李凌杰，陳菲菲，易文軒

(華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 引言

近年來(lái)掃描型紅外焦平面探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展和器件的產(chǎn)品化及國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程引人注目，在熱像儀市場(chǎng)中占有不小的份額。目前的掃描型紅外焦平面熱成像系統(tǒng)大多采用焦平面探測(cè)器結(jié)合一維光機(jī)掃描的方式，掃描器是整個(gè)光機(jī)掃描中的核心組件。

以國(guó)外GSI公司的G120掃描器為例，該掃描器是通用型掃描器，體積大、功耗大、成本和維修維護(hù)費(fèi)用高，并且由于是標(biāo)準(zhǔn)貨架產(chǎn)品，不利于熱成像系統(tǒng)的集成。而國(guó)產(chǎn)掃描器主要針對(duì)激光打標(biāo)市場(chǎng)，同樣存在體積、功耗、環(huán)境適應(yīng)性達(dá)不到要求，成本較高等一系列問(wèn)題。為了降低成本，減小功耗、體積，提高產(chǎn)品本身功能、外型的可塑性，提高環(huán)境適應(yīng)性，本文設(shè)計(jì)完成了采用雙閉環(huán)反饋的高速掃描控制伺服系統(tǒng)，并在較低功耗下達(dá)到了掃描頻率50 Hz、機(jī)械角度 ±10°、掃描效率85%的性能要求。

2 伺服控制原理

整個(gè)伺服控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

圖1 控制原理框圖

整個(gè)伺服控制系統(tǒng)共完成了四個(gè)閉環(huán)反饋，包括角度信號(hào)的反饋、AGC電流分量的反饋、電機(jī)電流信號(hào)反饋和電機(jī)速度信號(hào)反饋［1］。其中角度信號(hào)的反饋及AGC電流分量的反饋屬于功能性反饋，是完成閉環(huán)控制和電機(jī)內(nèi)部電路要求所必須的，而電機(jī)電流信號(hào)和電機(jī)速度信號(hào)的雙閉環(huán)控制引入有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。這種雙閉環(huán)控制配合經(jīng)典PID的控制方法在很大程度上保證了伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性［2］。

2.1 角度位置信號(hào)檢測(cè)

由于從振鏡電機(jī)內(nèi)部的光電式位置傳感器返回的是微弱電流信號(hào)，因而需要經(jīng)過(guò)角度檢測(cè)模塊電路做信號(hào)調(diào)理，將其轉(zhuǎn)換為真實(shí)的角度位置信號(hào)。同時(shí)將角度位置信號(hào)一分為二，一路與輸入信號(hào)進(jìn)行差分放大并將結(jié)果做為PID控制模塊的輸入;另一路則經(jīng)過(guò)AGC控制模塊變?yōu)殡娏餍盘?hào)反饋回振鏡電機(jī)，與光電式位置傳感器輸出的微弱電流信號(hào)形成一個(gè)小的閉環(huán)。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路

對(duì)誤差信號(hào)采用PID控制方法，即由比例放大、積分和微分三部分構(gòu)成。比例放大部分直接作用于誤差信號(hào)，將其放大或縮小后送入后端，直接對(duì)電機(jī)的偏差大小產(chǎn)生作用;積分部分則對(duì)過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)的整體全局性偏差做出反應(yīng);微分部分對(duì)突然出現(xiàn)的瞬態(tài)快速錯(cuò)誤做出快速響應(yīng)。實(shí)際調(diào)試時(shí)給伺服控制系統(tǒng)加入階躍信號(hào)或周期較長(zhǎng)的方波信號(hào)，根據(jù)反饋波形的變化確定PID三部分的參數(shù)，及在整個(gè)控制信號(hào)中各自所占比例的大小，排除飽和失真等原因引起的振蕩，確保系統(tǒng)平穩(wěn)快速運(yùn)行。對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)而言，P和D的影響較I要更為迅速明顯［3］。

雙閉環(huán)控制的來(lái)源是對(duì)實(shí)際流過(guò)電機(jī)的電流進(jìn)行采樣后得來(lái)的，分為轉(zhuǎn)速反饋和電流環(huán)反饋兩部分［4］。

轉(zhuǎn)速微分反饋校正電路。在電機(jī)中由于電機(jī)電流與電機(jī)轉(zhuǎn)軸的加速度成正比，在控制中首先要對(duì)實(shí)際流過(guò)電機(jī)的電流進(jìn)行采樣，然后用積分電路對(duì)電機(jī)電流的采樣信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，從而得到電機(jī)的速度信號(hào)，在經(jīng)過(guò)一定的轉(zhuǎn)換就得到了表征電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度微分量的信號(hào)，將其反饋至增益放大模塊的輸入端，做為系統(tǒng)的高頻阻尼源;同時(shí)由PID控制模塊中的誤差微分電路為系統(tǒng)提供低頻阻尼源［5］。調(diào)節(jié)高、低頻阻尼源使伺服控制系統(tǒng)工作于臨界阻尼狀態(tài)，進(jìn)而獲得良好的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)性能。其次由于轉(zhuǎn)速微分反饋校正電路的帶寬正比與系統(tǒng)的響應(yīng)速度，帶寬約大響應(yīng)速度越快，調(diào)節(jié)這部分電路的帶寬就可以相應(yīng)地改善系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

電流環(huán)反饋校正電路。將流過(guò)電機(jī)的電流采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)近似微分電路后，反饋至功率放大模塊電路的輸入端，由其給系統(tǒng)提供反映電機(jī)電流的變化趨勢(shì)，并使反饋電流超前一定的相位，以補(bǔ)償電機(jī)線圈電感對(duì)電流的滯后作用。保證控制信號(hào)對(duì)功率放大器輸出電流的線性控制。

