長線列紅外探測器雙模式成像裝置中的擺鏡控制系統設計

魏 偉，陳 潔，張若嵐，劉蕓邑，田桂平

?

長線列紅外探測器雙模式成像裝置中的擺鏡控制系統設計

魏 偉1,2，陳 潔1,2，張若嵐1,2，劉蕓邑1,2，田桂平1,2

（1.昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2.于起峰院士工作站，云南 昆明 650223）

為了實現長線列紅外探測器雙模式成像裝置的兩種工作模式，需要在成像裝置中增加擺鏡控制系統，而高速掃描時的掃描線性度和靜止時的位置穩定精度是本系統設計的關鍵因素。本文著重論述了擺鏡控制系統的整體設計和指標要求，基于這些指標，提出了一種高線性和高穩定精度擺鏡控制系統的實現方案。并利用Simulink進行了仿真，驗證該方案切實可行。

擺鏡控制系統；掃描線性度；位置穩定精度；Simulink仿真

0 引言

長線列紅外探測器雙模式成像裝置有前視模式和搜索模式兩種工作模式，其中前視模式用來對特定目標進行識別、跟蹤與瞄準，搜索模式用來進行固定角速度的空域目標搜索[1]。其工作示意圖如圖1和圖2所示。當前視模式啟動時，內部掃描電機開始工作，在熱像單幀積分周期內進行固定視場的像方掃描，獲得前方特定狹窄視場內二維場景的高分辨熱圖像；積分間隙期間則快速回掃，準備下一幀掃描。當搜索模式啟動時，內部掃描電機停止像方掃描并將擺鏡穩定在光軸零位位置，配合系統周視成像，完成目標的搜索，為上級系統提供目標信息。

當前采用288×4型短線列焦平面探測器的雙模式成像裝置已趨于成熟，隨著768×8型長線列焦平面探測器制作材料和加工工藝水平的提高，將該類探測器應用到雙模式成像裝置中成為了當下研究的熱點。而采用768×8型長線列探測器的雙模式成像裝置對擺鏡控制系統的掃描線性度和靜止穩定精度提出了新的要求，為了滿足這些指標要求，本文提出了一種高線性和高穩定精度擺鏡控制系統的實現方案。

1 整體設計

擺鏡控制系統由驅動電機、擺鏡、伺服控制電路、角位置傳感器等部件組成[2]，其結構框圖如圖3所示。由于成像裝置采用了長線列探測器，所以其在前視工作模式下對掃描指標提出了新的要求：①由調制傳遞函數MTF的計算公式可知，對于級的TDI器件，隨著級數的增加，擺鏡掃描線性度的指標要求也相應增加[3]，采用768×8型探測器的掃描成像裝置，要求掃描線性度應達到0.2%；②與常規的288×4型探測器相比，768×8型探測器的焦平面面積變大，為了使擺鏡可以覆蓋面積變大的焦平面，擺鏡控制系統的掃描角度增大[4]，采用768×8型探測器的掃描成像裝置，要求掃描角度應達到±6.5°；③其他的常規掃描指標還有掃描效率達到80%，掃描工作頻率為30Hz等。同時，采用長線列探測器的成像裝置在搜索工作模式下對靜止穩定度的指標也提出了新的要求，為了避免景物在探測器像元上移動過大造成圖像模糊，采用768×8型探測器的成像裝置，擺鏡的靜止穩定精度應優于5″。

圖1 前視模式工作示意圖

圖2 搜索模式工作示意圖

圖3 擺鏡控制系統結構框圖

為了滿足上述的指標要求，就要考慮以下3個方面：①部件選型，基于擺鏡控制系統的運動特性和靜止穩定精度的要求對系統電機和角位置傳感器等部件進行選型；②控制策略的選擇，為了滿足系統高速掃描時高掃描線性度和靜止時高位置穩定精度的要求，本文選擇了軟件鎖相環算法作為系統的速度控制策略；③硬件電路設計，為了實現高速的運動解算和控制，選擇了DSP作為控制系統的主控芯片，并在主控芯片的外圍擴展了所需的硬件電路。接下來本文將從這3個方面進行詳細的設計論述。

