某微型精密轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真?

張 溦

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 西安 710068）（2.中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所高端電子裝備工業(yè)設(shè)計(jì)中心 西安 710068）

1 引言

在航空航天領(lǐng)域，普通的探測器對目標(biāo)的跟蹤監(jiān)測基本靠調(diào)整衛(wèi)星等的運(yùn)行姿態(tài)來實(shí)現(xiàn)，響應(yīng)遲緩［1］。而將伺服轉(zhuǎn)臺作為探測器的載體整體安裝在飛行器上，如激光導(dǎo)航系統(tǒng)通過伺服轉(zhuǎn)臺對地面設(shè)備目標(biāo)進(jìn)行跟蹤鎖定，可以保證目標(biāo)一直位于位置偏差范圍內(nèi)，起到實(shí)時(shí)定向、消除誤差的作用［2～3］。國內(nèi)外對精密轉(zhuǎn)臺也進(jìn)行了積極探索，但目前對微型轉(zhuǎn)臺的研究相對較少。本文聚焦微型精密轉(zhuǎn)臺［4］，設(shè)計(jì)一套自重僅為1kg 轉(zhuǎn)臺的全數(shù)字化伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)是該精密轉(zhuǎn)臺的重要組成部分，控制轉(zhuǎn)臺完成恒定速率轉(zhuǎn)動(dòng)、高精度位置定位等功能，在保證其穩(wěn)定工作的同時(shí)，大大減小其體積和重量，以滿足精密轉(zhuǎn)臺的使用需求。

2 伺服系統(tǒng)工作原理

伺服系統(tǒng)由控制驅(qū)動(dòng)模塊、絕對式圓光柵、直流力矩電機(jī)組成?？刂乞?qū)動(dòng)模塊將控制電路與驅(qū)動(dòng)電路高度集成，通過異步串口接收控制指令和回告伺服系統(tǒng)的狀態(tài)，通過同步串口讀入圓光柵的角度數(shù)據(jù)，通過角度微分解算出轉(zhuǎn)臺的角速度，伺服系統(tǒng)采用三環(huán)閉合控制策略［5～6］，由DSP 處理器用軟件實(shí)時(shí)數(shù)字環(huán)路校正，控制器輸出PWM 控制信號給驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照控制要求轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 伺服系統(tǒng)組成

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 伺服系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)

控制電路包括DSP電路、CPLD電路、串口電路等，外部提供28V 直流電源，在內(nèi)部通過DC/DC 及穩(wěn)壓器調(diào)整成所需的各種電源?？刂齐娐吩O(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 伺服系統(tǒng)控制電路

控制電路采用DSP+CPLD 控制方式，DSP 選用JDSPF28335，完成環(huán)路校正、轉(zhuǎn)臺運(yùn)行控制等［7］，當(dāng)接收到有效指令后，輸出PWM 控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，與圓光柵通過BISS 協(xié)議進(jìn)行位置數(shù)據(jù)采集，經(jīng)DSP 處理后用于位置閉環(huán)控制。CPLD 完成讀取圓光柵數(shù)據(jù)、總線信號譯碼、同步串口通信等功能，選用HWD1270MCQFP144，EEPROM 采用HWD24C256ESOP8，保存伺服系統(tǒng)必需的各種數(shù)據(jù)。

3.2 伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.1 Kg·m2，風(fēng)力矩M風(fēng)為0.86N·m，摩擦力矩M摩擦為0.1N·m，不平衡力矩M不平衡為0.441N·m，轉(zhuǎn)速15rpm，計(jì)算得到總負(fù)載力矩為0.97 N·m，故選用的直流力矩電機(jī)型號為J130LYX01AE，其重量僅為405g，滿足輕量化需求，電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 直流力矩電機(jī)參數(shù)

驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)電機(jī)選擇驅(qū)動(dòng)芯片，采用DSP控制驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)［8～9］；用固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)電源通斷對驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行控制，用熱敏電阻完成溫度檢測經(jīng)濾波送入ADC 模塊。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路采用H橋電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)芯片HPA800為主器件，是一款脈寬調(diào)制功率放大器。電流檢測電路采用精密電阻器，并將檢測電壓經(jīng)有源濾波和放大后送ADC 模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，控制器進(jìn)行電流環(huán)校正后輸出PWM 信號送HPA800 驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電流過流保護(hù)電路采用外部關(guān)斷限流保護(hù)方式，內(nèi)部關(guān)斷通過采用精密電阻器檢測電壓，DSP 控制HPA800 的關(guān)斷信號輸入管腳，當(dāng)過流時(shí)關(guān)斷輸出。其中，檢測電壓經(jīng)放大和低通濾波［10］的電路圖如圖4所示。

