趙金標,朱慶生,周小軍,李金鵬

(1.中國科學院大學,北京 100049;2.中科院南京天文儀器研制中心,南京 210042;3.中科院南京天文儀器有限公司,南京 210042)

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鋼環(huán)反射式光柵編碼器在轉臺伺服系統(tǒng)中的應用*

趙金標1,2,朱慶生2,3*,周小軍2,3,李金鵬2,3

(1.中國科學院大學,北京 100049;2.中科院南京天文儀器研制中心,南京 210042;3.中科院南京天文儀器有限公司,南京 210042)

在使用望遠鏡轉臺伺服控制系統(tǒng)中,精確檢測轉臺位置和速度對實現(xiàn)恒星,衛(wèi)星穩(wěn)定跟蹤非常重要,常規(guī)的增量式編碼器難以滿足跟蹤精度要求。鑒于此,選用一種高精度的鋼環(huán)反射式光柵編碼器(RESM20USA413),且與ARM處理器的接口電路簡單,對編碼器輸出信號進行了光學細分,濾波處理,并對系統(tǒng)進行了跟蹤測試。實驗結果表明:采用RESM20USA413作為直驅轉臺伺服系統(tǒng)的編碼器,方位,俯仰軸的跟蹤精度均在5″以下,滿足系統(tǒng)的跟蹤要求。

轉臺;伺服系統(tǒng);跟蹤精度;ARM;光柵編碼器;

大型望遠鏡轉臺伺服跟蹤系統(tǒng)中,常需要用到高精度增量式光電編碼器作為伺服系統(tǒng)檢測部件。這些系統(tǒng)通常采用雙閉環(huán)控制的方法,其中速度檢測精度和速度平穩(wěn)性是實現(xiàn)高精度跟蹤的關鍵條件[1]。脈沖編碼器具有良好的性能,以信號的原理來分,有絕對式編碼器和增量式編碼器兩種[2]。其中增量式編碼器主要應用于測速,測移動角度,測轉動方向,測相對距離等,它具有響應快,成本低,結構簡單等優(yōu)點;絕對式光柵編碼器同增量式相比,具有固定零點,無需找參考點,每個碼都對應一個位置,掉電無需記憶,但是由于制造成本太高,不易于小型化[3]。所以,增量式編碼器可以作為性價比相對高的器件,已經(jīng)在望遠鏡轉臺伺服系統(tǒng)得到了很多應用。

實驗室構建的望遠鏡轉臺伺服控制系統(tǒng),采用鋼環(huán)反射式光柵編碼器,輸出的脈沖信號經(jīng)過調(diào)理電路可直接接入嵌入式處理器STM32F407IGT6。但是由于常規(guī)的增量式編碼器難以滿足高精度跟蹤的要求,因此,本系統(tǒng)選擇一種高精度鋼環(huán)反射式光柵編碼器RESM20USA413,其具有穩(wěn)定可靠,高精度和高分辨率等特點,用于測量望遠鏡轉臺伺服系統(tǒng)的位置和轉速,伺服控制器和編碼器之間接口電路簡單,能夠獲得較好的跟蹤性能。

1 增量式編碼器工作原理

增量式編碼器A,B相時序圖如圖1所示,增量式編碼器是一種將旋轉位移轉換為與之對應的電脈沖信號的角度傳感器,主要由光柵盤和光電檢測裝置組成。有一個中心有軸的光電碼盤,其上有環(huán)形通,暗的刻線,有光電二極管發(fā)射和接收器讀取,獲得兩組方波脈沖信號組合成A,B兩相。增量式編碼器按其信號的輸出可分為非差分式和差分式,它們的輸出均為脈沖信號,非差分信號的輸出一般為A,B兩相,而差分式信號的輸出一般有A相,A非相,B相,B非相。對于差分式的編碼器來說,其A,B兩相的波形完全相同,僅存在90°的相位差,相對于一個周波360°,將A相信號反向輸出A非相,疊加在A相上,可增強信號的穩(wěn)定性,B相信號也同樣;另每轉一圈都會輸出一個Z相脈沖,此脈沖可代表零位參考位,可用于起始上電標識望遠鏡的初始位置[2]。一般地平式望遠鏡兩軸都采取自動過零位設計,使望遠鏡可以方便尋找編碼器的零點,通過設定零點偏置值,自動建立望遠鏡的坐標基準。

