李啟丙

摘 ?要：文章為非連續(xù)大氣偏振觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理芯片作為控制核心，利用位置式高精度角度編碼器，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣觀測(cè)系統(tǒng)的位置高精度測(cè)量，采用電源隔離技術(shù)，降低了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)攝像機(jī)圖像的電磁干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該精密控制系統(tǒng)運(yùn)行位置伺服精度在0.002 °范圍內(nèi)，滿足大氣偏振觀測(cè)系統(tǒng)定位測(cè)量要求。

關(guān)鍵詞：硬件設(shè)計(jì);數(shù)字信號(hào)處理;角度編碼器;電源隔離

中圖分類號(hào)：TN702 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006-8937（2016）26-0009-02

1 ?概 ?述

本文研究設(shè)計(jì)一套非連續(xù)全天空偏振觀測(cè)系統(tǒng)的硬件電路，該系統(tǒng)配合軟件以實(shí)現(xiàn)全天空的非連續(xù)偏振模式觀測(cè)，獲取天空偏振模式隨時(shí)間的變化，為尋找大氣中性點(diǎn)提供數(shù)據(jù)支撐;并利用大氣中性點(diǎn)實(shí)現(xiàn)地表-大氣信息分離。

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)立體空間精密定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用位置式高精度角度編碼器作為轉(zhuǎn)臺(tái)位移檢測(cè)工具，采用了位置環(huán)和速度環(huán)共同組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該精度定位系統(tǒng)運(yùn)行位置伺服精度<0.002 °，滿足大氣偏振觀測(cè)系統(tǒng)的伺服精度要求。

2 ?控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ?系統(tǒng)框圖

非連續(xù)大氣偏振觀測(cè)控制系統(tǒng)框，如圖1所示。控制系統(tǒng)包含數(shù)字信號(hào)處理電路模塊、強(qiáng)弱電隔離模塊、電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)模塊、位置檢測(cè)模塊。主控電路模塊以TI的DSP芯片TMS28335為核心，其外圍電路主要包括：電源模塊電路、JTAG接口電路、外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、串行通信接口電路、脈沖量、模擬量控制接口、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路。功率驅(qū)動(dòng)電路包括逆變器主電路、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路等。位置檢測(cè)模塊主要包括霍爾信號(hào)接口電路和增量式編碼器接口電路。

2.2 ?電源電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電源框圖，如圖2所示，為了減少電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)相機(jī)、DSP芯片的干擾，特通過濾波模塊將輸入24V電源隔離成3組電源。如圖3所示。

對(duì)DSP芯片的電源設(shè)計(jì)，考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，TMS2833芯片對(duì)電源的上電順序有一定要求[1]。1.8V的內(nèi)核電壓先于外部IO電壓建立，因此我們選用帶有使能控制的電源芯片TPS75801和TPS75833。電路圖，如圖4所示。VCC1V8的電壓穩(wěn)定建立之后，Q2導(dǎo)通，Q1截止，使得TPS75833的使能端EN為高電平，TPS75833才開始工作，VCC3 V3端才能輸出3.3 V的電壓。

2.3 ?電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)分別對(duì)方位電機(jī)、仰角電機(jī)和相機(jī)電機(jī)三個(gè)電機(jī)進(jìn)行控制，為精確定位，三個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)均采用帶PWM控制功能的芯片實(shí)現(xiàn)[2]。

對(duì)于方位電機(jī)和仰角電機(jī)使用的是同一型號(hào)的電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)電流峰值達(dá)6 A，考慮電路的簡(jiǎn)單，所以采用TI的DRV8412芯片。TI公司的DRV8412是集成了先進(jìn)保護(hù)系統(tǒng)的高性能雙路全橋馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，功率級(jí)的效率高達(dá)成協(xié)97%。DRV8412雙路全橋模式2x3A或并聯(lián)6A連續(xù)模式，PWM頻率高達(dá)500 kHz，主要用于無(wú)刷DC和步進(jìn)馬達(dá)，三相永磁同步馬達(dá)等驅(qū)動(dòng)[3]。電路，如圖5所示。

相機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流較小，選用芯片體積較小的DRV8837芯片。DRV8837為攝像機(jī)、消費(fèi)類產(chǎn)品、玩具和其它低電壓或者電池供電的運(yùn)動(dòng)控制類應(yīng)用提供了一個(gè)集成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器解決方案[4]。 此器件能夠驅(qū)動(dòng)一個(gè)直流電機(jī)或其他諸如螺線管的器件。 輸出驅(qū)動(dòng)器塊由一個(gè)配置為H橋的N通道功率MOSFET 組成，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組。 一個(gè)內(nèi)部電荷泵生成所需的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。DRV883x能夠提供高達(dá)1.8 A的輸出電流。電路，如圖6所示。

2.4 ?信號(hào)的隔離電路

由于此系統(tǒng)是一個(gè)光機(jī)電系統(tǒng)，為減少信號(hào)之間的干擾，采用ADI公司的磁耦芯片ADuM240X系列。ADuM240X系列是采用ADI公司iCoupler技術(shù)的四通道數(shù)字隔離器。它將高速CMOS與單芯片空芯變壓器技術(shù)融為一體，具有優(yōu)于光耦合器等替代器件的出色性能特征。iCoupler 器件的功耗只有光耦合器的1/10至1/6，均可采用2.7 V至5.5 V電源電壓工作，與低壓系統(tǒng)兼容，并且能夠跨越隔離柵實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換功能設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單[5]。電路，如圖7所示。

3 ? 系統(tǒng)定位性能測(cè)試

由于其特殊的應(yīng)用，對(duì)于高精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)，位置伺服精度是最重要的指標(biāo)之一，應(yīng)該達(dá)到±0.002 °，為此進(jìn)行了伺服工作試驗(yàn)。根據(jù)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，由上位機(jī)發(fā)出位置控制。根據(jù)編碼器實(shí)際返回值來(lái)確認(rèn)當(dāng)前位置，測(cè)試位置伺服誤差數(shù)據(jù)，見表1。伺服誤差均值大致為0，誤差在以±0.002 °內(nèi)。達(dá)到了精度±0.002 °的要求。

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

本控制系統(tǒng)采用位置式高精度角度編碼器作為轉(zhuǎn)臺(tái)位移檢測(cè)工具，采用了位置和速度雙閉環(huán)PID控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)滿足控制要求，伺服精度在度范圍內(nèi)。滿足大氣偏振觀測(cè)系統(tǒng)的伺服精度測(cè)量要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬杰.小型直流電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

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[3] DRV84x2 Dual Full-Bridge PWM Motor Driver[R].Texas Instrument

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[4] DRV8837 LOW-VOLTAGE H-BRIDGE IC [R]. Texas Instruments，

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