用于激光反射鏡面調(diào)節(jié)的雙電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞： 反射鏡面調(diào)節(jié); 水平旋轉(zhuǎn)和俯仰角度調(diào)節(jié); PID控制; 雙電機(jī)控制

中圖分類號(hào)： TB9; TP23 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1674–5124（2025）02–0112–06

0 引言

從制造出第一束激光到目前為止，激光已逐步與生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)相結(jié)合，在激光治療、激光手術(shù)、激光診斷、激光制導(dǎo)等方面取得重大成果，并逐步滲透到日常生活中，而在這些研究中，激光光束方向控制是這些應(yīng)用中非常關(guān)鍵的部分[1]。在云臺(tái)、機(jī)械臂等領(lǐng)域中，往往需要采用雙電機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)方向甚至多個(gè)方向的控制[2-4]。Kim等[5]通過在垂直和水平兩個(gè)方向安裝8個(gè)音圈電機(jī)實(shí)現(xiàn)六自由度控制，進(jìn)而設(shè)計(jì)出一種新型的高精度六自由度磁懸浮雙伺服工作臺(tái)。高躍等[6] 基于雙電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，設(shè)計(jì)了一款雙電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)的7 自由度協(xié)作機(jī)械臂，利用遺傳算法對D-H參數(shù)公差優(yōu)化分配，減小了機(jī)械臂末端執(zhí)行器的幾何定位精度誤差。程楊和潘尚峰[7] 采用3個(gè)電機(jī)來擬合人體肩關(guān)節(jié)、一個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)擬合肘關(guān)節(jié)及腕關(guān)節(jié)，利用虛擬分解控制理論，將復(fù)雜的康復(fù)外骨骼機(jī)械臂分解為幾個(gè)簡單的子系統(tǒng)進(jìn)行分析及控制。吳偉等[8]也是通過在垂直和水平兩個(gè)方向共配置6臺(tái)電機(jī)，搭建能夠?qū)崿F(xiàn)六自由度運(yùn)動(dòng)的水下機(jī)器人模型。

以上研究表明，雙電機(jī)控制系統(tǒng)通過將負(fù)載均勻地分配到兩個(gè)電機(jī)上，可以減少系統(tǒng)的震動(dòng)和擺動(dòng)，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)精度，雙電機(jī)通過控制兩個(gè)電機(jī)的速度和方向，可以實(shí)現(xiàn)多種不同的運(yùn)動(dòng)模式。例如，兩個(gè)電機(jī)可以同步運(yùn)動(dòng)，也可以異步運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同的軌跡和路徑。針對激光反射鏡面水平旋轉(zhuǎn)和俯仰調(diào)節(jié)的角度控制需求，設(shè)計(jì)出一種俯仰角度和水平旋轉(zhuǎn)角度控制的雙電機(jī)控制系統(tǒng)。

1水平與俯仰角度控制模型

雙電機(jī)控制系統(tǒng)模型由電機(jī)、舵機(jī)、鏡面和激光指示器組成，通過各部分之間的聯(lián)系實(shí)現(xiàn)對激光光束反射調(diào)節(jié)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

系統(tǒng)主要通過控制鏡面在水平和俯仰方向的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對激光光束的反射。水平方向上，系統(tǒng)通過控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度D₁，控制反射光束的水平角度α，水平方向的旋轉(zhuǎn)結(jié)示意圖如圖2 所示；俯仰方向上，系統(tǒng)通過控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度D₀，控制鏡面俯仰方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而控制反射光路的俯仰角度γ，俯仰方向的轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖如圖3所示。

在用于激光反射鏡面調(diào)節(jié)的雙電機(jī)控制系統(tǒng)中，反射光束與水平方向的夾角α 與輸入電機(jī)角度D₁關(guān)系如式（1）所示，反射光束與俯仰方向的夾角γ與輸入舵機(jī)角度D₀ 關(guān)系如式（2）所示。