2 部件選型

2.1 掃描電機的選擇

當成像裝置處于前視工作模式時，要求掃描電機在探測器積分時間內勻速擺動，積分間隙期間則快速回掃。對于掃描電機的選擇，首先計算電機需要提供的調速范圍。圖4為擺鏡掃描運動關系近似圖[5]，其中為角速度，為時間，為擺鏡運動周期，1為擺鏡正程掃描時間[5]。

圖4 擺鏡掃描運動關系近似圖

已知擺鏡掃描角度為13°，正程勻速掃描時間為27ms，則根據上述運動關系有：系統勻速掃描期間的角速度1為9.05rad/s，快速回掃期間最大角速度2為49.75rad/s，擺鏡反轉時的角加速度為9799.8rad/s2。

當選擇電機時，還應考慮擺鏡繞軸的轉動慣量1對系統的響應時間等運動指標產生的影響[6]。通常，當1小于電機轉子慣量2時，系統調速性能不會下降。但當1大于2的5倍時，擺鏡繞軸的轉動慣量會對伺服系統的正常調速過程產生影響，甚至會造成系統失速[7]。考慮到擺鏡繞軸的轉動慣量1約為0.3kg·mm2，所以選擇電機轉子的轉動慣量2應大于0.3kg·mm2。最后將運動關系和負載慣量的數據帶入力矩計算公式，求得電機所需提供的最大轉矩為5.35mN·m。通過上述分析，選擇了某型有限轉角力矩電機作為擺鏡控制系統的工作電機。

2.2 角位置傳感器的選擇

當成像裝置處于搜索工作模式時，內部掃描電機需要將擺鏡穩定在光軸零位位置而角位置傳感器的測量精度將直接影響擺鏡靜止時的位置穩定精度。采用768×8型長線列探測器的雙模式成像裝置，對擺鏡控制系統角位置傳感器的要求有以下幾個方面：①傳感器的位置穩定精度應優于5″；②空間環境適應性好，能抗力學沖擊，且工作溫度應能達到－40℃～60℃的范圍；③體積小、質量輕，可以安裝在光機掃描系統的狹小空間中；④抗干擾能力強、可靠性高。目前常用的角位置傳感器有感應同步器、光電編碼器、旋轉式差動變壓器（Rotary Variable Differential Transformer, RVDT）和基于位置敏感器件（Position Sensitive Device, PSD）的角位置傳感器[8]。以下將對這4種傳感器進行討論分析，選出滿足要求的角位置傳感器。

圓盤式感應同步器精度可以做得很高，一般可以達到1″以下，滿足擺鏡靜止時對角位置測量精度的要求。但是，這是在犧牲體積的基礎上達到的高精度，即當圓盤直徑小于12英寸（30cm）時，感應同步器的精度很難達到1″以下[9]。除此以外，感應同步器對安裝的精度要求也很高，安裝過程中的偏心和傾斜會引入明顯的誤差，所以要求偏心量應在幾個微米之內。

高位數的光電編碼器能夠提供很高的角位置分辨率，以二進制分辨率為例，對于具有20位分辨率的光電編碼器，其位置分辨率能夠達到1.23″。但是由于光電編碼器是接觸式測量，需要將其安裝電機的軸上，這會引入額外的附加轉矩。我們分析了幾款市面上主流的光電編碼器，重新計算負載轉矩，發現擺鏡控制系統加裝光電編碼器后的負載轉矩遠大于小角度力矩電機所能提供的最大轉矩，所以沒有選擇光電編碼器作為角位置傳感器。

