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(北京空間機(jī)電研究所 先進(jìn)光學(xué)遙感技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100092)

0 引言

光機(jī)掃描系統(tǒng)是空間光學(xué)遙感器的重要部件之一，是光機(jī)掃描型相機(jī)接收地物信息的第一個(gè)環(huán)節(jié)[1-2]，通常通過反射鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)擴(kuò)大視場范圍，對垂直于遙感器運(yùn)動(dòng)的方向進(jìn)行掃描，掃描的精確性、線性度及平穩(wěn)性直接影響了成像質(zhì)量。此外，光機(jī)掃描系統(tǒng)也可作為穩(wěn)像機(jī)構(gòu)，對衛(wèi)星平臺(tái)振動(dòng)、地物運(yùn)動(dòng)進(jìn)行一定范圍的補(bǔ)償，這就更需要高精度的掃描系統(tǒng)。在掃描控制器中，大多采用低速同步電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、無刷直流電機(jī)作為控制器的執(zhí)行部件[3]。同時(shí)為保準(zhǔn)掃描精度及線性度，必須采用閉環(huán)控制，利用光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等高精度傳感器作為位置或速度反饋，通過控制算法保證高精度的掃描控制[4]。因此對步進(jìn)電機(jī)、無刷電機(jī)等執(zhí)行部件，以及旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等位置傳感器的性能的精確測定是高精度光機(jī)掃描控制器開發(fā)的首要環(huán)節(jié)。

本文針對目前常用遙感器光機(jī)掃描控制器的執(zhí)行、測角反饋部件，開發(fā)了一套高精度控制器開發(fā)測試系統(tǒng)，用于對掃描系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、機(jī)電暫態(tài)特性，以及掃描轉(zhuǎn)角測量特性進(jìn)行精確辨識。同時(shí)研制信息集成平臺(tái)，在線獲取各環(huán)節(jié)測試信息，利用通用控制器快速原型機(jī)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對掃描系統(tǒng)參數(shù)的快速測試及性能評估，提高了掃描控制器的研制效率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該測試系統(tǒng)由掃描執(zhí)行部件驅(qū)動(dòng)測試模塊，軸角測量模擬測試模塊，掃描控制器快速原型機(jī)開發(fā)測試模塊與系統(tǒng)集成平臺(tái)4個(gè)部分組成。其中掃描執(zhí)行部件驅(qū)動(dòng)測試模塊通過測試臺(tái)上的聯(lián)軸器及軸承等設(shè)備與被測機(jī)構(gòu)的電機(jī)相連，完成電機(jī)動(dòng)力學(xué)參數(shù)(力矩、轉(zhuǎn)速等)和電特性參數(shù)(電壓、電流、功率等)的測試，并將測試結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)發(fā)送給系統(tǒng)集成平臺(tái)；軸角測量模擬測試模塊與被測測角傳感器相連，主要完成旋變參數(shù)的模擬和測試。

掃描控制器快速原型機(jī)開發(fā)測試模塊實(shí)現(xiàn)了軸角測量、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下電機(jī)算法的仿真和驗(yàn)證，根據(jù)結(jié)果將算法逐步加載到DSP-FPGA控制評估卡中，同時(shí)將結(jié)果發(fā)送到系統(tǒng)集成平臺(tái)中；系統(tǒng)集成平臺(tái)可接收上述3個(gè)模塊的數(shù)據(jù)，對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對控制算法進(jìn)行評估，通多多次測試迭代，獲取最優(yōu)控制算法及參數(shù)。各個(gè)模塊間通過網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行通信。

圖1 開發(fā)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中掃描執(zhí)行部件驅(qū)動(dòng)測試模塊、軸角模擬測試模塊采用成熟測試系統(tǒng)，通過系統(tǒng)集成信息平臺(tái)進(jìn)行控制及信息獲取。