雙電機(jī)控制系統(tǒng)使激光能夠更快更好的指向目標(biāo)位置，調(diào)節(jié)電機(jī)內(nèi)部合適的PID參數(shù)，使系統(tǒng)擁有足夠小的系統(tǒng)誤差。

2系統(tǒng)硬件

為設(shè)計(jì)一個(gè)高精度、快速響應(yīng)的雙電機(jī)控制激光鏡面反射系統(tǒng)，需選用一個(gè)傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定、性價(jià)比高的主控芯片，兩個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)位置控制且需滿足在水平旋轉(zhuǎn)角度最小分辨率0.03°、俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)角度最小分辨率0.1°的兩個(gè)電機(jī)。電機(jī)HT-S-4315作為一款內(nèi)部集成驅(qū)動(dòng)器以及能夠?qū)崿F(xiàn)位置閉環(huán)控制的高可靠性直流無刷電機(jī)，控制精度為0.022°同時(shí)支持RS485 通信和CAN 通信，適用于系統(tǒng)水平旋轉(zhuǎn)角度的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；而舵機(jī)SM40BL 作為具有位置伺服控制模式的小型直流無刷智能總線伺服電機(jī)，最小分辨角度0.088°同時(shí)支持USART 通信，適用于系統(tǒng)俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)角度的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，雙電機(jī)控制的激光鏡面反射系統(tǒng)選用舵機(jī)SM40BL、電機(jī)HTS-4315 作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電源模塊、STM32 主控模塊、URT-1 驅(qū)動(dòng)電路模塊作為輔助模塊。

上位機(jī)輸出角度控制信息（水平旋轉(zhuǎn)角度及俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)角度），控制信息經(jīng)過STM32模塊處理并傳輸，URT-1 驅(qū)動(dòng)模塊和電機(jī)的內(nèi)置驅(qū)動(dòng)模塊接收控制信息，并將控制信息發(fā)送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)（HT-S-4315和SM40BL），系統(tǒng)做出響應(yīng)，使激光指向目標(biāo)點(diǎn)[9]。雙電機(jī)控制的激光鏡面反射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

2.1電源模塊

電源模塊主要是保證各個(gè)模塊能夠正常工作。為防止電機(jī)或舵機(jī)中的其中一個(gè)電流突然增大，造成另一個(gè)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，因此選用兩個(gè)電源模塊分別供電。電源模塊1 通過URT-1 驅(qū)動(dòng)模塊給舵機(jī)SM40BL 供電；電源模塊2通過電機(jī)的內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電路給電機(jī)HT-S-4315供電。

2.2主控模塊電路

雙電機(jī)控制系統(tǒng)主控芯片包括以下任務(wù)：程序下載、程序測試和數(shù)據(jù)傳輸，其主要包括STM32F103ZET6主控芯片、JTAG 接口、USART、LED電路和內(nèi)部晶振電路等。STM32F103ZET6 作為主控芯片，為主控模塊提供了豐富的外設(shè)[10]，JTAG 作為系統(tǒng)程序的下載接口，LED 電路作為測試程序是否正常運(yùn)行，內(nèi)部晶振作為系統(tǒng)的時(shí)鐘電路，USART 為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸提供便利。主控芯片電路框圖如圖5所示。

2.3數(shù)據(jù)傳輸模塊

2.3.1電機(jī)數(shù)據(jù)傳輸模塊

電機(jī)采用RS485 通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，控制模式采用電機(jī)絕對位置閉環(huán)控制，以實(shí)現(xiàn)對激光水平方向的角度控制。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式為11 個(gè)字節(jié)，同時(shí)采用CRC16-MODEBUS 校驗(yàn)方式，保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的完整性。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)360°時(shí)，對應(yīng)電機(jī)步長（counts）值為16 384，改變counts 值以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。控制信息通過RS485 傳輸至電機(jī)內(nèi)置驅(qū)動(dòng)模塊，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使激光通過鏡面進(jìn)行反射。電機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸框圖如圖6 所示。