RVDT是旋轉式差動變壓器的縮寫，屬于角位置傳感器的一種。以美國精量電子生產的R30A RVDT為例，計算該類型傳感器的分辨率。R30A RVDT靈敏度為2.9mV，這個指標的意思是在每度每伏電壓的激勵下靈敏度是2.9mV，即在激勵交流電壓3V的輸入下，傳感器每一度的輸出電壓為8.7mV。以主流的16位ADC進行輸出電壓采集的話，該傳感器靈敏度換算成角度為10.7″。而為了達到1″的角位置分辨率，仍以16位ADC做采樣求得RVDT應達到的靈敏度為167mV左右。市面上的RVDT產品仍未達到這么高的靈敏度。

PSD是一種對接收光點位置敏感的光電器件，近幾十年將PSD應用到控制系統中作為角位置傳感器的研究在不斷發展。擺鏡控制系統角位置測試原理如圖5所示。

圖5 角位置測試原理圖

激光器產生的激光照射在擺鏡的背面，經過鏡面反射照射在PSD上形成光電流，隨著擺鏡的旋轉，PSD上入射光的位置會產生平移，根據幾何關系換算可以求得擺鏡旋轉的角度。用16位ADC進行輸出電壓的采集，求得PSD的角位置靈敏度，同時考慮到溫度和體積的要求，最后選擇國外生產的某型PSD作為擺鏡控制系統的角位置傳感器。

3 控制系統的控制策略及電路設計

3.1 控制策略

擺鏡控制系統是一個多變量、強耦合的非線性系統，常采用位置環和電流環雙閉環反饋結構控制擺鏡。為了提高擺鏡控制系統的速度穩態性能，在傳統雙環控制系統的基礎上加入了軟件鎖相環速度反饋控制，即擺鏡控制系統采用三閉環控制結構，分別是位置、轉速及電流環控制，其控制框圖如圖6所示。

擺鏡控制系統中的速度環采用了速度鎖相環的形式來提高速度調節的精度。常規的速度反饋系統利用傳感器將速度反饋到輸入環節求得速度殘差，并通過設計系統型別使系統的速度殘差減小為零。但是由于傳感器引入的速度測量誤差是無法消除的，這就限制了伺服系統對速度的控制精度[10]。速度鎖相環控制系統是通過調節速度的相位來穩速的。速度的相位是電機速度的積分，是電機在一定時間內轉過的角位移，將速度的積分送入系統鑒頻鑒相器進行調節，即使最后存在速度的積分無差，對速度而言是無差的，這就提高了速度調節的精度。

圖7為在模擬鎖相環的基礎上設計的軟件鎖相環轉速控制系統，其中比例環節、積分環節和重積分環節完成鑒頻鑒相器的功能。鑒頻鑒相的軟件實現方式優勢在于解決了數字鑒頻鑒相器件存在的非線性問題[11]。在軟件鎖相環中加入了模式選擇環節，即在不同速度誤差的輸入下采取的控制策略不同，這樣既提高了系統調速的動態性能，也提高了控制核心CPU的運算效率[12]。軟件鎖相環的環路濾波器常采用一階或二階有源濾波器，通過采用根軌跡法分析了環路采用不同型別環路濾波器的特點，最后選擇一階有源濾波器為系統進行濾波處理。

3.2 硬件電路設計

圖8為擺鏡控制系統硬件電路圖，整個控制部分以DSP為核心，在芯片外圍擴展了所需要的電路。

主控電路的控制核心是DSP，該芯片主要完成以下幾個功能：轉速、轉向和位置的控制，利用DSP芯片中產生的PWM脈沖去控制驅動單元實現；電流信號的檢測通過接入精密電阻和DSP芯片內部的12位A/D來完成，作為電流調節、故障檢測的信號；角位置信號的檢測，通過PSD將角位置的模擬量輸入外部ADC芯片中轉換成數字量在DSP中進行運算處理，作為位置調節的信號；速度信號的檢測，將ADC檢測到的位置脈沖信號送往DSP微分環節生成速度反饋信號，依次經過軟件鑒頻鑒相和環路濾波環節，最后輸入功放芯片進行電機的轉速調節；除此之外，DSP還同時負責與上位機進行實時通訊及完成系統的其他各項控制功能。

