孔令波，張　斌，孟浩然，吳慶林，李玉霞

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院大學，北京 101400)

基于DSP的主動光學力促動器控制系統(tǒng)設計

孔令波1,2，張斌1，孟浩然1，吳慶林1，李玉霞1

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院大學，北京 101400)

摘要:針對步進電機型力促動器，設計了一種基于DSP的力促動器控制系統(tǒng)，并進行了測試。系統(tǒng)以TMS320F28069型DSP作為主控制器，采用ADS1259高精度A/D轉(zhuǎn)換器采集傳感器LoadCell輸出力信號，通過DSP片上PWM模塊輸出電機控制脈沖給電機細分驅(qū)動芯片TMC389，驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，形成力控制閉環(huán)。系統(tǒng)軟件采用PID控制算法來校正力促動器輸出偏差，并給出了控制程序流程圖。實驗測試結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)具有良好的響應特性和較強的抗干擾能力，滿足主動光學實驗系統(tǒng)的要求。

關(guān)鍵詞：主動光學；力促動器；控制系統(tǒng)；力傳感器

0引言

主動光學技術(shù)是現(xiàn)代大口徑望遠鏡系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。主動光學系統(tǒng)是一個以實時校正望遠鏡重力變形和熱變形為目的的光學閉環(huán)系統(tǒng)，主要由波前傳感器、計算機系統(tǒng)和力促動器控制系統(tǒng)組成[1,2]。

力促動器作為主動光學系統(tǒng)的施力元件，要求其出力精度要達到mN級，且在幾分鐘甚至十幾分鐘的時間內(nèi)具有很高的穩(wěn)定性。電機+絲杠結(jié)構(gòu)的力促動器具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便等優(yōu)點，在國內(nèi)外望遠鏡系統(tǒng)中均已有成功應用，如歐洲南方天文臺的VLT望遠鏡[3]和國內(nèi)的LAMOST望遠鏡[4]等。一般直流電機型力促動器需要配置位置傳感器，這種方式便于系統(tǒng)控制，但增加了系統(tǒng)的復雜度；步進電機型力促動器充分利用步距角固定的特點，無需外部位置傳感器即可實現(xiàn)力的平穩(wěn)調(diào)節(jié)[5]。

為了滿足面形校正力的高精度、高穩(wěn)定性要求，針對步進電機型力促動器，本文設計了以DSP為主控芯片的力促動器閉環(huán)控制系統(tǒng)，并進行了力促動器輸出力控制實驗，得到了較理想的實驗結(jié)果。

1系統(tǒng)組成與工作原理

力促動器由步進電機、機械傳動機構(gòu)、彈簧單元和LoadCell傳感器組成，機械傳動機構(gòu)主要由諧波減速器和絲杠組成，它將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，壓縮或拉伸彈簧單元產(chǎn)生校正力。如圖1所示，力促動器控制系統(tǒng)采用DSP作為主控芯片，產(chǎn)生電機需要的控制信號，信號經(jīng)過驅(qū)動器功率放大后輸出給步進電機，控制電機轉(zhuǎn)動。為了實現(xiàn)校正力的精確控制，用力傳感器將力促動器的實際出力值采集回控制器，形成力閉環(huán)控制。

圖1　力促動器控制系統(tǒng)Fig 1　Force actuator control system

2系統(tǒng)硬件設計

力促動器的電控系統(tǒng)以TI公司的TMS320F28069型DSP為核心，通過外擴高精度A/D芯片采集力信號，然后經(jīng)過算法校正輸出控制信號給電機驅(qū)動器，控制電機轉(zhuǎn)動。