圖4 檢測電壓濾波放大電路

放大電路如式（1）：

得到式（2）：

由此可以推得R1和R2。濾波電路公式如式（3）、（4），按截止頻率500Hz可以推得R和C的值：

得到式（4）：

3.3 測角單元設(shè)計(jì)

伺服系統(tǒng)選用雷尼紹［11］的高精度絕對式圓光柵RESA30USA052B，采用1 個(gè)讀數(shù)頭，型號為RA26BEA052B10F，圓光柵的系統(tǒng)精度可以達(dá)到±5.49 角秒，最大讀取速度為36000 轉(zhuǎn)/分，重量為100g，尺寸為Φ52×Φ30×10（mm），屬于輕量型、高精度的測角裝置。伺服控制精度預(yù)估為±10″。故綜合系統(tǒng)精度，滿足角位置定位精度：≤±20″。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 DSP軟件設(shè)計(jì)

伺服控制DSP 軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，邏輯清晰，便于功能擴(kuò)展。構(gòu)成框圖如圖5所示。

圖5 DSP軟件構(gòu)成框圖

ADC 中斷由PWM 周期觸發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)控制子程序計(jì)算出的功放電流設(shè)定值進(jìn)行電流環(huán)PID 校正，得到所需的PWM控制信號的脈寬值，并對其更新。

4.2 CPLD邏輯設(shè)計(jì)

CPLD 程序采用VerlogHDL 編寫，軟件功能主要包括并行總線讀寫時(shí)序控制、DAC 轉(zhuǎn)換時(shí)序控制、本地地址譯碼、與圓光柵進(jìn)行BISS 串口通信等功能。

其BISS 協(xié)議是用于從光柵采集位置數(shù)據(jù)的快速同步串行接口，主接口控制位置獲取時(shí)序和數(shù)據(jù)傳輸速度，而光柵為從接口。接口由兩個(gè)單向差分線耦組成：MA 是將位置采集請求和時(shí)序信息（時(shí)鐘）從主接口傳輸?shù)焦鈻牛籗LO 是將位置數(shù)據(jù)從光柵傳輸?shù)脚cMA 同步的主接口。BISS 協(xié)議的數(shù)據(jù)格式如圖6所示。

圖6 BISS協(xié)議數(shù)據(jù)格式

5 仿真與分析

本節(jié)按伺服控制系統(tǒng)各參數(shù)建立三閉環(huán)模型，進(jìn)行Simulink 仿真［12］。電流環(huán)校正為I 型系統(tǒng)，仿真模型如圖7 所示，電流環(huán)閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線如圖8 所示，可得超調(diào)量2%，上升時(shí)間1.86ms，調(diào)節(jié)時(shí)間6ms。

圖7 電流環(huán)仿真模型

圖8 電流環(huán)閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線

速度環(huán)校正為II 型系統(tǒng)，仿真模型如圖9 所示，速度環(huán)閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線如圖10 所示，可得超調(diào)量6%，上升時(shí)間51.1ms，調(diào)節(jié)時(shí)間0.673s。

圖9 速度環(huán)仿真模型

圖10 速度環(huán)閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線

位置環(huán)采用比例控制，校正成Ⅰ型系統(tǒng)，仿真模型如圖11 所示，位置環(huán)閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線如圖12 所示，可得超調(diào)量3%，上升時(shí)間97.6ms，調(diào)節(jié)時(shí)間0.277s。

圖11 位置環(huán)仿真模型

圖12 位置環(huán)閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線

從仿真結(jié)果可得，所設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)具有較快的上升時(shí)間和較小超調(diào)，能夠快速趨于穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)定性好，有較強(qiáng)的快速響應(yīng)性，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)上升時(shí)間120ms的要求。

6 結(jié)語

文章設(shè)計(jì)的微型精密轉(zhuǎn)臺通過仿真驗(yàn)證了伺服系統(tǒng)的可行性，所設(shè)計(jì)的伺服系統(tǒng)以小型化、輕量化為設(shè)計(jì)原則，實(shí)現(xiàn)了該型轉(zhuǎn)臺以恒定速率轉(zhuǎn)動(dòng)、高精度位置定位等功能，為微型精密轉(zhuǎn)臺的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。