河南中光學(xué)集團(tuán)研發(fā)中心 周 磊 呂瑞云

1.引言

由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，DSP(數(shù)字信號(hào)處理器）技術(shù)在電機(jī)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。TMS320F2812系列的DSP芯片具有高速的數(shù)字信號(hào)能力和專為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，使得高實(shí)時(shí)性要求和復(fù)雜算法在電機(jī)控制中實(shí)現(xiàn)成為可能。系統(tǒng)通過一種模糊控制方法實(shí)現(xiàn)高精度的定位，采用兩重補(bǔ)償反饋和開環(huán)控制相結(jié)合提供較高的運(yùn)行效果，失步檢測功能可以進(jìn)行補(bǔ)償和反饋故障信息，同時(shí)提供較高的故障適用性，可獲得近似于伺服電機(jī)的性能，具有較高的性價(jià)比。

2.控制系統(tǒng)組成

本控制系統(tǒng)由控制器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、負(fù)載、和光電碼盤等組成，系統(tǒng)基本組成圖見圖1?？刂破魉徒o驅(qū)動(dòng)器一定頻率和個(gè)數(shù)的脈沖，驅(qū)動(dòng)器接收脈沖信息和方向信號(hào)，碼盤反饋位置信息給控制器，步進(jìn)電機(jī)為直流五相步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為蝸輪蝸桿。

系統(tǒng)中采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，由于步進(jìn)電機(jī)屬于數(shù)字脈沖驅(qū)動(dòng)型，一個(gè)脈沖走一步，通過脈沖的個(gè)數(shù)可以確定其位置，通過脈沖的頻率可以控制轉(zhuǎn)速。但如果控制做的不好，容易導(dǎo)致失步甚至堵轉(zhuǎn)，例如當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)的速度跟不上脈沖的頻率時(shí)，就會(huì)失步。當(dāng)開環(huán)系統(tǒng)發(fā)生失步時(shí)，控制器并不知道系統(tǒng)已失步，此時(shí)如果有位置反饋及時(shí)糾錯(cuò)，同時(shí)修正系統(tǒng)的加減速控制，就可以使系統(tǒng)繼續(xù)正常的工作，這樣提高系統(tǒng)的精度，同時(shí)也避免了堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)生。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)中主要硬件：

圖1 系統(tǒng)基本組成圖

圖2 控制器原理框圖

方位步進(jìn)電機(jī)：五相混合式步進(jìn)電機(jī)，基本步距角0.72度，選配驅(qū)動(dòng)器最大細(xì)分256，本系統(tǒng)選用10倍細(xì)分，驅(qū)動(dòng)電壓選24v；

俯仰步進(jìn)電機(jī)：五相混合式步進(jìn)電機(jī)，基本步距角0.72度，選配驅(qū)動(dòng)器最大細(xì)分256，本系統(tǒng)選用10倍細(xì)分，驅(qū)動(dòng)電壓選24v；

中心處理器選：TI公司的TMS320F2812；

位置傳感器選用3600線增量式光電編碼器；

限位開關(guān)選用光電限位開關(guān)，俯仰和高低各兩個(gè)。

控制器用于完成微機(jī)伺服命令解釋，在位置反饋下實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的精確控制，主要包括：微機(jī)通訊接口、碼盤接口、碼盤信號(hào)處理、驅(qū)動(dòng)電機(jī)接口、TMS320F2812、電源等，其中控制主板接口全部采用光電隔離措施，控制器原理框圖見圖2所示。

其中，DSP作為核心處理器實(shí)現(xiàn)各種外圍功能和核心算法，F(xiàn)PGA配合DSP實(shí)現(xiàn)加減速控制，輸出脈沖信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器。編碼器的正交信號(hào)可以直接送給DSP的碼盤接口由DSP計(jì)數(shù)，也可送給FPGA進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后由DSP取，進(jìn)而減輕DSP的負(fù)擔(dān)，本系統(tǒng)的編碼器線數(shù)為3600線，4倍頻后是14400，小于DSP內(nèi)部編碼器期寄存器的計(jì)數(shù)范圍，所以本系統(tǒng)直接采用DSP自帶編碼器器接口實(shí)現(xiàn)碼盤位置信息的采集。