2.1電機控制+驅(qū)動電路設計

步進電機控制驅(qū)動電路如圖2所示。系統(tǒng)以TMS320F28069型DSP為控制核心，該控制器集成了豐富的片上外設，能夠滿足電機控制和通信等系統(tǒng)需求。電機驅(qū)動采用TMC389+MOSFET三相橋電路的方案[6]，TMC389是三相步進電機細分驅(qū)動芯片，它最多可細分為256微步，TMC389集成有SPI接口，可用來與DSP通信。當TMC389接收到一個脈沖信號時，就控制電機向前轉(zhuǎn)動一個微步，控制脈沖信號頻率便可控制電機轉(zhuǎn)動速度。TMC389的控制脈沖由DSP的PWM模塊產(chǎn)生，除此之外，控制器還將產(chǎn)生驅(qū)動器使能信號和電機旋轉(zhuǎn)方向信號。

圖2　步進電機控制驅(qū)動電路Fig 2　Driving circuit of stepper motor

2.2力信號采集電路設計

力促動器中應用的測力單元為美國Celtron公司生產(chǎn)的高精度測力元件LoadCell，通過柔性桿和彈簧部分相連，其型號為STC—50KgAL。

由于傳感器輸出電信號很小，且耦合有高頻噪聲，傳感器信號必須經(jīng)放大濾波后才能送給A/D轉(zhuǎn)換器[7,8]，如圖3所示。A/D轉(zhuǎn)換芯片選用ADS1259，具有24 bit分辨率，通過SPI總線與DSP通信。

圖3　力信號采集電路Fig 3　Force signal acquisition circuit

3系統(tǒng)軟件設計

3.1PID控制算法設計

力促動器控制系統(tǒng)是一個力閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)控制算法采用PID控制算法。PID控制器由于其結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)整定方便，是目前技術(shù)最成熟、應用最廣泛地調(diào)節(jié)器[9,10]。在數(shù)字系統(tǒng)中，PID控制算法可表示為

e(k-1)]}

(1)

式中u(k)為控制器輸出，KP,KI,KD為控制器參數(shù)，T為系統(tǒng)采樣周期，e(k)為第k次采樣時偏差信號。

在力促動器控制系統(tǒng)中，采集力促動器實際輸出力值，將其與力設定值的差值作為PID控制器的輸入偏差信號，控制器輸出u(k)作為PWM輸出脈沖頻率控制電機轉(zhuǎn)動。系統(tǒng)采樣周期設定為1 ms。

3.2系統(tǒng)程序設計

系統(tǒng)程序設計主要分為兩部分：AD采集程序設計，主目標是讓DSP能夠控制ADS1259進行力信號采集，并讀取采集數(shù)據(jù)；電機控制程序設計，主要目標是根據(jù)AD采集數(shù)據(jù)計算出電機控制脈沖頻率，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，矯正力促動器輸出誤差。

3.2.1AD采集程序設計

A/D轉(zhuǎn)換器ADS1259通過SPI總線與DSP控制器相連，接收控制器的配置指令并上傳AD采集數(shù)據(jù)。AD采集程序流程圖如圖4(a)所示，首先對時鐘、定時器、SPI總線接口、串口等外設進行初始化，然后根據(jù)工作需要配置ADS1259的工作模式，并啟動測量。當ADS1259完成一次測量后發(fā)出中斷請求，控制器進入SPI中斷讀取測量數(shù)據(jù)，并根據(jù)測量數(shù)據(jù)解算出校正力值，等待控制程序讀取。

3.2.2電機控制程序設計

電機控制程序的主要工作是根據(jù)力偏差信號計算出電機控制脈沖頻率，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，矯正力促動器輸出誤差，電機控制程序流程圖如圖4(b)所示。電機控制程序在定時器中斷中實現(xiàn)，定時器進入中斷的周期為系統(tǒng)采樣周期T=1 ms。系統(tǒng)進入中斷后，首先讀取SPI寄存器中的力測量值，求出力偏差信號，并將其作為PID控制器的輸入，計算電機控制量。得到PID控制器輸出后，據(jù)此改變PWM模塊的配置，從而控制PWM輸出脈沖頻率。

