基于PSD 的步進電機控制系統*

徐偉龍，顧金良，郭 睿，羅紅娥，夏 言，王 康

(南京理工大學 瞬態物理重點實驗室，江蘇 南京210094)

0 引 言

彈道靶道在兵器研制和彈道理論研究中，與風洞、靶場具有同等重要的地位，是彈道試驗必不可少的實驗設施［1］。其主要用來進行各種彈丸或模型離炮口后的質心坐標(x，y，z)和飛行姿態(α，β，γ)隨時間(t)的變化過程的測量，通過數據處理提取彈丸的氣動力系數和飛行穩定性判別因子等［2］。

彈道靶道照相站空間坐標標定體系是建立靶道坐標系與站坐標系的基礎，其基本功能是在靶道內建立一整套測量坐標系［3］，并將實驗獲得的彈丸圖像的特征點與該特征點對應的空間坐標聯系起來，處理出彈丸質心的空間坐標與姿態，為獲取彈丸的空間坐標提供統一精確的判讀依據［4，5］。基于位置敏感探測器(PSD)的步進電機控制系統是精確調節標定裝置空間姿態的可靠依據，傳統的方法是用CCD 來測量光斑位置的微小變化，但CCD 受像素大小和間隔的限制，分辨率比較低，運算電路復雜，響應速度慢［6］。而采用PSD 所設計的電路簡單，分辨率高，響應速度快，通過調用LabVIEW 高效靈活的功能控件來實現對光斑位置的測量和步進電機自動化控制，從而有效回避采用PLC 或單片機來控制步進電機運行所造成的電路復雜、控制精度不高、硬件連接后不易調整、靈活性差，編程難度大等問題［7］。基于PSD 的步進電機控制系統運用到彈道靶道照相站空間坐標標定體系中，有效提高了標定裝置的定位精度、光斑位置信號的處理能力，實現對光斑位置的實時監控和步進電機控制臺的規律性運行，使得靶道照相站的空間坐標標定精度更加精確。

1 系統的組成與原理

系統由硬件和軟件兩大部分組成，系統硬件主要由步進電機控制臺、數據采集模塊、標定裝置、光斑壓縮裝置、PSD、位置控制計算機等部分組成。

基于PSD 的步進電機控制系統的設計原理是光束照射到PSD 上產生微弱的電流信號，微弱的電流信號經過I/V轉換模塊、放大電路模塊和A/D 數據采集模塊實現光斑信號采集、I/V 轉換、放大和A/D 轉換;再將轉換后的光斑位置信號送入位置控制計算機，通過軟件對光斑位置信號處理分析從而控制步進電機控制臺的運行方向和步長，并在LabVIEW 虛擬平臺上實時顯示光斑位置坐標和步進電機控制臺運行情況，其構成如圖1 所示。

圖1 系統組成框圖Fig 1 Block diagram of system composition

軟件部分可分為三個模塊，包括采集卡驅動模塊、光斑實時顯示模塊及步進電機算法模塊。采集卡驅動模塊為虛擬儀器對硬件的編程提供了軟件接口，實現光斑數據的獲取;光斑實時顯示模塊將獲取的數據進行一系列的運算處理，通過軟件自身的顯示控件將光斑在PSD 上的位置實時的顯示出來;步進電機算法模塊根據事先編好的算法程序對處理好的光斑位置信息進行運算，從而通過串口控制步進電機控制臺的運行方向和步長。

2 系統軟件的實現

基于PSD 的步進電機控制系統中，上位機對步進電機控制器的控制以及兩者之間的數據傳輸是通過RS—232 串口通信實現的，步進電機控制控制器與步進電機控制臺相連，即可以通過上位PC 運行步進電機控制系統。

LabVIEW 軟件中提供了串口通信與數據處理功能的VISA 模塊，利用VISA 功能模塊可以實現步進電機控制系統中上位機與步進電機控制器的數據傳輸。

3 位置控制關系與精度影響

3.1 位置控制關系

設PSD—1 面陣上任意一點的坐標為(x1，y1)，PSD—2 面陣上任意一點的坐標為(x2，y2)，其控制流程圖如圖2 所示。

圖2 位置控制流程圖Fig 2 Flow chart of position control

各個方向光斑位移量與步進電機移動步長對應關系為

式中 yf1，yf2，yf3分別為光斑俯仰、Y 軸方向移動后的y 軸位置，xs1，xs2分別是光斑偏行、X 軸方向移動后的x 軸位置，y0，y1，y2，x0，x1分別是光斑位移前的位置量，kn為對應的步長系數值，n=1，2，3，4，5。