1.1 掃描執(zhí)行部件驅(qū)動(dòng)測試模塊

掃描執(zhí)行部件驅(qū)動(dòng)測試模塊選用Magtrol測功機(jī)測試系統(tǒng)作為測試主體方案。其適用于測量交流或直流電機(jī)，配合Magtrol專用馬達(dá)測試軟件SW-M-TEST-WE7.0、測功機(jī)控制器DSP7001、電力分析儀6510e，可以實(shí)現(xiàn)以Ramp、Curve、Manual等測試方式來測得電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，包括：扭力、轉(zhuǎn)速、輸出功率、電壓、電流、輸入功率、功率因數(shù)、馬力、效率等。該測功機(jī)可以進(jìn)行從空載到堵轉(zhuǎn)的全程測試；最大扭矩測量5 N·m；測試最高轉(zhuǎn)速為4 000 rpm；最高功率為0.5 kW。

測功機(jī)系統(tǒng)的互聯(lián)方式為：將被測電機(jī)通過夾具固定安裝在測試臺(tái)面上，電機(jī)轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器與測功機(jī)相連，電機(jī)啟動(dòng)后，測功機(jī)將被測電機(jī)的力矩、轉(zhuǎn)速和輸出功率等信息發(fā)送給測功機(jī)控制器，控制器將這些信息進(jìn)行解析并通過儀表顯示，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過USB電纜或GPIB電纜發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)；電機(jī)電源通過電參數(shù)儀后為電機(jī)提供電源，電參數(shù)儀可實(shí)現(xiàn)工作電壓、電流和功率等參數(shù)的實(shí)時(shí)讀取，同時(shí)將結(jié)果通過GPIB電纜發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)；控制計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)將測試結(jié)果發(fā)送至集成信息平臺(tái)。

1.2 軸角模擬測試模塊

軸角模擬測試模塊包括軸角模擬和軸角測試等功能，測試儀主要完成旋變信號的雙通道測試功能，在產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變壓器激勵(lì)信號的同時(shí)，完成旋變信號的解調(diào)功能。模擬器主要作用是對測試儀進(jìn)行標(biāo)定，同時(shí)在不具備旋轉(zhuǎn)變壓器時(shí)，模擬產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變壓器的信號，送到角度解調(diào)電路進(jìn)行旋變信號測試。

其中測試儀選用的是北大西洋公司的8810A型號產(chǎn)品，可自動(dòng)接收并顯示輸入電壓為1.0～90 VLL的信號，并可接受基準(zhǔn)電壓2～115 VRMS，頻率范圍覆蓋47 Hz到20 kHz，分辨率0.000 1°，精度±0.004°，并具備自動(dòng)相位校正功能，可對目前大多感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行測試。

模擬器選用的是北大西洋公司的5330A型號產(chǎn)品，其利用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行同步并實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器模擬。角度輸出0～360°或±180°可調(diào)，輸出頻率范圍47 Hz到10 kHz。該裝置可模擬在順時(shí)針或逆時(shí)針方向上的旋轉(zhuǎn)分量，產(chǎn)生正弦波，三角波或鋸齒波輸出。輸出電壓為1.0～90 VLL，并可接受基準(zhǔn)電壓2～115 V，輸出功率可達(dá)6 VA/通道，分辨率0.001°，精度±0.003°；可滿足感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器模擬要求。

2 快速原型機(jī)

快速原型機(jī)的主要功能是根據(jù)測試信息，設(shè)計(jì)修改部署掃描系統(tǒng)控制器的參數(shù)，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)量、位置傳感器參數(shù)以及閉環(huán)控制算法，通過與測試系統(tǒng)的多次測量迭代，獲取最優(yōu)控制方法[5]?？焖僭蜋C(jī)基于PXI結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用上位主機(jī)+實(shí)時(shí)功能卡的結(jié)構(gòu)。其中，上位主機(jī)采用NI公司的PXIe-1042機(jī)箱，其內(nèi)置背板通過PCI Express將各辦卡連接在一起，機(jī)箱內(nèi)置定時(shí)與同步特性，通過PXI的觸發(fā)總線進(jìn)行同步，以滿足各板卡的同步測試和測量應(yīng)用的需求。上位機(jī)基于Labview設(shè)計(jì)，利用內(nèi)置控制模塊快速搭建控制結(jié)構(gòu)及參數(shù)，并通過網(wǎng)絡(luò)與集成信息平臺(tái)連接，用于上傳控制器信息、獲取控制參數(shù)[6-7]。實(shí)時(shí)功能板卡包括PXI驅(qū)動(dòng)控制卡用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)；PXI角度解算卡用于解算光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器或感應(yīng)同步器的角度信息；PXI控制評估卡通過內(nèi)部總線與驅(qū)動(dòng)控制卡、角度解算卡連接，運(yùn)行控制算法，用于對控制算法的實(shí)時(shí)硬件平臺(tái)控制效果評估。