4.關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本控制系統(tǒng)為了達(dá)到較高的定位精度，還有具有較高的適用性，經(jīng)濟(jì)性和可靠性，在軟件方面做了如下關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)研究。

4.1 速度曲線

速度曲線，包含升速曲線和降速曲線，可以采取直線升速，但影響的快速性。比較來說，指數(shù)曲線是理想的速度曲線，與電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性相適應(yīng)。指數(shù)速度曲線見圖3。

假設(shè)曲線分100段，最高速為15000P/s，以伺服系統(tǒng)的步距角為單位。

指數(shù)曲線：EXP(-n/50)

升速曲線：R=15000*(1-EXP(-n/50))

降速曲線：R=15000*EXP(-n/50)

經(jīng)過理論和試驗(yàn)分析，升速曲線性能可以，但降速曲線在高速時(shí)的降速加速度較大，而電機(jī)在高速時(shí)的力矩輸入較小，此時(shí)速度較高時(shí)容易出現(xiàn)失步的現(xiàn)象，所以把降速曲線設(shè)計(jì)為升速曲線的逆轉(zhuǎn)過程，經(jīng)過試驗(yàn)證明效果很好。另外因從靜止升速時(shí)指數(shù)曲線的的加速度較大，可以增加在低速階段的運(yùn)行時(shí)間以防止失步，同時(shí)也減小了停止時(shí)的過沖作用。

4.2 空回補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)

伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用渦輪渦桿，變速比60，具有自鎖定功能，并可以大大提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，但渦輪渦桿機(jī)構(gòu)的固有缺點(diǎn)，具有齒間隙，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的定位精度。為消除次間隙，系統(tǒng)配用3600線碼盤，進(jìn)行位置反饋。

空回產(chǎn)生原理說明：效果可以參考下圖，當(dāng)渦輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，渦輪蝸桿的咬合效果如圖，其中吃力面接觸，但另一面具有明顯的間隙，但要反轉(zhuǎn)時(shí)，首先要轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度克服間隙，然后才能帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 指數(shù)速度曲線

圖4 過沖振蕩處理程序流程

圖5 二軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成

空回補(bǔ)償可以在運(yùn)行整過程或運(yùn)行開始進(jìn)行或在運(yùn)行結(jié)束時(shí)進(jìn)行。原理是根據(jù)目標(biāo)位置abc_c_dest(在運(yùn)行開始時(shí)已經(jīng)計(jì)算好的)與當(dāng)前位置abc_c(需要根據(jù)碼盤返回值實(shí)時(shí)校正的)的差值在PWM中斷中實(shí)時(shí)更新Pcount，(將要運(yùn)行的脈沖步數(shù))，如果不用空回補(bǔ)償則此式只計(jì)算一次。

PIY.p_count=| PIY.abc_c_dest-PIY.abc_c|

下面就這三種方法進(jìn)行分析：

1)運(yùn)行整過程

在一個(gè)運(yùn)行指令的啟動(dòng)到停止實(shí)時(shí)計(jì)算校正abc_c和Pcount。在低速時(shí)，小于30°/s時(shí)，沒有明顯問題，轉(zhuǎn)臺(tái)停止時(shí)仍在可接受的低速停止，沒有突然停止的感覺。但高于30°/S時(shí)，就有突然停止的感覺（停止的速度仍然較高），且速度越高現(xiàn)象越明顯。而這種現(xiàn)象在搖桿模式和內(nèi)部的定位控制（預(yù)置位、掃描、搜索模式）相比，也不同，其中搖桿模式時(shí)的現(xiàn)象更明顯（內(nèi)部停止處理不同），定位控制時(shí)不明顯。所以，目前程序的處理在內(nèi)部定位控制時(shí)，采用全程實(shí)時(shí)計(jì)算，但搖桿模式和自動(dòng)跟蹤模式時(shí)，不進(jìn)行補(bǔ)償。