圖6 掃描控制系統基本框圖

圖7 軟件鎖相環轉速控制系統

圖8 伺服控制硬件電路圖

4 控制系統的Simulink仿真

基于以上對擺鏡控制系統控制策略的分析，搭建了如圖9所示的Simulink系統仿真圖。對系統進行階躍和鋸齒波輸入，計算系統的位置穩定精度和掃描線性度。

對于系統位置穩定精度的測量，采用階躍輸入來計算系統輸出穩定時的位置偏差。在幅值為1°，階躍起始時間為0的階躍輸入下，位置階躍響應如圖10所示。由于反饋環節增益為10，則系統輸出穩定時的角度為0.1°。觀察輸出波形，發現系統的調節時間小于2ms。將輸出波形的坐標矩陣導入到Matlab的工作空間，采集波形穩定后的68個點進行計算，得到系統穩定后的位置偏差優于2.5″，滿足成像裝置對位置穩定精度的要求。

對于系統掃描線性度的測量，采用鋸齒波輸入來計算系統掃描時的正程線性度。在27ms正程和6ms返程的鋸齒波輸入下，位置鋸齒波響應如圖11所示。對位置的輸出波形，每隔0.5ms測量一個點，一直測到掃描正程的終點27ms處。將測到的若干個點的角度值和時間值輸出到Matlab的工作空間，采用最小二乘法擬合數據曲線，得到擬合函數。將實際角度值減去擬合角度值得到最大偏差，再與滿量程做商求得系統的掃描正程線性度為0.192%，滿足成像裝置對掃描線性度的要求。

圖9 擺鏡控制系統仿真圖

圖10 位置階躍響應圖

圖11 位置鋸齒波響應圖

5 結論

本文針對長線列紅外探測器雙模式成像裝置對擺鏡控制系統的需求，提出了一種高線性和高穩定精度擺鏡控制系統的實現方案。Simulink仿真結果表明，設計的擺鏡控制系統掃描線性度優于0.2%，擺鏡靜止時的位置穩定精度優于5″，滿足長線列紅外探測器雙模式成像裝置的需求。

然而仿真結果是在理想條件下產生的，實際實驗數據與仿真結果會存在偏差。例如，實際運行環境下控制系統的偏差輸入量會有較大變化，使得PID運算的積分量產生累加，極容易造成系統的控制量輸出超過電機的有效運行范圍，造成系統震蕩。所以應在實際的控制程序編寫中采用積分分離的PID算法，即當偏差輸入量較大時，取消積分作用，以免引起過大的超調；當偏差輸入量較小時，引入積分作用，消除靜差，提高控制精度；同時PID控制量的輸出也應加入限幅輸出環節，以免控制量輸出超過電機的有效運行范圍。除此以外，AD芯片采集回來的位置數字脈沖存在測量偏差，即在電機靜止時，采集回來的二進制位置數據的最后兩位會發生跳變，這也會對系統的控制精度產生影響，使得實際控制精度略低于理論控制精度。

[1] 胡永生, 陳錢, 顧國華, 等. 基于掃描面陣的紅外預警系統及其探測性能分析[J]. 紅外技術, 2008, 30(2): 71-74.

HU Yongsheng, CHEN Qian, GU Guohua, et al. IRST system based on scanning area FPA and its target detectability analysis[J]., 2008, 30(2): 71-74.

[2] 劉曉瑋, 江婷婷, 李揚, 等. 基于DSP的光機掃描控制技術[J]. 兵工自動化, 2015, 34(2): 86-89.

LIU Xiaowei, JIANG Tingting, LI Yang, et al. Technique of scanning control based on DSP[J]., 2015, 34(2): 86-89.