2.1 驅(qū)動(dòng)控制卡

PXI驅(qū)動(dòng)控制卡的主要功能是接收快速控制器上位機(jī)或控制評估卡發(fā)送的電機(jī)控制信號，將前端的原始控制信號轉(zhuǎn)換為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器能夠識別的驅(qū)動(dòng)信號，包括光耦隔離、防死區(qū)設(shè)計(jì)，同時(shí)預(yù)留三線/232/422板間連接接口。其原理框圖如圖2所示。

圖2 PXI驅(qū)動(dòng)控制卡原理框圖

本文為適應(yīng)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，采用PWM的驅(qū)動(dòng)方式，由FPGA根據(jù)上位機(jī)或控制評估卡發(fā)送的電機(jī)控制信號，例如PWM的占空比等信息，生成相應(yīng)的PWM信號，經(jīng)光耦隔離及防死區(qū)電路后送至功率放大電路。功率放大電路由驅(qū)動(dòng)芯片和MOS管組成。如圖3所示為功率放大電路。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路原理圖

其中，P+5 V為數(shù)字端電源，P+12 V為數(shù)字端電源為自舉電源，PVCC為功率電源。PWM1_M1、PWM2_M1為差分PWM信號，EN1-2_M1為使能信號。圖中C7為自舉電容，P+12 V依次經(jīng)過D1后給C7充電，以確保MOS管關(guān)閉；當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí)，柵極通過C7的儲(chǔ)能來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。兩組驅(qū)動(dòng)電路可為兩相直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

2.2 軸角解算卡

PXI軸角解算卡的主要功能是：實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器或編碼器信號的解算與實(shí)時(shí)讀取。其中將旋轉(zhuǎn)變壓器的正余弦信號解調(diào)為數(shù)字信號(RDC)過程較為復(fù)雜，本文采用專用芯片AD2S82為解算核心，通過FPGA進(jìn)行控制，對角度信息進(jìn)行濾波處理，以及與上位主機(jī)信息交互。如圖4為AD2S82的配置電路。

圖4 PXI軸角解算卡配置電路

其中，旋轉(zhuǎn)變壓器的正余弦信號通過圖中的A_SININ/A_COSIN管腳接入，AC_ERR與DBMIP間設(shè)計(jì)為濾波器，INTIP/OP、VCOIP為調(diào)節(jié)內(nèi)部壓控振蕩器的參數(shù)，DEMOP用于調(diào)節(jié)內(nèi)部壓控振蕩器的零點(diǎn)，SC1、SC2設(shè)計(jì)為16位輸出。數(shù)字端通過INHABIT、ENABLE、DIR管腳進(jìn)行使能控制。在調(diào)試時(shí)首先將輸入的正余弦信號以及參考信號調(diào)節(jié)為同相位，其次將AD2S82的正余弦信號分別接到AGND、參考信號上，調(diào)節(jié)壓控振蕩器的相關(guān)參數(shù)，從而保證輸出角度的精度。

