一種光電跟蹤伺服控制器的設計與實現

摘 要：以TMS320F28335芯片為伺服控制器核心，設計了一種高精度的伺服控制器。闡述了光電跟蹤伺服系統的硬件組成及其工作原理，著重介紹了伺服控制器的硬件設計，并給出控制電路的原理圖。討論分析系統的跟蹤控制難點，并給出軟件解決方法。實踐表明：系統具備穩定性好、精度高、快速響應性好和易調試等特點，達到了預期目標，具有實用價值。

關鍵詞：伺服系統；控制器；跟蹤系統；DSP

1 概述

伺服系統又稱隨動系統，是光電跟蹤系統的重要組成部分之一。光電跟蹤伺服系統的工作原理是，當電視或紅外攝像機通過圖像處理分辨出移動目標，并將目標在視場中與中心點的角度偏差數據傳給伺服系統，由伺服系統控制器作數據處理，伺服驅動器通過功率變換控制驅動電機帶動光電負載，使電視或紅外攝像機的光軸始終瞄準目標，與目標同步運動實現自動跟蹤。

伺服系統的精度、穩定性和快速響應性是光電跟蹤系統的動態性能和測量精度的重要指標。跟蹤隨動系統設計的難點就是如何實現高精度、高穩定性和好的快速響應性。通常使用的微處理器單片機由于片內資源限制，在數據處理的高運算率和高實時性上已經難以滿足現在伺服系統的性能要求。在隨動控制系統中，高性能的DSP已經成為主流控制芯片，逐步取代了單片機。本設計采用美國德州儀器公司生產的DSP芯片TMS320F28335。該32位浮點型DSP芯片具有高達150MHz的高速處理能力，它的單指令執行時間最短只有約6.67ns，芯片內部集成了大量電機控制的相關電路資源，并且相比上代DSP具有更高速的數字信號處理能力，能夠實時地完成復雜的控制算法。其片內集成了豐富的電機控制外圍部件和電路，簡化了控制電路的硬件設計，是一款專為電機控制研發的DSP芯片。

2 系統組成及工作原理

該伺服系統主要由控制器、驅動器、伺服電機組、光電編碼器、電源及控制保護電路等部分組成[1]，系統組成框圖如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

伺服系統環路設計采用位置環、速度換、電流環三環串級控制方案。系統環路原理框圖如圖2所示。伺服控制器主要負責位置環的閉環調節，伺服驅動器主要負責電流環和速度環的閉環調節。三環閉環系統能夠更好保證跟蹤伺服系統的高精度、高穩定及快速響應性。

3 光電跟蹤伺服系統的研制

本系統采用模塊化設計和專用控制芯片，大大減小跟蹤伺服系統重量體積，提高了伺服系統精度及穩定性。伺服電機選用有刷直流力矩電機，套軸使用。有刷直流力矩電機具有轉速低、力矩大、力矩波動小、輸出轉矩大、線性度好等優點[2]。根據系統精度的要求，系統使用16位的光電編碼器來作為位置檢測器件，采用同軸安裝，減小傳遞誤差。該編碼器使用115.2Kbps波特率的RS422串口與DSP內部SCI通信。其測角分辨率為360/216=0.00549°。

3.1 控制器硬件設計

控制器由專用控制微處理器TMS320F28335核心電路、A/D 轉換電路、電平轉換電路、D/A 輸出電路、故障信號檢測電路、保護電路等其他外圍電路構成[3]，結構如圖3所示。其特點是輸入信號都經過數字化采樣，方便用于軟件整定參數；基于32位浮點型處理單元可實現較復雜的控制算法；軟件采用模塊化設計重用性和通用性大大提高。其主要功能是接收上位機的控制命令，實現各種工作狀態的切換及回傳跟蹤伺服系統的故障自檢數據。

圖3 控制器硬件組成

3.1.1 CAN通信電路設計

CAN總線是德國Bosch公司在20世紀80年代初為解決汽車中眾多的控制與檢測儀器之間的數據交換而開發的一種串行數據通信協議[4]。它是一種多主總線，通信速率可達1Mbps。在TMS320F

28335DSP中的eCAN模塊是一個完整的CAN控制器，完全兼容CA

N2.0B標準[5]。eCAN模塊具有32個郵箱，可按照設計要求靈活配置為接收或發送郵箱。單幀能夠傳遞8個字節數據。本設計使用SN65HVD230接口芯片做CAN收發器，數據率設置為500k，采用11位標識碼。