2.3.2舵機(jī)SM40BL數(shù)據(jù)傳輸模塊

舵機(jī)SM40BL 采用STM32的USART數(shù)據(jù)傳輸，控制模式采用恒速模式，以實(shí)現(xiàn)對激光光路俯仰角度的控制。控制信息先通過主控的USART數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送至舵機(jī)URT-1驅(qū)動(dòng)模塊，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)模塊的信號(hào)轉(zhuǎn)化電路發(fā)送至舵機(jī)內(nèi)部，進(jìn)而致使舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。USART數(shù)據(jù)傳輸模塊如圖7所示。

2.4上位機(jī)模塊

LabVIEW 作為上位機(jī)的開發(fā)軟件，創(chuàng)建一個(gè)上位機(jī)監(jiān)測平臺(tái)，該平臺(tái)包含了讀寫區(qū)、USART名稱區(qū)、波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位、舵機(jī)控制面板、電機(jī)控制面板等區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)的便捷控制。同時(shí)，讀取區(qū)域還可以實(shí)時(shí)獲取舵機(jī)和電機(jī)的實(shí)時(shí)位置，以方便數(shù)據(jù)的監(jiān)測與控制。

3系統(tǒng)控制算法

3.1系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)將人為設(shè)定的控制信息通過USART3的中斷進(jìn)行接收，分別處理接收數(shù)組中的數(shù)據(jù)，得到舵機(jī)的控制信息position 和電機(jī)的控制信息counts值， 進(jìn)而將position和counts值分別通過USART1和RS485 發(fā)送至舵機(jī)和電機(jī)，使激光光束通過鏡面反射至指定位置。主程序流程圖如圖8 所示。

3.2控制算法設(shè)計(jì)

在雙電機(jī)控制系統(tǒng)，為保證激光在水平和俯仰方向上分別能夠在0.6s，0.17s內(nèi)指向目標(biāo)位置的同時(shí)保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性，設(shè)定舵機(jī)SM40BL的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為12700步/s，電機(jī)HT-S-4315的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為100r/min（即約為27307步/s）。

在系統(tǒng)中舵機(jī)和電機(jī)的步長position和counts與角度之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系分別如式（3）、（4）所示。

為實(shí)現(xiàn)高精度的控制，伺服電機(jī)通常采用三環(huán)控制結(jié)構(gòu)，三環(huán)控制即三閉環(huán)負(fù)反饋PID調(diào)節(jié)器[9]。電壓映射電流變化，電流映射轉(zhuǎn)矩大小，轉(zhuǎn)矩大小映射轉(zhuǎn)速的變化，轉(zhuǎn)速同時(shí)又映射了位置的變化，三環(huán)控制是考慮電氣與物理融合。以實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)、更可靠控制[10]。三環(huán)控制的第一個(gè)環(huán)路為電流環(huán)，此環(huán)全部發(fā)生在伺服驅(qū)動(dòng)器中，由霍爾元件對每一相的輸出電流進(jìn)行檢測，并對電流的設(shè)定進(jìn)行負(fù)反饋，使輸出電流盡可能地與設(shè)定的電流相等，電流環(huán)對電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。因此，在轉(zhuǎn)矩模式下，驅(qū)動(dòng)器的計(jì)算量最少，并且具有最快速的動(dòng)態(tài)特性[11]。第二個(gè)環(huán)路為速度環(huán)，對被測得的電機(jī)編碼器的信號(hào)進(jìn)行負(fù)反饋PID調(diào)整，其回路中的PID輸出與電流環(huán)的設(shè)置直接相關(guān)，因此速度環(huán)中既有電流環(huán)，又有速度環(huán)，也就是說，每一種工作方式，都需要電流環(huán)，而電流環(huán)則是最基礎(chǔ)的，除了速度和位置的控制外，還需要進(jìn)行電流（扭矩）的控制，從而實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速和位置的對應(yīng)控制[12]。第三個(gè)環(huán)路為位置環(huán)，為最外環(huán)，可建于驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)編碼器之間，亦可建于外接控制器與電機(jī)編碼器之間，亦或終端負(fù)載之間，視具體情形而定。在位置控制回路的內(nèi)部輸出為轉(zhuǎn)速回路，因此在位置控制方式下，整個(gè)三個(gè)回路的計(jì)算都要完成，計(jì)算量最大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)最慢[13]。伺服電機(jī)的電流環(huán)的PID常數(shù)一般都是在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部設(shè)定好的，速度環(huán)主要進(jìn)行PI（比例和積分）控制，位置環(huán)主要進(jìn)行P（比例）調(diào)節(jié)[14-15]。

