梁 爽，楊仲秋，劉萌萌

(1.黑龍江省科學(xué)院技術(shù)物理研究所，哈爾濱 150086;2.黑龍江省科學(xué)院北方輻射技術(shù)開發(fā)服務(wù)公司，哈爾濱 150010)

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雙軸伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁 爽1，楊仲秋1，劉萌萌2

(1.黑龍江省科學(xué)院技術(shù)物理研究所，哈爾濱 150086;2.黑龍江省科學(xué)院北方輻射技術(shù)開發(fā)服務(wù)公司，哈爾濱 150010)

隨著國家軍事力量的強(qiáng)大，對于國防工業(yè)項(xiàng)目的要求也越來越高，雙軸伺服控制系統(tǒng)在國防項(xiàng)目中的應(yīng)用也越來越廣泛。在本設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了對于實(shí)時移動目標(biāo)光斑的掃描和跟蹤，且精度達(dá)到萬分之一度。本系統(tǒng)采用精密機(jī)械軸承，有較高的速率精度及平穩(wěn)性，能通過上位計(jì)算機(jī)指令實(shí)現(xiàn)控制。轉(zhuǎn)臺價格合理，DSP控制箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)精簡，抗干擾能力強(qiáng)，具有廣闊的市場前景和應(yīng)用價值。

雙軸；控制；DSP控制箱；高精度

隨著國防工業(yè)的進(jìn)步，對伺服系統(tǒng)的要求也逐步提高，在實(shí)際應(yīng)用中，對于很多科研項(xiàng)目，單軸伺服系統(tǒng)往往不能滿足需求，而三軸伺服系統(tǒng)的使用又非常有限，所以本文根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目要求，設(shè)計(jì)了一套伺服系統(tǒng)，轉(zhuǎn)臺部分包括俯仰軸、方位軸，控制部分為伺服控制箱，外部給定信號為上位機(jī)控制指令和相機(jī)脫靶量及手柄模擬信號輸入[1]。在本項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)了如下幾種模式：第一，使能模式。控制伺服系統(tǒng)上電使能[1]。第二，手動模式。雙軸轉(zhuǎn)臺在手柄信號控制下轉(zhuǎn)動——俯仰軸和方位軸的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)手動控制。第三，指向模式。上位機(jī)以一定頻率實(shí)時發(fā)送俯仰軸和方位軸指向位置信號作為俯仰軸和方位軸的目標(biāo)位置，伺服控制系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動到上位機(jī)發(fā)送的位置上。第四，掃描/跟蹤模式。當(dāng)跟蹤相機(jī)視場內(nèi)無光斑時，轉(zhuǎn)臺根據(jù)預(yù)設(shè)掃描軌跡進(jìn)行掃描。如在掃描過程中相機(jī)視場內(nèi)出現(xiàn)光斑，則伺服控制系統(tǒng)自動切換為跟蹤模式，根據(jù)脫靶量信息將光斑跟蹤到視場中心。如果執(zhí)行完預(yù)設(shè)掃描軌跡之后還未發(fā)現(xiàn)光斑，則伺服控制系統(tǒng)自動將模式變?yōu)槭謩幽Ｊ絒2]。本套設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)在于：精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、價格合理，并且上位工控機(jī)與伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了雙向通信，方便使用者使用。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)由一個雙軸轉(zhuǎn)臺，雙軸伺服控制系統(tǒng)控制箱及連接電纜構(gòu)成。其中，控制箱中包含兩個變壓器，兩個力矩電機(jī)驅(qū)動器，兩個電源，三個繼電器和DSP控制系統(tǒng)，其中DSP控制系統(tǒng)內(nèi)含一塊底板和方位板、俯仰板、保護(hù)板、串口并口轉(zhuǎn)換板。DSP控制箱的主要用途：用于連接上位機(jī)和轉(zhuǎn)臺，并根據(jù)上位機(jī)控制指令運(yùn)行相應(yīng)的模式，對轉(zhuǎn)臺進(jìn)行手動控制。轉(zhuǎn)臺對上位機(jī)給出的指向位置信息的解析及轉(zhuǎn)動到指向位置。對相機(jī)給出信息的解析及掃描/跟蹤。同時，DSP控制系統(tǒng)內(nèi)包含軸位置測量系統(tǒng)、軸位置及速率數(shù)字控制系統(tǒng)。另外，串口并口轉(zhuǎn)換板內(nèi)含RS232C接口，可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的雙向收發(fā)。

本伺服控制系統(tǒng)掃描跟蹤外部相機(jī)給出的光斑信號，是否跟蹤及掃描由上位機(jī)給出指令。上位機(jī)操作界面給出控制指令，控制伺服系統(tǒng)處于什么模式。系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The overall structure of the system frame diagram