3.1.2 A/D轉換電路設計

系統有手動輔助跟蹤功能，可以通過一個模擬手柄控制方位俯仰軸的轉動跟蹤目標。模擬電壓通過A/D轉換電路轉換為數字信號。由于總線電平不一致，必須經過電平轉換芯片SN74LVC4245A電平轉換后，才能供DSP使用。本設計使用14位A/D轉換芯片AD

7863，其電壓輸入范圍為±10V，可滿足系統調速要求。A/D轉換電路如圖4所示。

3.1.3 D/A轉換電路設計

系統要求的伺服系統轉速從0.05°/s到50°/s可調，則系統調速比50/0.05=1000。該系統選用的AD7836是14位D/A轉換芯片，其可輸出的調速比為213=8192，可滿足系統調速范圍要求，該芯片集成了四個14位DAC，本設計只使用其中兩路輸出。采用5V基準電壓，滿量程輸出電壓范圍為±10V，與伺服驅動器連接方便。D/A轉換電路如圖5所示。

圖5 D/A 轉換電路

3.2 系統控制軟件設計[6]

伺服控制軟件使用CCS3.3集成開發環境，編寫使用C語言。軟件采用模塊化設計方法，方便調試。系統軟件流程如圖6所示。其工作過程為：系統首先對DSP 進行初始化，然后系統自檢，如果自檢異常，系統進行故障處理，然后重新檢測。直到自檢無故障信號，則系統接收上位機指令后進入相應的控制模式，進行數據信息采集處理輸出和串口通信。

圖6 系統軟件流程圖

動態跟蹤控制策略：

本設計采用的跟蹤方式為手動跟蹤和自動跟蹤。手動跟蹤是操作手使用手柄控制伺服轉動進行初步跟蹤，直到目標進入電視或紅外攝像機的視場范圍內。光學傳感器抓住目標后再根據圖像取差器實時輸出的脫靶量數據轉換為自動跟蹤，在切換過程中光學傳感器的光軸要始終瞄準目標。空中機動目標跟蹤示意如圖7所示。

圖7 自動跟蹤示意圖

由于該伺服系統搭載的光學傳感器視場較小，要求隨動系統的動態跟蹤精度小于0.5密位，因此系統設計的難點在于跟蹤切換的快速響應、很小的超調量和穩定跟蹤的高精度。在目標捕獲過程中，如果沒有有效的控制策略，就會造成目標在視場邊角時切換自動跟蹤狀態易丟失目標的問題。針對這一難題，我們依據自動控制的基本原理，設計了動態PID跟蹤控制方法。

圖8 動態PID跟蹤控制圖

動態PID跟蹤控制器如圖8所示。它是以偏差量e和偏差量與時間的比值Δe為輸入的二維模糊控制模型。根據固定頻率持續輸入的e和Δe，按照動態PID跟蹤控制算法，動態計算出PID控制器3個重要參數Kp、Ki、Kd的值，并輸出到PID控制器進行輸出調節。通過這種動態PID算法能夠很好解決伺服跟蹤加速度與光電成像處理器的同步問題。

4 試驗結果

經測試，自動跟蹤精度小于0.5密位，方位最大加速度110°/s2，手動跟蹤速度從0.05°/s到50°/s可調，各項技術指標滿足設計任務要求。

5 結束語

文章詳述了以美國德州儀器的DSP芯片TMS320F28335為核心處理器構成的伺服控制器的設計。采用該設計的型號產品已經批量生產，跟蹤效果良好。實踐表明：系統具備穩定性好、精度高、快速響應性好和易調試等特點，達到了預期目標，具有較強的工程實用價值。

參考文獻

[1]秦繼榮.現代直流伺服系統設計[M].北京：機械工業出版社，1996.

[2]田偉強.某測試轉臺電控系統設計[J].電子設計工程，2012，20（8）：72-74.TIAN Wei-qiang. Electronic control system design of a test turntable [J].Electronic Design Engineering，2012，20（8）：72-74.

[3]李紅衛，劉昊，李勇臻.基于TMS320F28335 的雷達伺服系統的設計與實現[J].電子設計工程，2013.

[4]任潤柏，周荔丹，姚剛.TMS320F28x源碼解讀[M].北京：電子工業出版社，2010.

[5]劉陵順，高艷麗，張樹團，等.TMS320F28335 DSP原理與開發編程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[6]TMS320F28335，TMS320F28334，TMS320F28332，TMS320F28235，TM

S320F28234數字信號處理器數據手冊[Z].

作者簡介：李顥（1981-），男，河南信陽人，工程師，研究方向：自動控制。