某微型精密轉臺伺服系統設計與仿真?

張 溦

（1.中國電子科技集團公司第二十研究所 西安 710068）（2.中國電子科技集團公司第二十研究所高端電子裝備工業設計中心 西安 710068）

1 引言

在航空航天領域，普通的探測器對目標的跟蹤監測基本靠調整衛星等的運行姿態來實現，響應遲緩［1］。而將伺服轉臺作為探測器的載體整體安裝在飛行器上，如激光導航系統通過伺服轉臺對地面設備目標進行跟蹤鎖定，可以保證目標一直位于位置偏差范圍內，起到實時定向、消除誤差的作用［2～3］。國內外對精密轉臺也進行了積極探索，但目前對微型轉臺的研究相對較少。本文聚焦微型精密轉臺［4］，設計一套自重僅為1kg 轉臺的全數字化伺服系統，伺服系統是該精密轉臺的重要組成部分，控制轉臺完成恒定速率轉動、高精度位置定位等功能，在保證其穩定工作的同時，大大減小其體積和重量，以滿足精密轉臺的使用需求。

2 伺服系統工作原理

伺服系統由控制驅動模塊、絕對式圓光柵、直流力矩電機組成?？刂乞寗幽K將控制電路與驅動電路高度集成，通過異步串口接收控制指令和回告伺服系統的狀態，通過同步串口讀入圓光柵的角度數據，通過角度微分解算出轉臺的角速度，伺服系統采用三環閉合控制策略［5～6］，由DSP 處理器用軟件實時數字環路校正，控制器輸出PWM 控制信號給驅動芯片，驅動電機按照控制要求轉動。伺服系統組成如圖1所示。

圖1 伺服系統組成

3 硬件設計

3.1 伺服系統控制電路設計

控制電路包括DSP電路、CPLD電路、串口電路等，外部提供28V 直流電源，在內部通過DC/DC 及穩壓器調整成所需的各種電源?？刂齐娐吩O計如圖2所示。

圖2 伺服系統控制電路

控制電路采用DSP+CPLD 控制方式，DSP 選用JDSPF28335，完成環路校正、轉臺運行控制等［7］，當接收到有效指令后，輸出PWM 控制電機轉動。同時，與圓光柵通過BISS 協議進行位置數據采集，經DSP 處理后用于位置閉環控制。CPLD 完成讀取圓光柵數據、總線信號譯碼、同步串口通信等功能，選用HWD1270MCQFP144，EEPROM 采用HWD24C256ESOP8，保存伺服系統必需的各種數據。

3.2 伺服系統驅動電路設計

轉臺轉動慣量為0.1 Kg·m2，風力矩M風為0.86N·m，摩擦力矩M摩擦為0.1N·m，不平衡力矩M不平衡為0.441N·m，轉速15rpm，計算得到總負載力矩為0.97 N·m，故選用的直流力矩電機型號為J130LYX01AE，其重量僅為405g，滿足輕量化需求，電機參數如表1所示。

表1 直流力矩電機參數

驅動電路根據電機選擇驅動芯片，采用DSP控制驅動芯片進行功率放大，驅動電機正反轉［8～9］；用固態繼電器實現電源通斷對驅動芯片進行控制，用熱敏電阻完成溫度檢測經濾波送入ADC 模塊。驅動電路設計如圖3所示。

圖3 伺服系統驅動電路

驅動電路采用H橋電機功率驅動芯片HPA800為主器件，是一款脈寬調制功率放大器。電流檢測電路采用精密電阻器，并將檢測電壓經有源濾波和放大后送ADC 模塊進行轉換，控制器進行電流環校正后輸出PWM 信號送HPA800 驅動電機。電流過流保護電路采用外部關斷限流保護方式，內部關斷通過采用精密電阻器檢測電壓，DSP 控制HPA800 的關斷信號輸入管腳，當過流時關斷輸出。其中，檢測電壓經放大和低通濾波［10］的電路圖如圖4所示。

圖4 檢測電壓濾波放大電路

放大電路如式（1）：

得到式（2）：

由此可以推得R1和R2。濾波電路公式如式（3）、（4），按截止頻率500Hz可以推得R和C的值：

得到式（4）：

3.3 測角單元設計

伺服系統選用雷尼紹［11］的高精度絕對式圓光柵RESA30USA052B，采用1 個讀數頭，型號為RA26BEA052B10F，圓光柵的系統精度可以達到±5.49 角秒，最大讀取速度為36000 轉/分，重量為100g，尺寸為Φ52×Φ30×10（mm），屬于輕量型、高精度的測角裝置。伺服控制精度預估為±10″。故綜合系統精度，滿足角位置定位精度：≤±20″。

4 軟件設計

4.1 DSP軟件設計

伺服控制DSP 軟件采用模塊化設計，邏輯清晰，便于功能擴展。構成框圖如圖5所示。

圖5 DSP軟件構成框圖

ADC 中斷由PWM 周期觸發，根據系統控制子程序計算出的功放電流設定值進行電流環PID 校正，得到所需的PWM控制信號的脈寬值，并對其更新。

4.2 CPLD邏輯設計

CPLD 程序采用VerlogHDL 編寫，軟件功能主要包括并行總線讀寫時序控制、DAC 轉換時序控制、本地地址譯碼、與圓光柵進行BISS 串口通信等功能。

其BISS 協議是用于從光柵采集位置數據的快速同步串行接口，主接口控制位置獲取時序和數據傳輸速度，而光柵為從接口。接口由兩個單向差分線耦組成：MA 是將位置采集請求和時序信息（時鐘）從主接口傳輸到光柵；SLO 是將位置數據從光柵傳輸到與MA 同步的主接口。BISS 協議的數據格式如圖6所示。

圖6 BISS協議數據格式

5 仿真與分析

本節按伺服控制系統各參數建立三閉環模型，進行Simulink 仿真［12］。電流環校正為I 型系統，仿真模型如圖7 所示，電流環閉環階躍響應曲線如圖8 所示，可得超調量2%，上升時間1.86ms，調節時間6ms。

圖7 電流環仿真模型

圖8 電流環閉環階躍響應曲線

速度環校正為II 型系統，仿真模型如圖9 所示，速度環閉環階躍響應曲線如圖10 所示，可得超調量6%，上升時間51.1ms，調節時間0.673s。

圖9 速度環仿真模型

圖10 速度環閉環階躍響應曲線

位置環采用比例控制，校正成Ⅰ型系統，仿真模型如圖11 所示，位置環閉環階躍響應曲線如圖12 所示，可得超調量3%，上升時間97.6ms，調節時間0.277s。

圖11 位置環仿真模型

圖12 位置環閉環階躍響應曲線

從仿真結果可得，所設計伺服系統具有較快的上升時間和較小超調，能夠快速趨于穩態，穩定性好，有較強的快速響應性，滿足設計指標上升時間120ms的要求。

6 結語

文章設計的微型精密轉臺通過仿真驗證了伺服系統的可行性，所設計的伺服系統以小型化、輕量化為設計原則，實現了該型轉臺以恒定速率轉動、高精度位置定位等功能，為微型精密轉臺的應用奠定了基礎。