胡 浩，羅東輝

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

振鏡的光學(xué)掃描系統(tǒng)具有高速、高精度、高線性度等優(yōu)點(diǎn)，因此在激光加工、成像和打印、半導(dǎo)體工程及生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)等領(lǐng)域取得了良好的應(yīng)用。作為該系統(tǒng)中的核心部分，掃描振鏡的性能是系統(tǒng)外特性的關(guān)鍵。而其主要組成部分中的擺角電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器則受到了國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)的重視及投入。當(dāng)前在此方向處于領(lǐng)先狀態(tài)的公司機(jī)構(gòu)主要集中在國外，如美國的CTI與GSI振鏡，德國的SCANLAB等等。

本文針對此方面的需求設(shè)計(jì)了一款基于微處理芯片STM32F103控制的擺角電機(jī)數(shù)字驅(qū)動(dòng)器。根據(jù)其工作需求設(shè)計(jì)了電機(jī)工作運(yùn)動(dòng)軌跡，對擺角電機(jī)進(jìn)行建模分析，采用經(jīng)典的伺服控制，并且其工作所需的特殊的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)了相對應(yīng)的方法。試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)取得了較高的控制精度及性能，滿足了產(chǎn)品的需求，且系統(tǒng)具有較強(qiáng)的拓展性，可應(yīng)用于各種不同的擺動(dòng)工作系統(tǒng)中。

1 振鏡掃描系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的振鏡掃描系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成，即：擺角電機(jī)、角位置傳感器與數(shù)字驅(qū)動(dòng)器。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1振鏡掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由圖1可見，掃描系統(tǒng)主要由數(shù)字驅(qū)動(dòng)器、擺角電機(jī)與角位置傳感器等組成。在系統(tǒng)工作時(shí)，當(dāng)嵌入式微處理器收到由上位機(jī)送來掃描指令后，開始驅(qū)動(dòng)擺角電機(jī)的轉(zhuǎn)子按預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程中嵌入式微處理器通過對角位置傳感器傳感的擺鏡實(shí)際位置和預(yù)先設(shè)定的理論位置進(jìn)行誤差控制運(yùn)算，得到相應(yīng)的控制信號(hào)以驅(qū)動(dòng)擺角電機(jī)動(dòng)作，最終使擺鏡按照設(shè)定的運(yùn)動(dòng)曲線運(yùn)動(dòng)。

振鏡掃描系統(tǒng)中的角位置傳感器一般有電容式和光電式兩種。電容式傳感器由上下極板和中間旋轉(zhuǎn)的介質(zhì)片組成。結(jié)構(gòu)相對于光電式角位置傳感器較為復(fù)雜，線性度稍差；介質(zhì)片是影響傳感器精度的關(guān)鍵，目前高性能的介質(zhì)片價(jià)格高、采購困難。由于電容式傳感器本身的電容很小，而其因轉(zhuǎn)動(dòng)而引起變化量更小，對其分辨率有著一定的影響，而且傳感器的電路板中各個(gè)位置的布線電容、雜散電容和寄生電容都會(huì)引起一定的測量誤差，這些因素的存在使得電容式角位置傳感器并不是本系統(tǒng)的最優(yōu)選擇。

光電式傳感器是由光敏元件作為敏感器件來感應(yīng)角度位置變化的傳感器，它具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、頻帶寬、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，相比于電容式角位置傳感器，光電式角位置傳感器體積更小，旋轉(zhuǎn)部件慣量也更小。這些優(yōu)點(diǎn)使得其更適用于振鏡掃描系統(tǒng)，故本系統(tǒng)采用光電式傳感器作為其角位置傳感器。

數(shù)字驅(qū)動(dòng)器使用了STM32F103系列的ARM芯片作為其主控芯片，它豐富的內(nèi)部資源可提供系統(tǒng)在復(fù)雜伺服要求下高性能的穩(wěn)定工作，而且還能為擺動(dòng)系統(tǒng)提供良好的拓展性，可預(yù)先設(shè)計(jì)多種運(yùn)動(dòng)軌跡和通信方式以適應(yīng)各種擺動(dòng)應(yīng)用的需求。

2 擺角電機(jī)建模

振鏡掃描系統(tǒng)中所使用的擺角電機(jī)的具體參數(shù)如表1所示。

表1擺角電機(jī)性能參數(shù)