2.3 陷波濾波電路

濾波模塊電路是為了在必要的時(shí)候削弱由電機(jī)轉(zhuǎn)子和所裝載鏡片引起的扭轉(zhuǎn)共振影響，提高整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度。掃描器振鏡系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)共振頻率可以理解為一種電機(jī)轉(zhuǎn)子的扭曲、翹曲，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)工作在足夠大的帶寬或足夠快的速度時(shí)，這種扭曲將使伺服系統(tǒng)處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，甚至振蕩，這就是需要采用濾波模塊電路的原因，也是該部分電路所要完成的功能。

2.4 功率放大電路

功率放大模塊電路圖如圖2所示，設(shè)計(jì)中使用了國(guó)家半導(dǎo)體公司的高性能功率放大器LM3886TF，采用負(fù)反饋、單端驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方式，功放的輸出端接到電機(jī)正極，電機(jī)負(fù)極直接接地［6］。在功放輸出端和電機(jī)正極之間串連一個(gè)5 A的快速熔斷保險(xiǎn)絲，防止異常情況下電流過(guò)大損壞電機(jī)。

圖2 功率放大模塊電路

3 掃描器性能測(cè)試與比較

3.1 傳統(tǒng)的大小信號(hào)性能測(cè)試

利用幅值不同的50 Hz方波信號(hào)做為輸入信號(hào)，主要測(cè)試掃描器的響應(yīng)速度及準(zhǔn)確度和角度較大時(shí)的SOF(安全工作區(qū)域)。

3.1.1 小信號(hào)測(cè)試

系統(tǒng)引入頻率50 Hz，峰峰值1 V，以0 V為中心的方波信號(hào)。調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中的P、I、D、帶寬及高頻阻尼源電位器，使系統(tǒng)處于臨界阻尼狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 小信號(hào)測(cè)試

圖3中ch3和ch1分別是輸入和輸出信號(hào)，示波器顯示兩路信號(hào)Scale均為500 mv/div，時(shí)間軸為4 ms/div。從波形上觀察，響應(yīng)時(shí)間約為1.6 ms，波形的上升沿、下降沿平滑，沒(méi)有超調(diào)現(xiàn)象，系統(tǒng)處于臨界阻尼狀態(tài)，達(dá)到小信號(hào)設(shè)計(jì)要求。

3.1.2 大信號(hào)測(cè)試

系統(tǒng)引入頻率50 Hz，峰峰值10 V，以0 V為中心的方波信號(hào)。調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中的P、I、D、帶寬及高頻阻尼源電位器，使系統(tǒng)處于臨界阻尼狀態(tài)，如圖4。圖4中ch3和ch1分別是輸入和輸出信號(hào)，示波器顯示兩路信號(hào) Scale均為5 v/div，時(shí)間軸為4 ms/div。從波形上觀察，響應(yīng)時(shí)間約為1.6 ms，波形的上升沿、下降沿平滑，沒(méi)有超調(diào)現(xiàn)象，系統(tǒng)處于臨界阻尼狀態(tài)，達(dá)到大信號(hào)設(shè)計(jì)要求。

圖4 大信號(hào)測(cè)試

3.2 同類產(chǎn)品比較測(cè)試

在比較測(cè)試中，比較對(duì)象選用目前幀頻為50 Hz的熱像儀中普遍用到的GSI公司G 120掃描器。將實(shí)際熱像儀應(yīng)用的鋸齒波信號(hào)輸入到 GSI公司的G 120掃描器和自研的掃描器中，主要從響應(yīng)時(shí)間、線性度、功耗等方面比較。輸入信號(hào)為50 Hz的鋸齒波，由于兩個(gè)掃描器的輸入輸出增益比例不同，故G 120輸入波形的峰峰值為3 V，自研掃描器輸入波形的峰峰值為20 V，但兩個(gè)掃描器實(shí)際擺動(dòng)機(jī)械角度相同，均為±10°。圖5、圖6中橫軸方向均為4 ms/div。對(duì)比兩幅波形圖可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)掃描器在線性度方面都很不錯(cuò)，但是圖6中回程時(shí)間明顯為一格即4 ms，而圖5中的回程時(shí)間僅為2.6 ms。參數(shù)對(duì)比如表1所示。

圖5 自研掃描器

圖6 G120掃描器

表1 參數(shù)對(duì)比

圖7為使用了自研掃描器的實(shí)際紅外圖像，圖像穩(wěn)定，整個(gè)畫面線性度良好。圖8是為了與圖7做對(duì)比，仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)圖8右側(cè)的電烙鐵處有明顯鋸齒，其原因就是掃描器在該處的掃描線性不好所致，因而對(duì)于成像質(zhì)量來(lái)說(shuō)掃描線性是非常重要的。

圖7 自研掃描器實(shí)際掃描成像

圖8 線性較差圖像

具體控制電路及電機(jī)體積大小的比較如圖9所示。自研的掃描器在這兩方面均優(yōu)于G120掃描器，而實(shí)際成本僅為G120掃描器的1/4。

圖9 實(shí)物大小比較

3 總結(jié)

綜上所述，通過(guò)掃描器自身性能的縱向比較即大小信號(hào)測(cè)試，以及與同類產(chǎn)品在各方面的橫向比較，證明采用了雙閉環(huán)反饋結(jié)合PID控制模式和動(dòng)磁式光電振鏡電機(jī)的自研掃描器各項(xiàng)指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)要求。在掃描型熱成像領(lǐng)域，做為一款高速、大角度掃描的自研掃描器，在降低成本，減小功耗、體積，提高產(chǎn)品本身功能、外型的可塑性，提高環(huán)境適應(yīng)性等方面填補(bǔ)了空白。

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