圖1 增量式編碼器A,B相時序圖

由于A、B兩相輸出信號相位上相差90°,通過這兩相正交脈沖信號的狀態(tài)變化,就能確定出電機轉子的旋轉方向[4]。通常脈沖數(shù)量的增加或減少以及旋轉方向的判斷,需借助于編碼器接口電路的處理器的寄存器判斷和計數(shù)器來實現(xiàn),其計數(shù)的起始位置可以任意設置[5]。

2 鋼環(huán)反射式光柵編碼器

選用的英國RENISHAW公司的鋼環(huán)反射式光柵編碼器(RESM20USA413),光學直徑為413 mm,光柵柵距L為20 μm,分辨率為8.25 μrad(40″)。配套的讀數(shù)頭SR030,是用來讀取光柵編碼器的脈沖,其防護等級為IP40,供電電源(4.5±5%)V,最大電流為210 mA。在望遠鏡轉臺伺服控制系統(tǒng)的跟蹤精度一般都在5″以下,且鋼環(huán)反射式光柵編碼器刻線有限,原始輸出信號的分辨率達不到系統(tǒng)的要求,可見光柵編碼器在不細分的情況下很難滿足系統(tǒng)的跟蹤精度[6]。實驗室采用光學細分的方法,選用了SI0200細分卡,可將分辨率提高200倍,有利于提高伺服系統(tǒng)檢測精度[7]。RESM20USA413/SR030/SI0200實物圖如圖2所示。

圖2 RESM20USA413/SR030/SI0200實物圖

3 脈沖輸出信號處理電路

實際應用中,不管系統(tǒng)是使用絕對式光柵還是增量式光柵,要達到高精度的跟蹤要求,通常都需要對光柵的輸出原始正交信號進行細分并對其整形[8]。在強電磁干擾或設備振動的情況下,輸出脈沖信號可能存在抖動,這對伺服系統(tǒng)的跟蹤有一定的影響,嚴重的情況是跟蹤不到目標,所以對編碼器輸出的脈沖信號進行處理具有很重要的現(xiàn)實意義[9]。

RESM20USA413/SR030/SI0200構成鋼環(huán)反射式光柵編碼器系統(tǒng),讀數(shù)頭輸出信號為差分脈沖信號,再通過細分卡后輸出的信號為兩路相位差90°的脈沖信號,輸出的脈沖信號會有一些毛刺,信號比較弱的情況可能會出現(xiàn)丟脈沖或失真的情況[10]。為了加強輸出信號的可靠性,采用將輸出信號通過施密特反相器74LS14,并對電路進行低通濾波,其波形改善電路圖如圖3所示。74LS14各路的邏輯功能是一個反相器,其具有溫度補償功能,可被極平緩的斜坡信號觸發(fā),并且依然輸出清晰無抖動的信號。

改善后信號再通過具有三態(tài)輸出的四路差動線路收發(fā)器MC3486轉換為處理器接收的TTL電平,利用STM32具有DSP功能的單片機內(nèi)部集成的正交編碼器電路的功能,通過軟件配置對輸入信號的上升沿和下降沿進行計數(shù),并將16位編碼器計數(shù)器擴充為32位計數(shù)器。圖4為差分驅動器和處理器接口電路,圖中PA8,PA9引腳是STM32處理器正交編碼器引腳輸入口,PD2作為外部中斷引腳,可用來望遠鏡起始上電時尋找機械零位。

圖3 74LS14波形改善電路

圖4 差分驅動電路圖

4 在直驅轉臺伺服系統(tǒng)的應用

圖5為直驅轉臺伺服控制系統(tǒng)實驗框架圖,方位軸,俯仰軸兩套控制系統(tǒng)完全相同,機械結構圖采用力矩電機直接驅動旋轉軸系的結構形式,沒有了傳統(tǒng)的減速機構,避免機械系統(tǒng)產(chǎn)生回轉間隙誤差,在兩軸安裝高精度的鋼環(huán)反射式光柵編碼器反饋旋轉軸系的位置信息。

