秦學(xué)富　張兵　章艷艷

【摘要】：本設(shè)計采用技術(shù)成熟的混合步進電機和RS485總線技術(shù)，針對光電跟蹤系統(tǒng)高速轉(zhuǎn)臺特點，設(shè)計位置、速度環(huán)控制算法，采用先進電機控制技術(shù)，實現(xiàn)全數(shù)字化控制，轉(zhuǎn)臺具有高速穩(wěn)定、速度和定位精度高特點。

【關(guān)鍵詞】：光電跟蹤；步進電機；DSP；寬調(diào)速比

1 引言

伺服系統(tǒng)經(jīng)歷了從液壓到機電，從模擬控制到數(shù)字控制，從集中式到分布式發(fā)展歷程，這些發(fā)展使得伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、安全性等各方面得到了很大的改進，現(xiàn)代控制技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于伺服控制系統(tǒng)的各個設(shè)計環(huán)節(jié)，本文以某光電跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)實現(xiàn)說明設(shè)計方法。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

本伺服系統(tǒng)采用RS485總線和全數(shù)字閉環(huán)控制，由控制器、功率放大器、步進電機及減速器、位置、速度傳感器、轉(zhuǎn)臺等組成。伺服系統(tǒng)組成如圖1所示。

由于跟蹤平臺對速度控制精度要求非常高，單純依靠脈沖頻率控制步進電機來實現(xiàn)平臺速度存在一定風(fēng)險，本文通過設(shè)計位置和速度雙閉環(huán)控制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺定位精度和速度精確控制功能。

3 系統(tǒng)各組成部分及工作原理

系統(tǒng)主要由控制模塊、驅(qū)動模塊和位置速度檢測模塊和執(zhí)行機構(gòu)組成?？刂颇K主要功能是控制狀態(tài)運動，主控電路根據(jù)接收到終端控制命令進行解釋，獲取轉(zhuǎn)臺角度信息，將終端給定的目標角度與采集到轉(zhuǎn)臺實時角度進行比較運算處理，得到角度誤差值，DSP通過運算輸出控制信號經(jīng)驅(qū)動芯片后輸出控制電機旋轉(zhuǎn)，電機旋轉(zhuǎn)帶動轉(zhuǎn)臺向目標角度方向運動，完成轉(zhuǎn)臺運動控制。主控電路通過I/O口讀取驅(qū)動芯片狀態(tài)，將轉(zhuǎn)臺角度信息和驅(qū)動芯片工作狀態(tài)數(shù)據(jù)綜合處理后打包發(fā)送終端。

3.1 控制模塊

控制器核心為主控電路，控制核心采用TMS320F2812 DSP處理器，具有電機控制事件管理器模塊，主控電路通過可編程邏輯器件實現(xiàn)數(shù)據(jù)總線和接口電路轉(zhuǎn)換，大大節(jié)省外圍器件數(shù)量。

3.2 功率驅(qū)動模塊

功率驅(qū)動模塊主要由功率驅(qū)動芯片及外圍電路組成，在DSP的信號控制下，輸出步進電機控制信號，完成功率驅(qū)動功能。

4 系統(tǒng)各功能模塊實現(xiàn)

4.1 伺服控制器模塊設(shè)計

伺服控制模塊主要由2812 DSP和大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷M成，主要實現(xiàn)為DSP最小電路和CPLD接口電路，DSP通過485接口與終端進行通訊，DSP通過I/O口讀取驅(qū)動芯片狀態(tài)信號并輸出控制信號。

4.2 功率驅(qū)動模塊設(shè)計

功率驅(qū)動模塊采用THB6064步進電機集成驅(qū)動芯片，該芯片具有工作電壓寬，輸出電流大、導(dǎo)通電阻小、可精細化細分等特點，具有自動半流鎖定功能，4檔衰減方式可選，內(nèi)部集成溫度保護和過流保護功能，非常適合步進電機控制。芯片衰減和細分可實時數(shù)字控制，非常適合應(yīng)用于調(diào)速范圍寬、加減速頻繁使用環(huán)境。

