雙軸伺服系統設計

梁 爽，楊仲秋，劉萌萌

(1.黑龍江省科學院技術物理研究所，哈爾濱 150086;2.黑龍江省科學院北方輻射技術開發服務公司，哈爾濱 150010)

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雙軸伺服系統設計

梁 爽1，楊仲秋1，劉萌萌2

(1.黑龍江省科學院技術物理研究所，哈爾濱 150086;2.黑龍江省科學院北方輻射技術開發服務公司，哈爾濱 150010)

隨著國家軍事力量的強大，對于國防工業項目的要求也越來越高，雙軸伺服控制系統在國防項目中的應用也越來越廣泛。在本設計中，實現了對于實時移動目標光斑的掃描和跟蹤，且精度達到萬分之一度。本系統采用精密機械軸承，有較高的速率精度及平穩性，能通過上位計算機指令實現控制。轉臺價格合理，DSP控制箱內部結構精簡，抗干擾能力強，具有廣闊的市場前景和應用價值。

雙軸；控制；DSP控制箱；高精度

隨著國防工業的進步，對伺服系統的要求也逐步提高，在實際應用中，對于很多科研項目，單軸伺服系統往往不能滿足需求，而三軸伺服系統的使用又非常有限，所以本文根據實際項目要求，設計了一套伺服系統，轉臺部分包括俯仰軸、方位軸，控制部分為伺服控制箱，外部給定信號為上位機控制指令和相機脫靶量及手柄模擬信號輸入[1]。在本項目中，實現了如下幾種模式：第一，使能模式。控制伺服系統上電使能[1]。第二，手動模式。雙軸轉臺在手柄信號控制下轉動——俯仰軸和方位軸的轉動，實現手動控制。第三，指向模式。上位機以一定頻率實時發送俯仰軸和方位軸指向位置信號作為俯仰軸和方位軸的目標位置，伺服控制系統控制轉臺轉動到上位機發送的位置上。第四，掃描/跟蹤模式。當跟蹤相機視場內無光斑時，轉臺根據預設掃描軌跡進行掃描。如在掃描過程中相機視場內出現光斑，則伺服控制系統自動切換為跟蹤模式，根據脫靶量信息將光斑跟蹤到視場中心。如果執行完預設掃描軌跡之后還未發現光斑，則伺服控制系統自動將模式變為手動模式[2]。本套設備的優點在于：精度高、穩定性好、抗干擾能力強、價格合理，并且上位工控機與伺服控制系統實現了雙向通信，方便使用者使用。

1 總體設計方案

1.1 系統框架

本系統由一個雙軸轉臺，雙軸伺服控制系統控制箱及連接電纜構成。其中，控制箱中包含兩個變壓器，兩個力矩電機驅動器，兩個電源，三個繼電器和DSP控制系統，其中DSP控制系統內含一塊底板和方位板、俯仰板、保護板、串口并口轉換板。DSP控制箱的主要用途：用于連接上位機和轉臺，并根據上位機控制指令運行相應的模式，對轉臺進行手動控制。轉臺對上位機給出的指向位置信息的解析及轉動到指向位置。對相機給出信息的解析及掃描/跟蹤。同時，DSP控制系統內包含軸位置測量系統、軸位置及速率數字控制系統。另外，串口并口轉換板內含RS232C接口，可以實現與上位機的雙向收發。

本伺服控制系統掃描跟蹤外部相機給出的光斑信號，是否跟蹤及掃描由上位機給出指令。上位機操作界面給出控制指令，控制伺服系統處于什么模式。系統整體框架結構示意圖如圖1所示。

圖1 系統整體框架結構示意圖Fig.1 The overall structure of the system frame diagram

1.2 電機及相應驅動器的選擇

在本系統中，考慮到對雙軸轉臺的加速度并沒有特殊要求，軸的轉動慣量也屬于正常范圍之內，采用普通的有刷電機即可滿足輸出力矩的指標[3]。最大加速度、軸上的摩擦力矩都會影響輸出力矩，其公式為：T-Tf=M=JΩmax，其中，Tf為摩擦力，Ωmax為俯仰軸和方位軸加速度的最大要求值。選定加速度為1 000°/s2(17.5 rad/s2)。軸的回轉質量為40 kg，等效的慣性半徑為0.064 m，所以轉動慣量為J/kgm2=mR2=40×(0.064)2=0.164。輸出力矩T/Nm=JΩmax=0.164×17.5=2.87。實際選擇時參考上面的理論值，并考慮留有2倍的余量。故在此選擇哈爾濱電機廠生產的J160LYX-04電機[4]。