圖5 直驅轉臺為伺服控制系統(tǒng)實驗框架圖

鋼環(huán)反射式光柵編碼器將轉臺角度的變化轉換成正交方波脈沖進行增減計數(shù)[11]。其輸出的信號需滿足實時性要求,在一個采樣周期內(nèi)需要完成位置和速度數(shù)字采樣,計算和傳輸,伺服系統(tǒng)對位置和速度的采樣頻率常采用500 Hz～1 000 Hz。為了對鋼環(huán)反射式光柵編碼器在望遠鏡轉臺伺服控制系統(tǒng)中的跟蹤性能進行測試,需設計一種基于ARM處理器的伺服電機數(shù)字控制測試系統(tǒng)。

數(shù)字采集電路采用ST公司推出的Cortex-M4內(nèi)核ARM芯片STM32F407IGT6,該芯片具有浮點運算能力和高性能的數(shù)字信號處理能力,定時器最高時鐘頻率達到168 MHz;每個定時器具有4個獨立通道,可作為輸出比較,輸入捕獲,單脈沖模式輸出和PWM生成的應用,為編碼器輸出信號的采集提供了方便[12]。

系統(tǒng)采用位置式PID控制算法以及速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制結構。伺服驅動AMD模塊與下位機PWM輸出接口相連,由STM32F407IGT6通過脈沖脈寬調(diào)制方式驅動伺服力矩電機,利用調(diào)節(jié)占空比的方法來調(diào)節(jié)轉臺的轉速,保證速度的平穩(wěn)性,再通過位置式PID算法,對參數(shù)進行整定來減少系統(tǒng)的跟蹤誤差。利用星圖驅動程序獲取目標的理論坐標,每1 ms采集鋼帶碼盤的值,得到當前轉臺的位置反饋,反饋得到的值與目標的理論值進行比較,并利用位置PID調(diào)節(jié)器,輸出的值作為速度的給定值,ARM每500 μs對編碼器脈沖進行采集,得到當前轉臺的速度反饋。在ARM芯片中,反饋得到的速度與給定的速度進行比較,并利用速度PID調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)當前ARM芯片輸出的PWM波的頻率,其輸出作為驅動器電流內(nèi)環(huán)的給定值,內(nèi)部50 A8驅動器根據(jù)需要自動調(diào)節(jié)轉矩輸出來驅動伺服力矩電機,完成對力矩電機的速度調(diào)節(jié),保證速度的平穩(wěn)性[13]。上述控制過程中,由編碼器獲取的位置和速度信息非常重要,如果鋼帶碼盤信號偏差較大,會對速度的調(diào)節(jié)影響很大。

伺服控制系統(tǒng)要求的調(diào)速范圍0.008～4.000 °/s,速度環(huán)的采樣頻率為1 000 Hz,即每1 ms取一次速度信息。所用編碼器是RENISHAW鋼環(huán)反射式光柵編碼器,旋轉一周的脈沖數(shù)是64 800,經(jīng)細分盒200細分,再加上處理器4倍頻后實際的脈沖數(shù)p=64 800×200×4=51 840 000。

參考閘門取1 000 Hz的高電平階段,即0.5 ms即可。理論上可測得的最低轉速大約為:360/51 840 000×0.000 5=0.003 47°,滿足系統(tǒng)提出的最低轉速要求。

以最高轉速4 °/s旋轉時,2 ms內(nèi)最大編碼器輸出脈沖數(shù):0.002×51 840 000×4/360=1 152,所以選用16位計數(shù)器作為轉速脈沖計數(shù)器可滿足要求。

ARM采用STM32F407IGT6,由編碼器RESM20USA413獲取直流力矩電機的轉速信息,輸出A,B,Z三路信號,其安裝在電機的末端,通過對鋼帶碼盤輸出信號進行細分和電路的調(diào)理后進入STM32F407IGT6正交編碼器接口,再通過軟件配置進行4倍細分和辨向計數(shù),計算出轉臺實際的轉角位置[14]。通過細分和倍頻后,鋼環(huán)反射鏡光柵編碼器的角度分辨率為:

同時,對伺服電機的電樞電流進行內(nèi)環(huán)反饋,以及將碼盤的值反饋給ARM處理器,對伺服電機進行實時控制。上位機通過網(wǎng)口對ARM進行控制,如方位,俯仰軸轉停,軌道的跟蹤,以及軸系狀態(tài)的監(jiān)視等。

5 實驗結果與分析

基于實驗室現(xiàn)有的平臺構成的基于高精度增量式編碼器的直驅轉臺伺服系統(tǒng)。為減少鋼帶碼盤信號偏差影響系統(tǒng)的跟蹤精度,在每軸安裝兩個讀數(shù)頭,對稱安裝。為了更好地測試系統(tǒng)的跟蹤性能,分別在電機轉速為2 °/s,180°正弦波對方位,俯仰兩軸的跟蹤誤差進行測試,如圖6～圖9所示。

圖6、圖7所示為速度是2 °/s時,方位,俯仰的跟蹤誤差曲線圖,其RMS分別為3.45″,2.47″。圖8、圖9為速度是180°正弦波時,方位,俯仰的跟蹤誤差曲線圖,其RMS分別為4.13″,2.87″。由圖6～圖9中數(shù)據(jù)得知,俯仰比方位的跟蹤性能好,由于轉臺一周的每個位置的機械特性不一樣,跟蹤過程中偶然會出現(xiàn)比較大的跳點,方位,俯仰兩軸跟蹤精度均在5″內(nèi),滿足伺服系統(tǒng)的跟蹤要求。

圖6 方位軸2 °/s跟蹤誤差曲線圖

圖7 俯仰軸2 °/s跟蹤誤差曲線圖

圖8 方位正弦180°跟蹤誤差曲線圖

圖9 俯仰正弦180°跟蹤誤差曲線圖

6 結語

本文對鋼環(huán)反射式光柵編碼器RESM20USA413的工作原理進行了論述,并對編碼器輸出信號進行了濾波處理以及對鋼環(huán)反射式編碼器在轉臺伺服控制系統(tǒng)的應用進行了系統(tǒng)測試實驗。進行了RESM20USA413/SR030/SI0200鋼環(huán)反射式光柵編碼器系統(tǒng)和嵌入式ARM處理器正交編碼器接口電路的設計,通過跟蹤目標對伺服系統(tǒng)跟蹤精度進行了實驗測量,并對實驗結果出現(xiàn)的現(xiàn)象進行了分析。實驗結果表明:鋼環(huán)反射式光柵編碼器具有高精度,高分辨率,抗干擾能性能強等優(yōu)點,可以提高望遠鏡轉臺伺服控制系統(tǒng)的跟蹤精度。

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Application of Steel Ring Reflective Grating Encoder in Turntable Servo System*

ZHAO Jinbiao1,2,ZHU Qingsheng2,3*,ZHOU Xiaojun2,3,LI Jinpeng2,3

(1.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;2.Nanjing Astronomical-Instrument Research Center of Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210042,China;3.Nanjing CAS Corporation Limited of Astronomical Instruments,Nanjing 210042,China)

It is very important for the stability of the fixed star and satellite to accurately detect the turntable position and speed in the servo control system of the telescope turntable. The conventional incremental encoder is difficult to meet the requirement of tracking accuracy. In view of this,a kind of high precision steel ring reflective grating encoder(RESM20USA413)is adopted,which has a simple interface circuit with the ARM processor. Then the output signal of the encoder is optical subdivision and filtered.The tracking system is tested. The experimental results show that using RESM20USA413 as a direct drive turntable servo system encoder,the tracking accuracy of the azimuth and pitch axis is in the following 5 second of arc. It meets the requirements of the servo system.

turntable;servo system;tracking precision;ARM;grating encoder

趙金標(1989-),男,江蘇鹽城人,碩士研究生,現(xiàn)從事精密儀器自動控制的研究,18761605658@163.com;

朱慶生(1969-),男,江蘇連云港人,研究員,碩士生導師,主要從事天文儀器計算機自動控制技術的研究。

項目來源:基礎研究計劃項目(自然科學基金)—青年基金項目(BK20160154)

2016-10-19 修改日期:2016-12-29

TP212

A

1004-1699(2017)05-0801-06

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.05.028