3.2 光斑直徑對控制精度的影響

激光光斑直徑隨著光束照射距離的增加而增加，照射在PSD 上的光斑直徑越大，PSD 檢測到的光斑能量密度中心位置波動越大;通過光斑壓縮裝置，將光斑直徑壓縮在1 mm以內，從而有效提高PSD 對光斑位置的測量精度，光斑壓縮前后坐標位置波動如表1、表2 所示。

表1 壓縮前光斑位置波動Tab 1 Fluctuations of light spot position before compression

表2 壓縮后光斑位置波動Tab 2 Fluctuations of light spot position after compression

由表中數據計算可得光斑位置標準差為:光斑直徑未壓縮時，光斑坐標X 軸方向波動值σx=0.148 7 mm、Y 軸方向波動值σy=0.136 7 mm;當光束直徑壓縮后，光斑坐標X 軸方向波動值σx=0.013 2 mm、Y 軸方向波動值σy=0.011 2 mm;綜合所得數據可知，激光光束經過壓縮后，PSD對光斑位置的測量精度得到了很大的提高，從而可以有效提高系統的控制精度。

3.3 步長對控制精度的影響

在理想狀態下，控制系統可以控制標定裝置到達預設的空間位置，但步長設置的大小對定位精度存在不可忽略的影響，其數據如表3 所示。

表3 步長對定位精度的影響Tab 3 Impact of step on positioning precision

由表3 所測數據可知，標定裝置的定位精度與步進電機所設步長存在一定的關系，所設定步長越大，步進電機控制標定裝置定位的精度越差;實際操作控制中，步長設定并不是越小越好，步長設定的太小將導致工作效率低;該控制系統中采用分步法解決步長與精度問題，即標定裝置距離預設點較大時，控制步進電機每執行一次所走步長較大，標定裝置距離預設點較小時，控制步進電機執行一次所走步長較小，從而解決因所設步長較大所引起的定位精度較差和所設步長較小工作效率低的問題。

4 實 驗

實驗時，通過位置控制計算機控制步進電機控制臺的移動，直至兩束激光光斑在PSD 上同時顯示(0.0，0.0)mm，最終獲得標定裝置基準面和標準三角件的陰影圖像如圖3所示，所測數據如表4 所示。標準三角件的A 邊長度為129.70 mm、B 邊長度為112.46 mm、C 邊長度為64.85 mm，通過調節好的照相站正交攝影后，對攝影圖像進行判讀，計算得出標準三角件A，B，C 三邊的邊長大小。

圖3 空間坐標標定實驗Fig 3 Spatial coordinates calibration experiments

表4 標準三角件長度測量實驗數據Tab 4 Length measurement experimental datas of standard triangular pieces

由表4 所測數據可知，標準三角件A 邊邊長標準差LA=0.56mm、B邊邊長標準差LB=0.59mm、C邊邊長標準差LC=0.93 mm;計算得到的標準三角件的三邊邊長與標準三角件的實際長度相差小于1 mm，多組照相站的空間坐標標定精度優于1 mm，實驗結果表明:基于PSD 的步進電機控制系統運用到彈道靶道照相站空間坐標標定體系中，有效提高了標定裝置的定位精度，該控制系統是可行的。

5 結 論

基于PSD 步進電機控制系統構成的靶道空間坐標基準體系，通過LabVIEW 控制面板能夠實時有效地以較高精度實現靶道照相站空間坐標的標定。經過對實驗數據的處理表明:基于PSD 的步進電機控制系統結構合理，性能穩定，操作方便，定位精度高，具有實用價值。

［1］ 任國民.彈道靶道技術及其發展［J］.彈道學報，1994，19(1):90－96.

［2］ 任國民，李觀濤，張 薇.彈道靶道空間坐標測量誤差的初步估計［J］.彈道學報，1995，7(3):57－63.

［3］ 李觀濤.彈道靶道空間基準系統的設計原理［J］.彈道學報，1991(2):60－69.

［4］ 顧金良，陳 平，夏 言，等.數字式靶道陰影照相系統［J］.彈道學報，2009，21(4):38－41.

［5］ 劉世平，易文俊，顧金良，等.彈道靶道數據判讀與處理方法研究［J］.兵工學報，2000，21(3):201－204.

［6］ 李忠科，秦永元.PSD 器件自動化標定與非線性修正技術研究［J］.激光技術，2004，28(4):370－372.

［7］ 毛計慶，云乃彰，孟 軼.LabVIEW—快速構建步進電機控制系統的利器［J］.電機與控制應用，2009，36(1):30－33.