度越高，系統(tǒng)穩(wěn)定性越差；反之比例項(xiàng)越小，精度越低，穩(wěn)定性越好。但本系統(tǒng)要求較高動(dòng)態(tài)性能，為同時(shí)滿足高動(dòng)態(tài)性能又不對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)造成較大沖擊。為避免轉(zhuǎn)臺(tái)高速轉(zhuǎn)動(dòng)造成較大沖擊，為此需對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片頻率給定控制曲線做修改。

5.2 頻率給定控制

頻率給定控制是本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)核心，軟件設(shè)計(jì)按如下設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)：

Δθ：誤差角度，Δθmin：控制最小角度，Δθmax控制最大角度。

當(dāng)Δθ<Δθmin ：電機(jī)直接最大啟動(dòng)頻率運(yùn)行，控制曲線1模式。

當(dāng)Δθmin<Δθ< Δθmax：頻率給定控制按控制曲線2進(jìn)行，即電機(jī)以直接最大啟動(dòng)頻率運(yùn)行后加速到最大連續(xù)運(yùn)行頻率后再頻率減到最大直接啟動(dòng)頻率。

功率驅(qū)動(dòng)芯片受伺服控制模塊控制，采用速度控制模式，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)按給定速度轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)軟件實(shí)時(shí)控制衰減和細(xì)分方式以獲得更好的寬調(diào)速比性能，合理解決轉(zhuǎn)臺(tái)低速平穩(wěn)運(yùn)行，使電機(jī)的加速度得到限制、減緩啟動(dòng)、制動(dòng)過(guò)程，保證平臺(tái)平穩(wěn)運(yùn)行，完全滿足轉(zhuǎn)臺(tái)既要求較高動(dòng)態(tài)性能又能防止轉(zhuǎn)臺(tái)造成較大沖擊要求。

5.3 位置檢測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電或重啟后，在程序運(yùn)行的初始化程序中檢測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)位置，工作過(guò)程如下：方位順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)到零位時(shí)，方位停止，將此位置角度標(biāo)記為零度；俯仰運(yùn)動(dòng)一個(gè)來(lái)回，即可計(jì)算出上電初始位置角度。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)位置、速度環(huán)閉環(huán)控制，針對(duì)光電跟蹤平臺(tái)要求較高動(dòng)態(tài)性能特點(diǎn)對(duì)控制器速度環(huán)提出兩種頻率控制曲線，合理配置衰減和細(xì)分模式，解決平臺(tái)高動(dòng)態(tài)性能要求下防止平臺(tái)造成較大沖擊問(wèn)題。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)已應(yīng)用于某型光電跟蹤系統(tǒng)電子設(shè)備的伺服控制，具有控制算法簡(jiǎn)潔、定位和速度精度高等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

【1】蘇奎峰，呂強(qiáng)，耿慶鋒，陳圣儉. TMS320F2812原理與應(yīng)用[M].北京： 電子工業(yè)出版社，2005

【2】王曉明.電動(dòng)機(jī)的DSP控制—TI公司DSP應(yīng)用[M].北京： 北京航空航天大學(xué)出版社，2004