2.3 控制評估卡

PXI控制評估卡的主要功能是對控制算法的實(shí)時(shí)硬件運(yùn)行效果進(jìn)行評估。根據(jù)一般掃描系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，一般采用DSP+FPGA的電路結(jié)構(gòu)，同時(shí)具備板間同步串行接口與電機(jī)驅(qū)動(dòng)卡、角度解算卡連接，電路狀態(tài)監(jiān)測等功能。FPGA根據(jù)需求將PXI總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，來控制外圍功能電路進(jìn)行通信、輸出(DA)和采集(AD)信號，與DSP配合，實(shí)現(xiàn)開發(fā)評估功能，進(jìn)行算法的仿真和驗(yàn)證。DSP可以根據(jù)用戶需求完成高速數(shù)據(jù)處理，可將實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的驗(yàn)證結(jié)果逐步加載到DSP芯片中，已達(dá)到優(yōu)化算法、提高效率的目的。其中，為滿足控制算法的驗(yàn)證及宇航應(yīng)用需求，F(xiàn)PGA選用XILINX的XC4VSX55，DSP選用TI的TMS320C6727浮點(diǎn)型數(shù)字處理器。其原理框圖如圖5所示。

圖5 PXI控制評估卡原理框圖

3 系統(tǒng)集成平臺(tái)

系統(tǒng)集成平臺(tái)是開發(fā)測試系統(tǒng)的控制核心及數(shù)據(jù)中心，通過該平臺(tái)可建立測試、控制閉環(huán)，通過多次測量，設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)控制算法，多次評估迭代獲取最優(yōu)控制算法。同時(shí)集成平臺(tái)需實(shí)時(shí)同步獲取多種數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行控制，包括控制掃描執(zhí)行部件驅(qū)動(dòng)測試模塊、軸角模擬測試模塊的參數(shù)并獲取測試數(shù)據(jù)；根據(jù)測試數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)被測掃描機(jī)構(gòu)的控制參數(shù)，并傳送至控制器快速原型機(jī)相關(guān)板卡，對被測掃描機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，同時(shí)對控制參數(shù)實(shí)時(shí)硬件平臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評估。為保證系統(tǒng)信息交互的實(shí)時(shí)性及同步性，集成平臺(tái)基于Windows RTX開發(fā)，RTX是美國公司開發(fā)的Window平臺(tái)的硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

采用C/S模式，各程序之間互為Server端和Client端。集成平臺(tái)為各測試模塊授時(shí)，各測試模塊根據(jù)集成平臺(tái)的授時(shí)，在測試數(shù)據(jù)中加入時(shí)間節(jié)點(diǎn)信息后上傳至集成平臺(tái)，根據(jù)Windows RTX的時(shí)間精度，測試數(shù)據(jù)的授時(shí)間隔為1 ms。集成平臺(tái)工作于被動(dòng)模式下，自動(dòng)獲取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，根據(jù)測試數(shù)據(jù)中的時(shí)間信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理并保存。人機(jī)界面提供數(shù)據(jù)查看、分析以及設(shè)備操控功能。端到端通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。各測試設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)端口連接到一臺(tái)交換機(jī)上，構(gòu)成一個(gè)微型局域網(wǎng)，所有測試數(shù)據(jù)通過此局域網(wǎng)發(fā)送到本測試軟件。如圖所示為測試系統(tǒng)的信息交互局域網(wǎng)構(gòu)成。系統(tǒng)集成平臺(tái)通過網(wǎng)絡(luò)層經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)獲取掃描執(zhí)行部件測試模塊、軸角模擬測試模塊的測試數(shù)據(jù)；經(jīng)數(shù)據(jù)層發(fā)送至應(yīng)用層，基于Matlab進(jìn)行控制算法設(shè)計(jì)；將控制參數(shù)發(fā)送至快速原型機(jī)對被控機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制；測試模塊對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并發(fā)送數(shù)據(jù)，形成開發(fā)-測試閉環(huán)。

圖6 測試系統(tǒng)信息交互局域網(wǎng)

集成平臺(tái)端的控制軟件的工作流程為：

1)啟動(dòng)測試程序，程序?yàn)楦鳒y試模塊授時(shí)并啟動(dòng)各模塊開始測試準(zhǔn)備；

2)程序查詢并獲取各測試模塊的工作信息及工作狀態(tài)并記錄；

3)根據(jù)人機(jī)交互界面設(shè)置的測試工作需求及參數(shù)，對各測試模塊進(jìn)行設(shè)置并啟動(dòng)測試；

4)集成平臺(tái)獲取各測試模塊數(shù)據(jù)。根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)，啟動(dòng)Matlab程序，進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)；