4.3 位置檢測模塊設(shè)計

位置檢測模塊采用開關(guān)速度快，檢測寬度小的微型光電開關(guān)，在方位和俯仰上分別設(shè)置零度檢測和上、下限位檢測裝置。當(dāng)轉(zhuǎn)臺上電或重啟時，先尋找零位，實現(xiàn)位置閉環(huán)控制。

4.4 速度檢測模塊設(shè)計

位置和速度檢測模塊共用，轉(zhuǎn)臺運動時，通過比較撥片兩次通過位置檢測裝置時間，即可得到轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動速度。

5 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)方位、俯仰運動控制方式和算法都在DSP內(nèi)使用軟件代碼實現(xiàn)，采軟件用C語言編寫，C語言具有可讀性高，易于移植、繼承等優(yōu)點。

伺服控制模塊軟件主要由4部分組成：初始化模塊，角度、速度狀態(tài)采集模塊，通訊模塊、平臺運動控制模塊。軟件模塊組成如圖2所示，

軟件設(shè)計核心是轉(zhuǎn)臺伺服控制模塊軟件設(shè)計，該模塊完成轉(zhuǎn)臺所有運動控制方式。

5.1 軟件設(shè)計流程圖

伺服控制模塊軟件設(shè)計流程如圖3所示：

對于高速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺，為避免轉(zhuǎn)臺造成較大沖擊，達到保護轉(zhuǎn)臺，對轉(zhuǎn)臺角加速度要進行限制，跟蹤系統(tǒng)既要求高動態(tài)性能，又希望系統(tǒng)越穩(wěn)定越好，因此在一個輸入量，一個輸出量的控制系統(tǒng)，位置校正網(wǎng)絡(luò)采用PID調(diào)節(jié)控制，在轉(zhuǎn)臺中只采用比例控制。比例項越大，控制精度越高，靈敏度越高，系統(tǒng)穩(wěn)定性越差；反之比例項越小，精度越低，穩(wěn)定性越好。但本系統(tǒng)要求較高動態(tài)性能，為同時滿足高動態(tài)性能又不對轉(zhuǎn)臺造成較大沖擊。為避免轉(zhuǎn)臺高速轉(zhuǎn)動造成較大沖擊，為此需對驅(qū)動芯片頻率給定控制曲線做修改。

5.2 頻率給定控制

頻率給定控制是本系統(tǒng)軟件設(shè)計核心，軟件設(shè)計按如下設(shè)計思想設(shè)計：

Δθ：誤差角度，Δθmin：控制最小角度，Δθmax控制最大角度。

當(dāng)Δθ<Δθmin ：電機直接最大啟動頻率運行，控制曲線1模式。

當(dāng)Δθmin<Δθ< Δθmax：頻率給定控制按控制曲線2進行，即電機以直接最大啟動頻率運行后加速到最大連續(xù)運行頻率后再頻率減到最大直接啟動頻率。

功率驅(qū)動芯片受伺服控制模塊控制，采用速度控制模式，驅(qū)動轉(zhuǎn)臺電機按給定速度轉(zhuǎn)動，通過軟件實時控制衰減和細分方式以獲得更好的寬調(diào)速比性能，合理解決轉(zhuǎn)臺低速平穩(wěn)運行，使電機的加速度得到限制、減緩啟動、制動過程，保證平臺平穩(wěn)運行，完全滿足轉(zhuǎn)臺既要求較高動態(tài)性能又能防止轉(zhuǎn)臺造成較大沖擊要求。

5.3 位置檢測模塊軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電或重啟后，在程序運行的初始化程序中檢測轉(zhuǎn)臺位置，工作過程如下：方位順時針運動，檢測到零位時，方位停止，將此位置角度標記為零度；俯仰運動一個來回，即可計算出上電初始位置角度。

6 結(jié)束語

本文通過位置、速度環(huán)閉環(huán)控制，針對光電跟蹤平臺要求較高動態(tài)性能特點對控制器速度環(huán)提出兩種頻率控制曲線，合理配置衰減和細分模式，解決平臺高動態(tài)性能要求下防止平臺造成較大沖擊問題。本系統(tǒng)設(shè)計已應(yīng)用于某型光電跟蹤系統(tǒng)電子設(shè)備的伺服控制，具有控制算法簡潔、定位和速度精度高等特點。

參考文獻

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