雙電機(jī)控制系統(tǒng)中，電機(jī)HT-S-4315采用伺服電機(jī)的三環(huán)控制，舵機(jī)SM40BL采用PID控制。PID控制微分方程如式（5）所示。

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

為了能夠更加方便的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，使激光達(dá)到目標(biāo)位置，搭建了由上位機(jī)、主控模塊、電機(jī)、舵機(jī)等組成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖如圖9所示。

4.2實(shí)驗(yàn)測試

對上位機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測試，電機(jī)和舵機(jī)正常運(yùn)行，數(shù)據(jù)返回正常，上位機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通信正常。測試結(jié)果如圖10所示。

為滿足反射光束在空間中俯仰方向轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)定舵機(jī)在俯仰方向轉(zhuǎn)動(dòng)角度限制為0°～90°。系統(tǒng)俯仰方向隨角度變化的誤差曲線如圖11 所示，俯仰方向上的誤差整體上隨著角度的增大而減小。

圖11 表明：當(dāng)PID 參數(shù)K_p=10、K_i=0、K_d=5，誤差曲線如圖11藍(lán)色曲線所示，最大誤差為23%，當(dāng)K_p 增大至30、K_d增大至30時(shí)，舵機(jī)響應(yīng)速度變快、穩(wěn)定性增強(qiáng)、誤差減小；當(dāng)增大K_i為5時(shí)，誤差相比之前明顯減小，最大誤差為3.3%，隨著角度的增大，誤差明顯降低。

為了使激光反射鏡面調(diào)節(jié)的雙電機(jī)控制系統(tǒng)能夠在水平方向任意旋轉(zhuǎn)，設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度限制0°～360°。系統(tǒng)水平方向隨角度變化的誤差曲線如圖12所示，水平方向上的誤差整體上隨著角度的增大而減小。

圖12表明： 當(dāng)位置環(huán)K_p=0.5、速度環(huán)K_p=5、K_i=3時(shí)，水平方向的旋轉(zhuǎn)角度最大誤差為3.3%；減小速度環(huán)K_i=1后，最大角度誤差為1.1%，誤差相比之下明顯降低；當(dāng)位置環(huán)K_p增大為1時(shí)，電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間減小，且處于穩(wěn)定狀態(tài)，隨著角度的增大，誤差明顯減小。

5結(jié)束語

針對激光反射鏡面調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)的雙電機(jī)控制系統(tǒng)采用USART、RS485通信和PID控制算法，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證運(yùn)用PID控制算法會(huì)很大程度減小舵機(jī)和電機(jī)的角度誤差較小，進(jìn)而降低系統(tǒng)在水平和俯仰方向的角度誤差，同時(shí)，使激光束快速到達(dá)指定位置，實(shí)現(xiàn)激光光束的反射。在云臺(tái)、機(jī)械臂等多角度轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中，雙電機(jī)甚至多電機(jī)的運(yùn)用將極大簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，更加便利的實(shí)現(xiàn)多角度控制，因此，雙電機(jī)系統(tǒng)對多角度控制具有重要研究意義。