圖4　AD采集和控制程序流程圖Fig 4　Flow chart of AD acquisition and control program

4系統(tǒng)測試與結(jié)果

為了驗證所設計控制系統(tǒng)的性能，針對一種步進電機型力促動器進行了一系列的參數(shù)整定與測試，主要包括基于階躍響應的PID控制器參數(shù)整定、系統(tǒng)抗干擾能力測試。在實驗過程中，DSP控制板通過串口與上位機連接，以20 Hz的頻率將力促動器輸出力值上傳到上位機保存顯示。

4.1基于階躍響應的參數(shù)整定

首先根據(jù)10 N輸出力階躍響應對PID控制器參數(shù)進行了整定，確定PID控制器參數(shù)如下：KP=10，KI=1，KD=0。10 N輸出力階躍響應測試結(jié)果如圖5所示，結(jié)果表明，10 N階躍輸出力上升時間不超過1.25 s，且具有很小的超調(diào)。

圖5　10 N階躍響應Fig 5　10 N step response

PID控制器參數(shù)整定完成后，分別進行了系統(tǒng)大輸出力和小輸出力步進實驗。10 N和50 mN步進實驗曲線如圖6所示。實驗結(jié)果表明：當校正力變化較大時，該系統(tǒng)具有響應快、超調(diào)小的優(yōu)點；而當校正力在很小范圍內(nèi)變化時，該系統(tǒng)也能對其進行很好的跟蹤控制。

圖6　輸出力步進控制實驗Fig 6　Experiments of output force stepper control

4.2抗干擾能力測試

在力促動器的實際工作中，不可避免地存在許多擾動，如風載力矩和力促動器本身存在的非線性等。因此，為了保證系統(tǒng)可靠的工作，力促動器控制系統(tǒng)必須具備一定的抗干擾能力。在力促動器穩(wěn)定輸出100 N校正力的情況下，對其突加階躍擾動，力促動器并沒有出現(xiàn)震蕩等不穩(wěn)定情況，而是快速地恢復100 N穩(wěn)定輸出。再次對力促動器施加連續(xù)擾動，其輸出仍能在擾動消失后快速穩(wěn)定在設定輸出，如圖7所示。實驗表明，該力促動器控制系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力。

圖7　系統(tǒng)抗干擾測試結(jié)果Fig 7　Test result of system anti-interference

5結(jié)論

基于DSP的力促動器控制系統(tǒng)，利用外擴高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片采集力信號，并通過PID控制算法校正輸出控制信號給電機驅(qū)動器，控制電機轉(zhuǎn)動，矯正力促動器輸出偏差。實驗證明:該控制系統(tǒng)具有良好的響應特性，對于10 N階躍輸出上升時間不超過1.25 s，并且具有很小的超調(diào)。當校正力在很小范圍內(nèi)(50 mN)變化時，系統(tǒng)也能對其進行很好的跟蹤控制。此外，該控制系統(tǒng)還具有較強的抗干擾能力，滿足主動光學實驗系統(tǒng)的要求。

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Design of active optics force actuator control system based on DSP

KONG Ling-bo1,2，ZHANG Bin1，MENG Hao-ran1，WU Qing-lin1，LI Yu-xia1

(1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 101400,China)

Abstract:A control system based on DSP is designed for stepper motor type force actuator.In this control system,TMS320F28069 DSP is employed as main controller,while high precision ADC ADS1259 is used to collect output force signal of sensor,by DSP output motor control pulse to micro-stepping driver TMC389,driving stepper motor to rotate and form force control close-loop.System software uses PID control algorithm to correct output deviation of force actuator,and control program flow chart is given.Experimental test results show that this control system has good response characteristic and strong interference anti-interference capability,and meets requirements of active optics experimental system.

Key words:active optics;force actuator;control system;force sensor

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0074—03

收稿日期：2015—09—21

中圖分類號：TP 241.3

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)05—0074—03

作者簡介:

孔令波(1990-)，男，四川遂寧人，碩士研究生，主要研究方向為電子電路設計和伺服控制。