在本系統中，采用ISF20DA250型驅動器作為方位軸電機驅動器，采用ISF20DA60型驅動器作為俯仰軸電機驅動器。二者的特點是：驅動器的伺服功率驅動單元以開關速度快、壓降小的新型IGBT功率模塊構成雙路四相限全橋電路，以PMW方式工作。功率驅動單元的特點是體積小、重量輕、效率高。由于方位軸轉臺質量比較大，轉動過程中有較大的慣性，利用ISF20DA250型驅動器的過流保護功能可有效防止電流過大時對驅動器的損害[5]。

1.3 測角系統方案選擇

由于在本系統中，測角精度±0.0001°的要求，是方位軸和俯仰軸單回轉的前提條件，故選用基于旋轉變壓器及感應同步器的鑒幅式雙通道測角方案。其中，雙通道角位置測量是指在0°～359.9°大角度、低精度測量時，使用單對極旋轉變壓器。另外，對于0.0001°～0.9999°的小角度、高精度測量則采用360對極的感應同步器。兩個通道是互相獨立的，只是安裝在同一軸之上。將兩個通道測得的值按一定規律耦合，則可以實現大范圍、高精度角度測量。基于旋轉變壓器及感應同步器的鑒幅式雙通道測角方案的工作原理為：兩相輸出信號連接信號變換器，兩相輸出信號按可以知道的角度變量Φ做相應的正弦或余弦轉換后相減，得到一個直流電壓信號，它的值與sin(αD)-Φ成正比。當Φ被調整為零時，即可得到當前的角位置。速率信號可以從兩次測角的差分速率中直接獲得，故本系統設計中省略了專用于測速的測速機。本系統中采用美國AD公司生產的芯片AD2S80A作為軸角變換芯片，其封裝原理圖及相應部分電路原理圖如圖2所示。

圖2 AD2S80A相應部分電路Fig.2 AD2S80A corresponding part of the circuit

最后，給出伺服控制系統硬件包括：兩個變壓器，三個繼電器，兩個電源，兩個電源濾波器，小控制箱內包含雙軸控制板、保護板、串口并口轉換板、底板。

2 結論

隨著伺服控制系統在工業、國防控制方面的應用普遍化，對伺服控制系統的各方面要求也越來越高。本設計中完成了以下設計：伺服控制系統與上位工控機的雙向通信，伺服控制系統根據上位工控機指令運行啟動、停止、手柄、指向、掃描/跟蹤模式。速率平穩性高，精度達到萬分之一度，掃描與跟蹤可自動切換，滿足了用戶對于系統的要求，價格合理，有廣闊的市場價值。

[1] 夏潔. 計算機控制系統[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2] 戴文進，張景明.電機設計[M].北京：清華大學出版社，2010.

[3] 謝青紅，張筱荔.TMS320F2812 DSP 原理及其在運動控制系統中的應用[M]. 北京：電子工業出版社，2009.

[4] 黃堅.自動控制原理及其應用[M].北京：高等教育出版社，2009.

[5] 張嵩.雙軸伺服轉臺控制系統設計及實現[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.

Dualaxis servo system design

LIANG Shuang1，YANG Zhong-qiu1，LIU Meng-meng2

(1.Technical Physics Institute, Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150086, China;2.Northern Radiation Technology Development and Service Company, Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150010, China)

The enhancement of our country’s military strength caused the higher requirement of defending industry project. And dual axis servo system has been used in defending industry more widely. In this system, two purposes are achieved firstly is the scanning and tracking of the target, and secondly is the precision of the system has reached to one hundred in a million. Precision mechanical bearings are used in this system with high velocity precision and stability, which can be controlled by host computer through sending message. The price of the axis is reasonable. The structure of the DSP control box is downsizing with anti-jamming capacity, which has broad market prospects and value.

Dual axis; Control; DSP control box; High precision

2017-01-20

梁爽(1983-)，女，助理研究員，碩士。

TM383.4

A

1674-8646(2017)04-0034-02