5)將控制參數(shù)發(fā)送至快速原型機(jī)，對被控對象進(jìn)行控制；

6)集成平臺(tái)同步獲取各測試模塊的數(shù)據(jù)，與Matlab的仿真結(jié)果對比，迭代修改控制參數(shù)，獲取最優(yōu)控制參數(shù)。

4 測試實(shí)驗(yàn)

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，對開發(fā)系統(tǒng)測試分為兩部分：首先利用集成平臺(tái)發(fā)送指令，通過快速模擬器中的控制評估卡生成電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)卡驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)動(dòng)，利用測功機(jī)系統(tǒng)對電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測試并上傳至集成平臺(tái)，從而獲得對集成平臺(tái)控制、快速原型機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、測功機(jī)系統(tǒng)測試性能的評價(jià)；其次利用旋變模擬器模擬旋轉(zhuǎn)變壓器發(fā)出正余弦信號，利用旋變測試儀以及快速原型機(jī)的軸角解算卡進(jìn)行角度解算，并將測試數(shù)據(jù)上傳至集成平臺(tái)進(jìn)行分析，驗(yàn)證軸角模擬測試模塊、快速原型機(jī)的軸角解算卡的性能，以確保滿足遙感器光機(jī)掃描控制器的測試需求。

4.1 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)測試

根據(jù)測試要求將測功機(jī)系統(tǒng)中的電力分析儀的電流及電壓測試管腳經(jīng)直流電機(jī)后，與電機(jī)驅(qū)動(dòng)卡驅(qū)動(dòng)輸出端相連，將電機(jī)按要求與測功機(jī)聯(lián)軸器相連。由集成平臺(tái)授時(shí)并發(fā)出測試指令，并實(shí)時(shí)監(jiān)聽測功機(jī)數(shù)據(jù)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)卡數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 測功機(jī)測試結(jié)果

根據(jù)測試可以獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出力矩與驅(qū)動(dòng)卡的輸出電流、功率、電壓等的數(shù)據(jù)曲線，根據(jù)該數(shù)據(jù)曲線可為掃描控制器控制算法的設(shè)計(jì)提供參考，并可實(shí)時(shí)評估控制算法的性能。

4.2 軸角解算測試

根據(jù)測試要求，由軸角模擬器模擬旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號，分別與軸角測試儀以及快速原型機(jī)的軸角解算卡相連。通過系統(tǒng)集成平臺(tái)授時(shí)并控制兩者分別對軸角模擬信號進(jìn)行解算，通過集成平臺(tái)獲取解算結(jié)果，并對測試結(jié)果進(jìn)行保存分析。如表所示為集成平臺(tái)獲取的特征軸角模擬下的解算結(jié)果。

表1 軸角解算結(jié)果對比

根據(jù)結(jié)果可以看出軸角測試儀的輸出誤差為0.000 5°，而軸角解算卡的輸出誤差為0.003°，由此可以獲得軸角解算卡解算精度的評價(jià)，從而指導(dǎo)軸角解算卡AD2S82配置電路的調(diào)試，亦可用于旋轉(zhuǎn)變壓器的裝調(diào)參考。

5 結(jié)論

文中針對目前常用遙感器光機(jī)掃描控制器的執(zhí)行、測角反饋部件，開發(fā)了一套高精度控制器測試系統(tǒng)，用于對掃描系統(tǒng)執(zhí)行電機(jī)的力矩、轉(zhuǎn)速、功率等進(jìn)行實(shí)時(shí)測量；對軸角傳感器進(jìn)行模擬測量。同時(shí)利用信息集成平臺(tái)，在線獲取各環(huán)節(jié)測試信息，通過控制器快速原型機(jī)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，對掃描系統(tǒng)參數(shù)的快速測試及性能評估，實(shí)現(xiàn)了控制器的測量-開發(fā)閉環(huán)，可用于遙感器光機(jī)掃描控制器的快速測試，從而提高了研制開發(fā)效率。

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