1.2 電機(jī)及相應(yīng)驅(qū)動器的選擇

在本系統(tǒng)中，考慮到對雙軸轉(zhuǎn)臺的加速度并沒有特殊要求，軸的轉(zhuǎn)動慣量也屬于正常范圍之內(nèi)，采用普通的有刷電機(jī)即可滿足輸出力矩的指標(biāo)[3]。最大加速度、軸上的摩擦力矩都會影響輸出力矩，其公式為：T-Tf=M=JΩmax，其中，Tf為摩擦力，Ωmax為俯仰軸和方位軸加速度的最大要求值。選定加速度為1 000°/s2(17.5 rad/s2)。軸的回轉(zhuǎn)質(zhì)量為40 kg，等效的慣性半徑為0.064 m，所以轉(zhuǎn)動慣量為J/kgm2=mR2=40×(0.064)2=0.164。輸出力矩T/Nm=JΩmax=0.164×17.5=2.87。實(shí)際選擇時參考上面的理論值，并考慮留有2倍的余量。故在此選擇哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)的J160LYX-04電機(jī)[4]。

在本系統(tǒng)中，采用ISF20DA250型驅(qū)動器作為方位軸電機(jī)驅(qū)動器，采用ISF20DA60型驅(qū)動器作為俯仰軸電機(jī)驅(qū)動器。二者的特點(diǎn)是：驅(qū)動器的伺服功率驅(qū)動單元以開關(guān)速度快、壓降小的新型IGBT功率模塊構(gòu)成雙路四相限全橋電路，以PMW方式工作。功率驅(qū)動單元的特點(diǎn)是體積小、重量輕、效率高。由于方位軸轉(zhuǎn)臺質(zhì)量比較大，轉(zhuǎn)動過程中有較大的慣性，利用ISF20DA250型驅(qū)動器的過流保護(hù)功能可有效防止電流過大時對驅(qū)動器的損害[5]。

1.3 測角系統(tǒng)方案選擇

由于在本系統(tǒng)中，測角精度±0.0001°的要求，是方位軸和俯仰軸單回轉(zhuǎn)的前提條件，故選用基于旋轉(zhuǎn)變壓器及感應(yīng)同步器的鑒幅式雙通道測角方案。其中，雙通道角位置測量是指在0°～359.9°大角度、低精度測量時，使用單對極旋轉(zhuǎn)變壓器。另外，對于0.0001°～0.9999°的小角度、高精度測量則采用360對極的感應(yīng)同步器。兩個通道是互相獨(dú)立的，只是安裝在同一軸之上。將兩個通道測得的值按一定規(guī)律耦合，則可以實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度角度測量?；谛D(zhuǎn)變壓器及感應(yīng)同步器的鑒幅式雙通道測角方案的工作原理為：兩相輸出信號連接信號變換器，兩相輸出信號按可以知道的角度變量Φ做相應(yīng)的正弦或余弦轉(zhuǎn)換后相減，得到一個直流電壓信號，它的值與sin(αD)-Φ成正比。當(dāng)Φ被調(diào)整為零時，即可得到當(dāng)前的角位置。速率信號可以從兩次測角的差分速率中直接獲得，故本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中省略了專用于測速的測速機(jī)。本系統(tǒng)中采用美國AD公司生產(chǎn)的芯片AD2S80A作為軸角變換芯片，其封裝原理圖及相應(yīng)部分電路原理圖如圖2所示。

圖2 AD2S80A相應(yīng)部分電路Fig.2 AD2S80A corresponding part of the circuit

最后，給出伺服控制系統(tǒng)硬件包括：兩個變壓器，三個繼電器，兩個電源，兩個電源濾波器，小控制箱內(nèi)包含雙軸控制板、保護(hù)板、串口并口轉(zhuǎn)換板、底板。

2 結(jié)論

隨著伺服控制系統(tǒng)在工業(yè)、國防控制方面的應(yīng)用普遍化，對伺服控制系統(tǒng)的各方面要求也越來越高。本設(shè)計(jì)中完成了以下設(shè)計(jì)：伺服控制系統(tǒng)與上位工控機(jī)的雙向通信，伺服控制系統(tǒng)根據(jù)上位工控機(jī)指令運(yùn)行啟動、停止、手柄、指向、掃描/跟蹤模式。速率平穩(wěn)性高，精度達(dá)到萬分之一度，掃描與跟蹤可自動切換，滿足了用戶對于系統(tǒng)的要求，價格合理，有廣闊的市場價值。

[1] 夏潔. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2] 戴文進(jìn)，張景明.電機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[3] 謝青紅，張筱荔.TMS320F2812 DSP 原理及其在運(yùn)動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4] 黃堅(jiān).自動控制原理及其應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2009.

[5] 張嵩.雙軸伺服轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

Dualaxis servo system design

LIANG Shuang1，YANG Zhong-qiu1，LIU Meng-meng2

(1.Technical Physics Institute, Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150086, China;2.Northern Radiation Technology Development and Service Company, Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150010, China)

The enhancement of our country’s military strength caused the higher requirement of defending industry project. And dual axis servo system has been used in defending industry more widely. In this system, two purposes are achieved firstly is the scanning and tracking of the target, and secondly is the precision of the system has reached to one hundred in a million. Precision mechanical bearings are used in this system with high velocity precision and stability, which can be controlled by host computer through sending message. The price of the axis is reasonable. The structure of the DSP control box is downsizing with anti-jamming capacity, which has broad market prospects and value.

Dual axis; Control; DSP control box; High precision

2017-01-20

梁爽(1983-)，女，助理研究員，碩士。

TM383.4

A

1674-8646(2017)04-0034-02