2)開始階段

全程校正abc_c，當(dāng)在只降速之前進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算Pcount時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)慢速停止，停止后反向運(yùn)行，現(xiàn)象非常明顯。說明在減速段已經(jīng)過沖了，只是此時(shí)不根據(jù)碼盤校正的abc_c計(jì)算Pcount，所以就慢速停止。后由于過沖和振蕩補(bǔ)償，轉(zhuǎn)臺(tái)再次方向運(yùn)行到目標(biāo)位置處。

3)結(jié)束階段

全程校正abc_c，當(dāng)在只降速之后進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算Pcount時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)在較高速度處停止。此時(shí)，Pcount是一個(gè)很大的負(fù)數(shù)，說明Pcount是突然變?yōu)橐粋€(gè)較大負(fù)數(shù)的。

在建筑裝飾裝修當(dāng)中，常用的清潔能源主要有地?zé)崮茉础⑻柲芘c風(fēng)能等。地球表面空氣流動(dòng)速率的不斷加快，產(chǎn)生動(dòng)能，最終形成了風(fēng)能，合理應(yīng)用風(fēng)能，對生態(tài)環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生任何污染。太陽能資源是現(xiàn)階段全球應(yīng)用最廣泛的自然能源之一，能夠?qū)崿F(xiàn)免費(fèi)應(yīng)用，不必進(jìn)行運(yùn)輸，應(yīng)用價(jià)值特別高。在建筑室內(nèi)裝飾裝修設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，設(shè)計(jì)人員還要科學(xué)應(yīng)用地?zé)崮茉?，減少生態(tài)污染的產(chǎn)生。

經(jīng)過以上分析，針對各種模式都采用碼盤反饋補(bǔ)償空回的方案，采用了在降速的最后1/3段，實(shí)時(shí)校正計(jì)算abc_c，全程通過目標(biāo)位置和但前abc_c計(jì)算Pcount，的處理方式，經(jīng)過試驗(yàn)，在高速和低速時(shí)效果都不錯(cuò)。

4.3 過沖振蕩處理

轉(zhuǎn)臺(tái)因?yàn)閼T性的存在，在停止時(shí)，會(huì)出現(xiàn)振蕩和過沖現(xiàn)象。為提高系統(tǒng)回歸和預(yù)置位精度，在一次運(yùn)行停止后等待100ms，等振蕩或過沖結(jié)束后系統(tǒng)最終靜止后，再次根據(jù)碼盤反饋數(shù)據(jù)和目標(biāo)位置比較，如果大于一定數(shù)值則啟動(dòng)新的運(yùn)行指令繼續(xù)運(yùn)行直到達(dá)到精度要求，此時(shí)一個(gè)“子運(yùn)行”過程結(jié)束，才處理下一個(gè)運(yùn)行指令。過沖振蕩處理程序流程圖見圖4。

4.4 速度反饋處理

對于步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，在沒有失步和堵轉(zhuǎn)的情況下，可以不采用速度反饋。而這些要求在實(shí)際中往往難以保證。為提高系統(tǒng)的適應(yīng)性，抗干擾性，防止在失步或堵轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)的嘯叫聲音，同時(shí)使系統(tǒng)可以繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，可采用速度反饋。

速度反饋的實(shí)現(xiàn)有兩種方案：碼盤位置的差分處理和PWM中斷中的同步檢測。

1)碼盤位置差分處理：采用定時(shí)器的定時(shí)采集位置數(shù)據(jù)，并取差，計(jì)算出速度。并與指令速度作比較，然后做相應(yīng)的處理。

