非連續(xù)大氣偏振觀測系統(tǒng)硬件設計

李啟丙

摘 ?要：文章為非連續(xù)大氣偏振觀測系統(tǒng)進行硬件設計。該系統(tǒng)采用數字信號處理芯片作為控制核心，利用位置式高精度角度編碼器，實現對大氣觀測系統(tǒng)的位置高精度測量，采用電源隔離技術，降低了電機啟動時對攝像機圖像的電磁干擾。實驗結果表明，該精密控制系統(tǒng)運行位置伺服精度在0.002 °范圍內，滿足大氣偏振觀測系統(tǒng)定位測量要求。

關鍵詞：硬件設計;數字信號處理;角度編碼器;電源隔離

中圖分類號：TN702 ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2016）26-0009-02

1 ?概 ?述

本文研究設計一套非連續(xù)全天空偏振觀測系統(tǒng)的硬件電路，該系統(tǒng)配合軟件以實現全天空的非連續(xù)偏振模式觀測，獲取天空偏振模式隨時間的變化，為尋找大氣中性點提供數據支撐;并利用大氣中性點實現地表-大氣信息分離。

本系統(tǒng)主要實現對立體空間精密定位系統(tǒng)的設計，采用位置式高精度角度編碼器作為轉臺位移檢測工具，采用了位置環(huán)和速度環(huán)共同組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。實驗結果表明，該精度定位系統(tǒng)運行位置伺服精度<0.002 °，滿足大氣偏振觀測系統(tǒng)的伺服精度要求。

2 ?控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 ?系統(tǒng)框圖

非連續(xù)大氣偏振觀測控制系統(tǒng)框，如圖1所示。控制系統(tǒng)包含數字信號處理電路模塊、強弱電隔離模塊、電機PWM驅動模塊、位置檢測模塊。主控電路模塊以TI的DSP芯片TMS28335為核心，其外圍電路主要包括：電源模塊電路、JTAG接口電路、外部存儲器擴展電路、串行通信接口電路、脈沖量、模擬量控制接口、數字模擬轉換電路。功率驅動電路包括逆變器主電路、轉子位置檢測電路等。位置檢測模塊主要包括霍爾信號接口電路和增量式編碼器接口電路。

2.2 ?電源電路設計

系統(tǒng)電源框圖，如圖2所示，為了減少電機啟動時對相機、DSP芯片的干擾，特通過濾波模塊將輸入24V電源隔離成3組電源。如圖3所示。

對DSP芯片的電源設計，考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，TMS2833芯片對電源的上電順序有一定要求[1]。1.8V的內核電壓先于外部IO電壓建立，因此我們選用帶有使能控制的電源芯片TPS75801和TPS75833。電路圖，如圖4所示。VCC1V8的電壓穩(wěn)定建立之后，Q2導通，Q1截止，使得TPS75833的使能端EN為高電平，TPS75833才開始工作，VCC3 V3端才能輸出3.3 V的電壓。

2.3 ?電機驅動電路設計

本系統(tǒng)分別對方位電機、仰角電機和相機電機三個電機進行控制，為精確定位，三個電機的驅動均采用帶PWM控制功能的芯片實現[2]。

對于方位電機和仰角電機使用的是同一型號的電機，其驅動電流峰值達6 A，考慮電路的簡單，所以采用TI的DRV8412芯片。TI公司的DRV8412是集成了先進保護系統(tǒng)的高性能雙路全橋馬達驅動器，功率級的效率高達成協(xié)97%。DRV8412雙路全橋模式2x3A或并聯(lián)6A連續(xù)模式，PWM頻率高達500 kHz，主要用于無刷DC和步進馬達，三相永磁同步馬達等驅動[3]。電路，如圖5所示。

相機的驅動電機電流較小，選用芯片體積較小的DRV8837芯片。DRV8837為攝像機、消費類產品、玩具和其它低電壓或者電池供電的運動控制類應用提供了一個集成的電機驅動器解決方案[4]。 此器件能夠驅動一個直流電機或其他諸如螺線管的器件。 輸出驅動器塊由一個配置為H橋的N通道功率MOSFET 組成，以驅動電機繞組。 一個內部電荷泵生成所需的柵極驅動電壓。DRV883x能夠提供高達1.8 A的輸出電流。電路，如圖6所示。

2.4 ?信號的隔離電路

由于此系統(tǒng)是一個光機電系統(tǒng)，為減少信號之間的干擾，采用ADI公司的磁耦芯片ADuM240X系列。ADuM240X系列是采用ADI公司iCoupler技術的四通道數字隔離器。它將高速CMOS與單芯片空芯變壓器技術融為一體，具有優(yōu)于光耦合器等替代器件的出色性能特征。iCoupler 器件的功耗只有光耦合器的1/10至1/6，均可采用2.7 V至5.5 V電源電壓工作，與低壓系統(tǒng)兼容，并且能夠跨越隔離柵實現電壓轉換功能設計簡單[5]。電路，如圖7所示。

3 ? 系統(tǒng)定位性能測試

由于其特殊的應用，對于高精密伺服轉臺，位置伺服精度是最重要的指標之一，應該達到±0.002 °，為此進行了伺服工作試驗。根據伺服轉臺的實際應用環(huán)境，由上位機發(fā)出位置控制。根據編碼器實際返回值來確認當前位置，測試位置伺服誤差數據，見表1。伺服誤差均值大致為0，誤差在以±0.002 °內。達到了精度±0.002 °的要求。

4 ?結 ?語

本控制系統(tǒng)采用位置式高精度角度編碼器作為轉臺位移檢測工具，采用了位置和速度雙閉環(huán)PID控制系統(tǒng)。實驗結果表明，該系統(tǒng)硬件電路設計滿足控制要求，伺服精度在度范圍內。滿足大氣偏振觀測系統(tǒng)的伺服精度測量要求。

參考文獻：

[1] 馬杰.小型直流電機控制電路設計[M].北京：科學出版社，2012.

[2] 符曉，朱洪順. TMS320F2833XDSP應用開發(fā)與實踐[M].北京：航空航 ? 天大學出版社，2013.

[3] DRV84x2 Dual Full-Bridge PWM Motor Driver[R].Texas Instrument

s，2015.

[4] DRV8837 LOW-VOLTAGE H-BRIDGE IC [R]. Texas Instruments，

2014.

[5] ADuM2400 datasheet. Analog Device.2005.