基于DSP的主動光學力促動器控制系統設計

孔令波，張　斌，孟浩然，吳慶林，李玉霞

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院大學，北京 101400)

基于DSP的主動光學力促動器控制系統設計

孔令波1,2，張斌1，孟浩然1，吳慶林1，李玉霞1

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院大學，北京 101400)

摘要:針對步進電機型力促動器，設計了一種基于DSP的力促動器控制系統，并進行了測試。系統以TMS320F28069型DSP作為主控制器，采用ADS1259高精度A/D轉換器采集傳感器LoadCell輸出力信號，通過DSP片上PWM模塊輸出電機控制脈沖給電機細分驅動芯片TMC389，驅動步進電機轉動，形成力控制閉環。系統軟件采用PID控制算法來校正力促動器輸出偏差，并給出了控制程序流程圖。實驗測試結果表明：該控制系統具有良好的響應特性和較強的抗干擾能力，滿足主動光學實驗系統的要求。

關鍵詞：主動光學；力促動器；控制系統；力傳感器

0引言

主動光學技術是現代大口徑望遠鏡系統中的關鍵技術之一。主動光學系統是一個以實時校正望遠鏡重力變形和熱變形為目的的光學閉環系統，主要由波前傳感器、計算機系統和力促動器控制系統組成[1,2]。

力促動器作為主動光學系統的施力元件，要求其出力精度要達到mN級，且在幾分鐘甚至十幾分鐘的時間內具有很高的穩定性。電機+絲杠結構的力促動器具有結構簡單、控制方便等優點，在國內外望遠鏡系統中均已有成功應用，如歐洲南方天文臺的VLT望遠鏡[3]和國內的LAMOST望遠鏡[4]等。一般直流電機型力促動器需要配置位置傳感器，這種方式便于系統控制，但增加了系統的復雜度；步進電機型力促動器充分利用步距角固定的特點，無需外部位置傳感器即可實現力的平穩調節[5]。

為了滿足面形校正力的高精度、高穩定性要求，針對步進電機型力促動器，本文設計了以DSP為主控芯片的力促動器閉環控制系統，并進行了力促動器輸出力控制實驗，得到了較理想的實驗結果。

1系統組成與工作原理

力促動器由步進電機、機械傳動機構、彈簧單元和LoadCell傳感器組成，機械傳動機構主要由諧波減速器和絲杠組成，它將電機的旋轉運動轉換為直線運動，壓縮或拉伸彈簧單元產生校正力。如圖1所示，力促動器控制系統采用DSP作為主控芯片，產生電機需要的控制信號，信號經過驅動器功率放大后輸出給步進電機，控制電機轉動。為了實現校正力的精確控制，用力傳感器將力促動器的實際出力值采集回控制器，形成力閉環控制。

圖1　力促動器控制系統Fig 1　Force actuator control system

2系統硬件設計

力促動器的電控系統以TI公司的TMS320F28069型DSP為核心，通過外擴高精度A/D芯片采集力信號，然后經過算法校正輸出控制信號給電機驅動器，控制電機轉動。

2.1電機控制+驅動電路設計

步進電機控制驅動電路如圖2所示。系統以TMS320F28069型DSP為控制核心，該控制器集成了豐富的片上外設，能夠滿足電機控制和通信等系統需求。電機驅動采用TMC389+MOSFET三相橋電路的方案[6]，TMC389是三相步進電機細分驅動芯片，它最多可細分為256微步，TMC389集成有SPI接口，可用來與DSP通信。當TMC389接收到一個脈沖信號時，就控制電機向前轉動一個微步，控制脈沖信號頻率便可控制電機轉動速度。TMC389的控制脈沖由DSP的PWM模塊產生，除此之外，控制器還將產生驅動器使能信號和電機旋轉方向信號。

圖2　步進電機控制驅動電路Fig 2　Driving circuit of stepper motor

2.2力信號采集電路設計

力促動器中應用的測力單元為美國Celtron公司生產的高精度測力元件LoadCell，通過柔性桿和彈簧部分相連，其型號為STC—50KgAL。

由于傳感器輸出電信號很小，且耦合有高頻噪聲，傳感器信號必須經放大濾波后才能送給A/D轉換器[7,8]，如圖3所示。A/D轉換芯片選用ADS1259，具有24 bit分辨率，通過SPI總線與DSP通信。

圖3　力信號采集電路Fig 3　Force signal acquisition circuit

3系統軟件設計

3.1PID控制算法設計

力促動器控制系統是一個力閉環控制系統，系統控制算法采用PID控制算法。PID控制器由于其結構簡單、參數整定方便，是目前技術最成熟、應用最廣泛地調節器[9,10]。在數字系統中，PID控制算法可表示為

e(k-1)]}

(1)

式中u(k)為控制器輸出，KP,KI,KD為控制器參數，T為系統采樣周期，e(k)為第k次采樣時偏差信號。

在力促動器控制系統中，采集力促動器實際輸出力值，將其與力設定值的差值作為PID控制器的輸入偏差信號，控制器輸出u(k)作為PWM輸出脈沖頻率控制電機轉動。系統采樣周期設定為1 ms。