2)PWM中斷中位置同步檢測：中斷一次，轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)走一步。計(jì)算中斷次數(shù)和碼盤的的位置差值，判斷是否失步或堵轉(zhuǎn)。在失步情況下，減速處理，在堵轉(zhuǎn)情況下，馬上停止。同時(shí)置故障標(biāo)志，并上傳。

4.5 失步補(bǔ)償檢測

1)在裝配階段，對機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行研磨校正，盡可能減小空回，這需要失步檢測。

2)在運(yùn)行階段，由于長期運(yùn)轉(zhuǎn)造成空回量增加引起失步，此時(shí)一方面要檢測到失步并上傳故障信息，同時(shí)對失步量進(jìn)行檢測補(bǔ)償，保證系統(tǒng)依然能夠正常運(yùn)行，不影響運(yùn)行效果。

3)當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常咔滯，無法轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)嚴(yán)重失步，此時(shí)上傳故障信息。具體失步檢測流程如附圖4所示。電機(jī)每轉(zhuǎn)N步，即根據(jù)碼盤反饋數(shù)值計(jì)算等效電機(jī)步數(shù)N1并判斷一次，如果偏差過大，大于K，則認(rèn)為電機(jī)失步，此時(shí)即根據(jù)失步程度采取降速處理，使其不至于出現(xiàn)脈沖速度與負(fù)載速度不匹配引起繼發(fā)性失步，同時(shí)把失步次數(shù)計(jì)數(shù)器T加1，并上傳失步故障，判斷T值是否大于3，即是否連續(xù)3次失步，如果是既認(rèn)為出現(xiàn)咔滯堵轉(zhuǎn)，停止運(yùn)行并上報(bào)故障信息，如果|N-N1|值偏差小于參量K，則認(rèn)為沒有失步，各標(biāo)志N，N1，T清零并重新進(jìn)行下一次判斷。

5.具體實(shí)例應(yīng)用效果

根據(jù)上述技術(shù)方案，設(shè)計(jì)二軸攝像轉(zhuǎn)臺(tái)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的所有算法都由DSP實(shí)現(xiàn)，一塊運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)對方位軸和俯仰軸的控制功能，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)控制模式，搖桿控制模式、預(yù)置位模式、掃描、搜索模式以及自動(dòng)跟蹤模式等，其中搖桿模式不需要很高的定位精度，所以采用開環(huán)控制，速度曲線采用指數(shù)加減速曲線，可以達(dá)到較高的運(yùn)行效果，預(yù)置位模式需要很高的定位精度，所以采用模糊控制，加上空回補(bǔ)償、停止過沖補(bǔ)償以及碼盤反饋，各種模式下都采用失步檢測功能。系統(tǒng)成本低，定位精度高，適應(yīng)性好，性價(jià)比高。二軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成見圖5。

本系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)指標(biāo)：

最大方位回轉(zhuǎn)速度 ≥ 60°/s

最小方位回轉(zhuǎn)速度 ≤ 0.1°/s

最大俯仰回轉(zhuǎn)速度 ≥ 60°

最小俯仰回轉(zhuǎn)速度 ≤ 0.1°/s

最大工作角加速度 ≥ 60°/s2

回歸與預(yù)置位精度 ≤ 0.06°

功能上全部實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所要求的功能，并且控制方式更加靈活，可靠性更高。

6.結(jié)束語

本文介紹的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，控制靈活性好，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。本系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于多種視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)踐表明，按照此方案進(jìn)行的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，成本低，精度高，自適應(yīng)能力強(qiáng)，可靠性高，具有在相關(guān)領(lǐng)域推廣的價(jià)值。

[1]蘇奎峰,呂強(qiáng),陳圣儉.TMS320F2812原理與開發(fā)[M].電子工業(yè)出版社,2005,4．

[2]史敬灼.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服控制技術(shù)[M].科學(xué)出版社,2006,7.