[3] 隋修寶, 陳錢, 顧國華. 掃描型熱像儀掃描匹配技術[J]. 南京理工大學學報, 2008, 32(4): 492-495.

SUI Xiubao, CHEN Qian, GU Guohual. Scan matching technology of scanning thermal imager[J]., 2008, 32(4): 492-495.

[4] 陳潔, 朱江, 浦恩昌, 等. 高線性大擺角掃描技術研究[J]. 紅外技術, 2013, 35(12): 793-797.

CHEN Jie, ZHU Jiang, PU Enchang, et al. Research on the high linearity and large swing angle scanner technique[J]., 2013, 35(12): 793-797.

[5] 浦恩昌, 賀仕偉, 陳潔, 等. 某型一維大擺角掃描器的總體設計[J]. 紅外技術, 2014, 36(6): 463-466.

PU Enchang, HE Shiwei, CHEN Jie, et al. Overall design of a type of one-dimension large swing angle scanner[J]., 2014, 36(6): 463-466.

[6] 楊振輝. 大型重載機床驅動系統交流伺服電機的選擇[J]. 機械工程師, 2010, 8: 150-151.

YANG Zhenhui. Selection of AC Servo motor for large overloading machine tool drive system[J]., 2010, 8: 150-151.

[7] 錢平, 李寧, 魏建, 等. 伺服系統[M]. 北京: 機械工業出版社, 2011.

QIAN Ping, LI Ning, WEI Jian, et al.[M]. Beijing: Machine Industrial Press, 2011.

[8] 王長濤, 尚文利, 夏興華, 等. 傳感器原理與應用[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2012.

WANG Changtao，SHANG Wenli, XIA Xinghua, et al.[M]. Beijing: People Post Press, 2012.

[9] 齊明, 周繼斌, 劉承軍. 基于圓感應同步器的高精度角度測量系統[J]. 電子器件, 2007, 30(1): 263-266.

QI Ming, ZHOU Jibin, LIU Chengjun. High precision angular measuring system based on round Inductosyn[J]., 2007, 30(1): 263-266.

[10] 吳志兵. 基于FPGA的全數字鎖相環電機調速系統研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2013.

WU Zhibing. Study on digital phase-locked loop motor speed control system based on FPGA[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2013.

[11] 肖金鳳, 單長虹, 陳忠澤, 等. 基于全數字鎖相環的步進電機控制系統[J]. 計算機仿真, 2012, 29(9): 208-211.

XIAO Jinfeng, SHAN Changhong, CHEN Zhongyi, et al. Design of stepper motor control system based on all digital phase-locked loop[J]., 2012, 29(9): 208-211.

[12] ZHOU Junzhe, LI Xiangyu. Study on the speed control algorithm of DC motor based on the software phase-locked loop technology[C]//, 2010: 245-248.

Design of Mirror Control System in Dual Mode Imaging Device with Long Line FPA Detector

WEI Wei1,2，CHEN Jie1,2，ZHANG Ruolan1,2，LIU Yunyi1,2，TIAN Guiping1,2

(1.,650223,; 2., 650223,)

In order to achieve two operating modes for dual-mode imaging devices with long line infrared detectors, scanning mirror control system is needed in imaging devices. The scanning linearity at high-speed scanning and position stabilization accuracy at reset are critical factors in system design. This paper focuses on the overall design and index requirements of the scanning mirror control system. And based on these indexes, an implementation scheme of a high linearity and high stability precision scanning mirror control system is proposed. The scheme was verified feasible by using Simulink simulation.

scanning mirror control system，scanning linearity，position stability accuracy，Simulink simulation

TN216

A

1001-8891(2017)01-0067-06

2016-11-02；

2016-12-05.

魏偉（1992-），男，山東人，碩士研究生，主要研究方向：伺服控制技術。E-mail：automatic_will@163.com。