3.2系統程序設計

系統程序設計主要分為兩部分：AD采集程序設計，主目標是讓DSP能夠控制ADS1259進行力信號采集，并讀取采集數據；電機控制程序設計，主要目標是根據AD采集數據計算出電機控制脈沖頻率，驅動電機轉動，矯正力促動器輸出誤差。

3.2.1AD采集程序設計

A/D轉換器ADS1259通過SPI總線與DSP控制器相連，接收控制器的配置指令并上傳AD采集數據。AD采集程序流程圖如圖4(a)所示，首先對時鐘、定時器、SPI總線接口、串口等外設進行初始化，然后根據工作需要配置ADS1259的工作模式，并啟動測量。當ADS1259完成一次測量后發出中斷請求，控制器進入SPI中斷讀取測量數據，并根據測量數據解算出校正力值，等待控制程序讀取。

3.2.2電機控制程序設計

電機控制程序的主要工作是根據力偏差信號計算出電機控制脈沖頻率，驅動電機轉動，矯正力促動器輸出誤差，電機控制程序流程圖如圖4(b)所示。電機控制程序在定時器中斷中實現，定時器進入中斷的周期為系統采樣周期T=1 ms。系統進入中斷后，首先讀取SPI寄存器中的力測量值，求出力偏差信號，并將其作為PID控制器的輸入，計算電機控制量。得到PID控制器輸出后，據此改變PWM模塊的配置，從而控制PWM輸出脈沖頻率。

圖4　AD采集和控制程序流程圖Fig 4　Flow chart of AD acquisition and control program

4系統測試與結果

為了驗證所設計控制系統的性能，針對一種步進電機型力促動器進行了一系列的參數整定與測試，主要包括基于階躍響應的PID控制器參數整定、系統抗干擾能力測試。在實驗過程中，DSP控制板通過串口與上位機連接，以20 Hz的頻率將力促動器輸出力值上傳到上位機保存顯示。

4.1基于階躍響應的參數整定

首先根據10 N輸出力階躍響應對PID控制器參數進行了整定，確定PID控制器參數如下：KP=10，KI=1，KD=0。10 N輸出力階躍響應測試結果如圖5所示，結果表明，10 N階躍輸出力上升時間不超過1.25 s，且具有很小的超調。

圖5　10 N階躍響應Fig 5　10 N step response

PID控制器參數整定完成后，分別進行了系統大輸出力和小輸出力步進實驗。10 N和50 mN步進實驗曲線如圖6所示。實驗結果表明：當校正力變化較大時，該系統具有響應快、超調小的優點；而當校正力在很小范圍內變化時，該系統也能對其進行很好的跟蹤控制。

圖6　輸出力步進控制實驗Fig 6　Experiments of output force stepper control

4.2抗干擾能力測試

在力促動器的實際工作中，不可避免地存在許多擾動，如風載力矩和力促動器本身存在的非線性等。因此，為了保證系統可靠的工作，力促動器控制系統必須具備一定的抗干擾能力。在力促動器穩定輸出100 N校正力的情況下，對其突加階躍擾動，力促動器并沒有出現震蕩等不穩定情況，而是快速地恢復100 N穩定輸出。再次對力促動器施加連續擾動，其輸出仍能在擾動消失后快速穩定在設定輸出，如圖7所示。實驗表明，該力促動器控制系統具有較強的抗干擾能力。

圖7　系統抗干擾測試結果Fig 7　Test result of system anti-interference

5結論

基于DSP的力促動器控制系統，利用外擴高精度A/D轉換芯片采集力信號，并通過PID控制算法校正輸出控制信號給電機驅動器，控制電機轉動，矯正力促動器輸出偏差。實驗證明:該控制系統具有良好的響應特性，對于10 N階躍輸出上升時間不超過1.25 s，并且具有很小的超調。當校正力在很小范圍內(50 mN)變化時，系統也能對其進行很好的跟蹤控制。此外，該控制系統還具有較強的抗干擾能力，滿足主動光學實驗系統的要求。

參考文獻:

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Design of active optics force actuator control system based on DSP

KONG Ling-bo1,2，ZHANG Bin1，MENG Hao-ran1，WU Qing-lin1，LI Yu-xia1

(1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 101400,China)

Abstract:A control system based on DSP is designed for stepper motor type force actuator.In this control system,TMS320F28069 DSP is employed as main controller,while high precision ADC ADS1259 is used to collect output force signal of sensor,by DSP output motor control pulse to micro-stepping driver TMC389,driving stepper motor to rotate and form force control close-loop.System software uses PID control algorithm to correct output deviation of force actuator,and control program flow chart is given.Experimental test results show that this control system has good response characteristic and strong interference anti-interference capability,and meets requirements of active optics experimental system.

Key words:active optics;force actuator;control system;force sensor

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0074—03

收稿日期：2015—09—21

中圖分類號：TP 241.3

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)05—0074—03

作者簡介:

孔令波(1990-)，男，四川遂寧人，碩士研究生，主要研究方向為電子電路設計和伺服控制。