參數(shù)值參數(shù)值有效掃描角度θ/(°)±20小步長階躍響應(yīng)時(shí)間t/s≤0．35轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J/(g·cm2)2．4(±10%)力矩系數(shù)KT/(N·m·A-1)0．02(±10%)繞組電阻Rs/Ω1．03繞組電感LS/μH350峰值電流IP/A≤25

由擺角電機(jī)的工作原理可得：

(1)

T=BlSNISdr

(2)

同時(shí)可知電機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)矩平衡方程：

T=gθ+Jd2θdt2+fdθdt

(3)

式中：J為電機(jī)轉(zhuǎn)子和軸上反射鏡片轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和；θ為電機(jī)轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角度；f為電機(jī)內(nèi)部的摩擦系數(shù)；g為扭力棒的彈性系數(shù)。

電機(jī)電樞平衡方程：

E=RIS+LdISdt+kbdθdt

(4)

式中：R是電樞電阻；L為電樞電感；kb為電機(jī)反電動(dòng)勢系數(shù)。將式(3)聯(lián)立可得電機(jī)轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角度θ與電樞電流以及電樞電壓的關(guān)系如下：

IS=gθ+Jd2θdt2+fdθdtBlsNdr

(5)

E=1BlSNdr[Jd3θdt3+(J+f)d2θdt2+(f+g)dθdt+

Rgθ]+kbdθdt

(6)

式(6)經(jīng)過拉氏變化可得：

H(s)=θ(s)E(s)=KtR(Ls+R)(Js2+fs+g)+KtKbs

(7)

式中:Kt=BlSNdr。

由此可看出，該系統(tǒng)是一個(gè)三階系統(tǒng)，適合采用PID控制。

3 控制策略設(shè)計(jì)

掃描系統(tǒng)得到圖像的質(zhì)量及效率主要取決于掃描電機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中的線性度及掃描效率，而線性度取決于擺角電機(jī)在運(yùn)動(dòng)中速度的均勻程度，掃描效率則取決于電機(jī)勻速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，即電機(jī)掃描的角度。本掃描系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是效率要達(dá)到大于80%，普通的全程勻速而進(jìn)行的等腰三角波型運(yùn)動(dòng)在單程掃描模式下并不能實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，故對振鏡的運(yùn)動(dòng)軌跡有一定的設(shè)計(jì)，其具體運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示。

圖2振鏡運(yùn)動(dòng)軌跡

因?yàn)樗O(shè)計(jì)的振鏡系統(tǒng)是處于單程工作狀態(tài)的，所以其有效工作期在其正向運(yùn)動(dòng)的時(shí)間內(nèi)。故設(shè)計(jì)圖2中的運(yùn)動(dòng)軌跡，振鏡來回?cái)[動(dòng)周期中TS為振鏡的正方向運(yùn)動(dòng)時(shí)間，占周期T的90%，而反向歸位時(shí)間Tb只占周期T的10%。因此設(shè)計(jì)了位置電流雙閉環(huán)PID控制，以控制電機(jī)能按所設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。雙閉環(huán)的配合可使擺角電機(jī)具有高動(dòng)態(tài)性能，能實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng)和制動(dòng)，減少上升時(shí)間，縮小超調(diào)量，并且在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)控制其在各個(gè)動(dòng)作點(diǎn)的電流，從而控制轉(zhuǎn)矩使其達(dá)到系統(tǒng)要求，按所設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軌跡工作，其具體控制框圖如圖3所示。

