光電跟蹤系統的伺服系統設計

秦學富　張兵　章艷艷

【摘要】：本設計采用技術成熟的混合步進電機和RS485總線技術，針對光電跟蹤系統高速轉臺特點，設計位置、速度環控制算法，采用先進電機控制技術，實現全數字化控制，轉臺具有高速穩定、速度和定位精度高特點。

【關鍵詞】：光電跟蹤；步進電機；DSP；寬調速比

1 引言

伺服系統經歷了從液壓到機電，從模擬控制到數字控制，從集中式到分布式發展歷程，這些發展使得伺服系統的穩定性、可靠性、安全性等各方面得到了很大的改進，現代控制技術已經應用于伺服控制系統的各個設計環節，本文以某光電跟蹤系統轉臺伺服系統實現說明設計方法。

2 系統設計方案

本伺服系統采用RS485總線和全數字閉環控制，由控制器、功率放大器、步進電機及減速器、位置、速度傳感器、轉臺等組成。伺服系統組成如圖1所示。

由于跟蹤平臺對速度控制精度要求非常高，單純依靠脈沖頻率控制步進電機來實現平臺速度存在一定風險，本文通過設計位置和速度雙閉環控制，實現轉臺定位精度和速度精確控制功能。

3 系統各組成部分及工作原理

系統主要由控制模塊、驅動模塊和位置速度檢測模塊和執行機構組成。控制模塊主要功能是控制狀態運動，主控電路根據接收到終端控制命令進行解釋，獲取轉臺角度信息，將終端給定的目標角度與采集到轉臺實時角度進行比較運算處理，得到角度誤差值，DSP通過運算輸出控制信號經驅動芯片后輸出控制電機旋轉，電機旋轉帶動轉臺向目標角度方向運動，完成轉臺運動控制。主控電路通過I/O口讀取驅動芯片狀態，將轉臺角度信息和驅動芯片工作狀態數據綜合處理后打包發送終端。

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，具有電機控制事件管理器模塊，主控電路通過可編程邏輯器件實現數據總線和接口電路轉換，大大節省外圍器件數量。

3.2 功率驅動模塊

功率驅動模塊主要由功率驅動芯片及外圍電路組成，在DSP的信號控制下，輸出步進電機控制信號，完成功率驅動功能。

4 系統各功能模塊實現

4.1 伺服控制器模塊設計

伺服控制模塊主要由2812 DSP和大規模可編程邏輯器件組成，主要實現為DSP最小電路和CPLD接口電路，DSP通過485接口與終端進行通訊，DSP通過I/O口讀取驅動芯片狀態信號并輸出控制信號。

4.2 功率驅動模塊設計

功率驅動模塊采用THB6064步進電機集成驅動芯片，該芯片具有工作電壓寬，輸出電流大、導通電阻小、可精細化細分等特點，具有自動半流鎖定功能，4檔衰減方式可選，內部集成溫度保護和過流保護功能，非常適合步進電機控制。芯片衰減和細分可實時數字控制，非常適合應用于調速范圍寬、加減速頻繁使用環境。

4.3 位置檢測模塊設計

位置檢測模塊采用開關速度快，檢測寬度小的微型光電開關，在方位和俯仰上分別設置零度檢測和上、下限位檢測裝置。當轉臺上電或重啟時，先尋找零位，實現位置閉環控制。

4.4 速度檢測模塊設計

位置和速度檢測模塊共用，轉臺運動時，通過比較撥片兩次通過位置檢測裝置時間，即可得到轉臺轉動速度。

5 軟件設計

該系統方位、俯仰運動控制方式和算法都在DSP內使用軟件代碼實現，采軟件用C語言編寫，C語言具有可讀性高，易于移植、繼承等優點。

伺服控制模塊軟件主要由4部分組成：初始化模塊，角度、速度狀態采集模塊，通訊模塊、平臺運動控制模塊。軟件模塊組成如圖2所示，

軟件設計核心是轉臺伺服控制模塊軟件設計，該模塊完成轉臺所有運動控制方式。

5.1 軟件設計流程圖

伺服控制模塊軟件設計流程如圖3所示：

對于高速轉動轉臺，為避免轉臺造成較大沖擊，達到保護轉臺，對轉臺角加速度要進行限制，跟蹤系統既要求高動態性能，又希望系統越穩定越好，因此在一個輸入量，一個輸出量的控制系統，位置校正網絡采用PID調節控制，在轉臺中只采用比例控制。比例項越大，控制精度越高，靈敏度越高，系統穩定性越差；反之比例項越小，精度越低，穩定性越好。但本系統要求較高動態性能，為同時滿足高動態性能又不對轉臺造成較大沖擊。為避免轉臺高速轉動造成較大沖擊，為此需對驅動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軟件設計核心，軟件設計按如下設計思想設計：

Δθ：誤差角度，Δθmin：控制最小角度，Δθmax控制最大角度。

當Δθ<Δθmin ：電機直接最大啟動頻率運行，控制曲線1模式。

當Δθmin<Δθ< Δθmax：頻率給定控制按控制曲線2進行，即電機以直接最大啟動頻率運行后加速到最大連續運行頻率后再頻率減到最大直接啟動頻率。

功率驅動芯片受伺服控制模塊控制，采用速度控制模式，驅動轉臺電機按給定速度轉動，通過軟件實時控制衰減和細分方式以獲得更好的寬調速比性能，合理解決轉臺低速平穩運行，使電機的加速度得到限制、減緩啟動、制動過程，保證平臺平穩運行，完全滿足轉臺既要求較高動態性能又能防止轉臺造成較大沖擊要求。

5.3 位置檢測模塊軟件設計

系統上電或重啟后，在程序運行的初始化程序中檢測轉臺位置，工作過程如下：方位順時針運動，檢測到零位時，方位停止，將此位置角度標記為零度；俯仰運動一個來回，即可計算出上電初始位置角度。

6 結束語

本文通過位置、速度環閉環控制，針對光電跟蹤平臺要求較高動態性能特點對控制器速度環提出兩種頻率控制曲線，合理配置衰減和細分模式，解決平臺高動態性能要求下防止平臺造成較大沖擊問題。本系統設計已應用于某型光電跟蹤系統電子設備的伺服控制，具有控制算法簡潔、定位和速度精度高等特點。

參考文獻

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