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光电跟踪系统的伺服系统设计

范文

秦学富　张兵　章艳艳

【摘要】：本设计采用技术成熟的混合步进电机和RS485总线技术，针对光电跟踪系统高速转台特点，设计位置、速度环控制算法，采用先进电机控制技术，实现全数字化控制，转台具有高速稳定、速度和定位精度高特点。

【关键词】：光电跟踪；步进电机；DSP；宽调速比

1 引言

伺服系统经历了从液压到机电，从模拟控制到数字控制，从集中式到分布式发展历程，这些发展使得伺服系统的稳定性、可靠性、安全性等各方面得到了很大的改进，现代控制技术已经应用于伺服控制系统的各个设计环节，本文以某光电跟踪系统转台伺服系统实现说明设计方法。

2 系统设计方案

本伺服系统采用RS485总线和全数字闭环控制，由控制器、功率放大器、步进电机及减速器、位置、速度传感器、转台等组成。伺服系统组成如图1所示。

由于跟踪平台对速度控制精度要求非常高，单纯依靠脉冲频率控制步进电机来实现平台速度存在一定风险，本文通过设计位置和速度双闭环控制，实现转台定位精度和速度精确控制功能。

3 系统各组成部分及工作原理

系统主要由控制模块、驱动模块和位置速度检测模块和执行机构组成。控制模块主要功能是控制状态运动，主控电路根据接收到终端控制命令进行解释，获取转台角度信息，将终端给定的目标角度与采集到转台实时角度进行比较运算处理，得到角度误差值，DSP通过运算输出控制信号经驱动芯片后输出控制电机旋转，电机旋转带动转台向目标角度方向运动，完成转台运动控制。主控电路通过I/O口读取驱动芯片状态，将转台角度信息和驱动芯片工作状态数据综合处理后打包发送终端。

3.1 控制模块

控制器核心为主控电路，控制核心采用TMS320F2812 DSP处理器，具有电机控制事件管理器模块，主控电路通过可编程逻辑器件实现数据总线和接口电路转换，大大节省外围器件数量。

3.2 功率驱动模块

功率驱动模块主要由功率驱动芯片及外围电路组成，在DSP的信号控制下，输出步进电机控制信号，完成功率驱动功能。

4 系统各功能模块实现

4.1 伺服控制器模块设计

伺服控制模块主要由2812 DSP和大规模可编程逻辑器件组成，主要实现为DSP最小电路和CPLD接口電路，DSP通过485接口与终端进行通讯，DSP通过I/O口读取驱动芯片状态信号并输出控制信号。

4.2 功率驱动模块设计

功率驱动模块采用THB6064步进电机集成驱动芯片，该芯片具有工作电压宽，输出电流大、导通电阻小、可精细化细分等特点，具有自动半流锁定功能，4档衰减方式可选，内部集成温度保护和过流保护功能，非常适合步进电机控制。芯片衰减和细分可实时数字控制，非常适合应用于调速范围宽、加减速频繁使用环境。

4.3 位置检测模块设计

位置检测模块采用开关速度快，检测宽度小的微型光电开关，在方位和俯仰上分别设置零度检测和上、下限位检测装置。当转台上电或重启时，先寻找零位，实现位置闭环控制。

4.4 速度检测模块设计

位置和速度检测模块共用，转台运动时，通过比较拨片两次通过位置检测装置时间，即可得到转台转动速度。

5 软件设计

该系统方位、俯仰运动控制方式和算法都在DSP内使用软件代码实现，采软件用C语言编写，C语言具有可读性高，易于移植、继承等优点。

伺服控制模块软件主要由4部分组成：初始化模块，角度、速度状态采集模块，通讯模块、平台运动控制模块。软件模块组成如图2所示，

软件设计核心是转台伺服控制模块软件设计，该模块完成转台所有运动控制方式。

5.1 软件设计流程图

伺服控制模块软件设计流程如图3所示：

对于高速转动转台，为避免转台造成较大冲击，达到保护转台，对转台角加速度要进行限制，跟踪系统既要求高动态性能，又希望系统越稳定越好，因此在一个输入量，一个输出量的控制系统，位置校正网络采用PID调节控制，在转台中只采用比例控制。比例项越大，控制精度越高，灵敏度越高，系统稳定性越差；反之比例项越小，精度越低，稳定性越好。但本系统要求较高动态性能，为同时满足高动态性能又不对转台造成较大冲击。为避免转台高速转动造成较大冲击，为此需对驱动芯片频率给定控制曲线做修改。

5.2 频率给定控制

频率给定控制是本系统软件设计核心，软件设计按如下设计思想设计：

Δθ：误差角度，Δθmin：控制最小角度，Δθmax控制最大角度。

当Δθ<Δθmin ：电机直接最大启动频率运行，控制曲线1模式。

当Δθmin<Δθ< Δθmax：频率给定控制按控制曲线2进行，即电机以直接最大启动频率运行后加速到最大连续运行频率后再频率减到最大直接启动频率。

功率驱动芯片受伺服控制模块控制，采用速度控制模式，驱动转台电机按给定速度转动，通过软件实时控制衰减和细分方式以获得更好的宽调速比性能，合理解决转台低速平稳运行，使电机的加速度得到限制、减缓启动、制动过程，保证平台平稳运行，完全满足转台既要求较高动态性能又能防止转台造成较大冲击要求。

5.3 位置检测模块软件设计

系统上电或重启后，在程序运行的初始化程序中检测转台位置，工作过程如下：方位顺时针运动，检测到零位时，方位停止，将此位置角度标记为零度；俯仰运动一个来回，即可计算出上电初始位置角度。

6 结束语

本文通过位置、速度环闭环控制，针对光电跟踪平台要求较高动态性能特点对控制器速度环提出两种频率控制曲线，合理配置衰减和细分模式，解决平台高动态性能要求下防止平台造成较大冲击问题。本系统设计已应用于某型光电跟踪系统电子设备的伺服控制，具有控制算法简洁、定位和速度精度高等特点。

参考文献

【1】苏奎峰，吕强，耿庆锋，陈圣俭. TMS320F2812原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2005

【2】王晓明.电动机的DSP控制—TI公司DSP应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004

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