圖3控制框圖

在圖3中，當(dāng)系統(tǒng)接收到位置信號(hào)后，先進(jìn)入位置環(huán)的控制，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)把指令信號(hào)與當(dāng)前位置信號(hào)進(jìn)行比較，然后進(jìn)行位置PID的計(jì)算，得到的位置環(huán)輸出作為電流環(huán)的輸入，進(jìn)而根據(jù)位置指令進(jìn)行輸出力矩的控制，因此保證電機(jī)輸出響應(yīng)的快速性、靈活性、準(zhǔn)確性。擺角電機(jī)雙閉環(huán)伺服設(shè)計(jì)時(shí)，為實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)過程各個(gè)拐點(diǎn)電機(jī)動(dòng)作的快速性，采用了PD控制作為其電流環(huán)控制算法，以保證電流的快速響應(yīng)；同時(shí)為了保證位置跟蹤的快速性、準(zhǔn)確性、無靜差，采用了PID控制作為位置環(huán)的控制算法。對于所設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軌跡而言，其中包含兩次快速轉(zhuǎn)向，此時(shí)對電機(jī)輸出的力矩有很大的需求。在電機(jī)對圖2的運(yùn)動(dòng)軌跡的跟蹤過程中，希望電機(jī)在各個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡拐點(diǎn)處有快速的力矩響應(yīng)，即在正向掃描的起動(dòng)時(shí)能快速地加速到運(yùn)動(dòng)軌跡的平均速度，在到達(dá)運(yùn)動(dòng)軌跡終點(diǎn)后能最快轉(zhuǎn)向并以最快速度返回起點(diǎn)并減速。同一套PID在這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下很難達(dá)到良好的效果，因此針對它的運(yùn)動(dòng)特性，對其運(yùn)動(dòng)動(dòng)作進(jìn)行劃分。根據(jù)控制需求分為正向上坡階段與反向下坡階段，對兩個(gè)階段不同的特點(diǎn)進(jìn)行了PID參數(shù)整定以適應(yīng)控制需求。綜合上述分析與設(shè)計(jì)，軟件實(shí)現(xiàn)的流程圖如圖4所示。

圖4軟件流程圖

軟件在啟動(dòng)后先對系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，使其處于準(zhǔn)備完畢等待指令的狀態(tài)。當(dāng)接收到控制指令后，程序會(huì)根據(jù)控制目標(biāo)的不同，對各個(gè)控制參數(shù)進(jìn)行針對性的計(jì)算及設(shè)置，以適應(yīng)不同的控制目標(biāo)，保證控制精度。在具體指令跟蹤控制時(shí)，根據(jù)所設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軌跡，程序會(huì)主動(dòng)判斷電機(jī)是在正方向上坡運(yùn)動(dòng)還是反向下坡運(yùn)動(dòng)，并根據(jù)判斷對電機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中的PID控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以保證電機(jī)在起動(dòng)、剎車及轉(zhuǎn)向時(shí)最大力矩輸出，以減小超調(diào)、提高效率并保證線性度良好。在運(yùn)動(dòng)中程序會(huì)一直保持判斷是否接收到新的指令，以便及時(shí)地掃描反應(yīng)。當(dāng)系統(tǒng)接收到新指令后會(huì)返回到控制參數(shù)初始化環(huán)節(jié)，重新根據(jù)工作需求進(jìn)行控制參數(shù)計(jì)算及配置；如果沒有則繼續(xù)進(jìn)行當(dāng)前舊指令的跟蹤控制，并在完成后重復(fù)上述步驟，完成軟件的有序循環(huán)控制。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖5是通過示波器監(jiān)測到的擺角電機(jī)工作狀態(tài)，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為電壓，其中波形2為閉環(huán)系統(tǒng)所接受到的位置指令，波形1為擺角電機(jī)的角位置傳感器的輸出，即為電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。

由圖5可見，電機(jī)在跟蹤既定的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)響應(yīng)速度完全能跟上所設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并且沒有觀測到明顯超調(diào)。為觀測波形的效率及線性度對此波形的某一周期進(jìn)行分離與放大，具體如圖6所示。

圖5試驗(yàn)波形

圖6試驗(yàn)波形單周期放大圖

可見波形1基本符合本文所設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軌跡，其有效工作段，即上升階段，線性度良好，并且占總周期的83.3%以上，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5 結(jié) 語

本文討論了振鏡掃描系統(tǒng)的組成及其控制策略的設(shè)計(jì)，對其運(yùn)動(dòng)方式及控制進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)，最后用試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)具有較強(qiáng)的伺服性能及穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)振鏡掃描系統(tǒng)在實(shí)際工作時(shí)所需要的性能，對于振鏡掃描類產(chǎn)品的研制及發(fā)展有很大的幫助。同時(shí)因?yàn)镾TM32F103芯片的使用，使得本系統(tǒng)還具有靈活的拓展性，其運(yùn)動(dòng)軌跡可根據(jù)不同應(yīng)用進(jìn)行定制，且通訊方式也能依應(yīng)用情況進(jìn)行拓展，使其可以用于各種擺動(dòng)工作系統(tǒng)中。

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