蔡華祥，吳興校，陳 強，李 彬

( 1. 國家精密微特電機工程技術(shù)研究中心，貴陽 550081；2. 貴州航天林泉電機有限公司，貴陽 550081；3. 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)院中心，北京 100190 )

0 引 言

隨著航空航天領(lǐng)域各方面技術(shù)的快速發(fā)展，人們對空間領(lǐng)域的探測需求不斷增加，探測的難度也在逐漸加大[1-2]。在探測任務(wù)中，常用的探測方式通常是通過衛(wèi)星或者飛船搭載不同的載荷，如雷達、天線、微波輻射計、光學(xué)儀器等[3-4]。通過控制衛(wèi)星上搭載的伺服掃描機構(gòu)其運行的轉(zhuǎn)速、角度來調(diào)節(jié)雷達、光學(xué)儀器的姿態(tài)，從而實現(xiàn)準(zhǔn)確的定位及對地觀測。此外，由于空間伺服掃描機構(gòu)通常執(zhí)行的是周期性的掃描任務(wù)，在執(zhí)行過程中，要求嚴(yán)格控制每個周期的掃描時間、掃描轉(zhuǎn)速等。因此，在實現(xiàn)高質(zhì)量的探測任務(wù)時，需要保證高響應(yīng)、高精度、高穩(wěn)定的驅(qū)動控制性能[5-6]。

本文針對空間機構(gòu)變速掃描任務(wù)的需求，開展了掃描機構(gòu)驅(qū)動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計。同時針對機構(gòu)不同的掃描方式，研究了系統(tǒng)路徑規(guī)劃算法。通過實驗測試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)速度控制精度在1%以內(nèi)，定位精度在0.02度以內(nèi)，整個掃描周期控制誤差在3 ms左右，表明所設(shè)計的系統(tǒng)及算法能夠滿足空間掃描任務(wù)對伺服驅(qū)動機構(gòu)的要求。

1 伺服掃描機構(gòu)組成及功能需求

1.1 掃描機構(gòu)組成

整個掃描機構(gòu)由三大部分組成包含：伺服驅(qū)動器、執(zhí)行機構(gòu)和掃描負(fù)載。如圖1所示，各部分功能描述如下。

圖1 掃描機構(gòu)

掃描負(fù)載是一個接收鏡，其主要功能是完成黑體定標(biāo)、冷空定標(biāo)和對地觀測。

執(zhí)行機構(gòu)由一個低轉(zhuǎn)矩波動的永磁同步電機，和兩臺高精度的雷尼紹光柵尺組成。兩個光柵尺的分辨率最高可以到32位，以互成180°的位置差安裝。伺服掃描機構(gòu)工作時，以其中一臺光柵尺作為位置傳感器，另外一臺傳感器作為備份。當(dāng)其中一路傳感器出現(xiàn)問題時，切換另外一路傳感器作為位置傳感器。

伺服驅(qū)動器以主控DSP2812為核心處理器，搭載雙光柵尺信號解碼電路、串口通信電路、信號采樣電路、驅(qū)動電路以及功率逆變電路等。

1.2 功能需求

根據(jù)掃描機構(gòu)需要完成的任務(wù)，伺服系統(tǒng)需要具備三個功能：高精度定位工作模式，勻速工作模式和變速掃描工作模式。

高精度定位工作模式：系統(tǒng)根據(jù)給定的指令，定位到所給的位置角度，且定位精度要求在0.02°以內(nèi)。

勻速工作模式：伺服機構(gòu)以66°/s的速度作勻速掃描，轉(zhuǎn)速控制精度在1°/s以內(nèi)。

變速掃描工作模式：機構(gòu)以2°為轉(zhuǎn)動起始位置，逆時針轉(zhuǎn)動，整個掃描周期2.8 s。有效觀測區(qū)間有兩個。(1)黑體定標(biāo)：358°～2°，角度區(qū)間4°，勻速掃描，觀測時間0.2 s；(2)冷空定標(biāo)和對地觀測：106°～238°，角度區(qū)間132°，勻速掃描，觀測時間2 s；其余角度區(qū)間都是數(shù)據(jù)無效觀測區(qū)間。伺服機構(gòu)做周期性變速掃描，每個掃描周期誤差小于±5 ms。

2 伺服掃描機構(gòu)控制原理

掃描機構(gòu)需要完成角度定位、勻速掃描、周期性變速掃描三種工作模式，因此伺服系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)采用常規(guī)的三環(huán)控制結(jié)構(gòu)。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，實現(xiàn)電流和轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)控制控制。中間環(huán)為速度環(huán)，實現(xiàn)機構(gòu)速度的快速穩(wěn)定控制。外環(huán)為位置環(huán)，實現(xiàn)角度的精準(zhǔn)定位[7]?？刂平Y(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 控制結(jié)構(gòu)框圖

圖中,Gi(s)、Gv(s)、Gp(s)分別為電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的控制器。位置給定和速度給定分別為系統(tǒng)給定，根據(jù)不同的工作模式來選擇執(zhí)行給定速度還是給定位置。位置反饋信號選用32位的雷尼紹光柵尺來獲取，速度信號根據(jù)得到的位置信號，通過差分的方式來得到。電流反饋信號通過電流傳感器采集得到。

永磁同步電機采用空間矢量控制方式，由于所設(shè)計的電機為表貼式永磁同步電機，其兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電磁學(xué)方程為

(1)

其中,ud,uq分別為dq坐標(biāo)下的q軸、d軸電樞電壓分量；iq,id分別為dq坐標(biāo)下的q軸、d軸電樞電流；Rs為電樞繞組電阻；ψq,ψd分別為dq坐標(biāo)下定子磁鏈分量；φ是轉(zhuǎn)子磁鋼在定子繞組上的耦合磁鏈；Ld,Lq分別為dq坐標(biāo)下的q軸、d軸等效電樞電感分量[8]。

同步電機運動學(xué)方程如式(2)所示。

(2)

表貼式同步電機中，Lq≈Ld，進而有如下關(guān)系：

(3)

因此，對于表貼式同步電機而言，通常采用id=0的控制方式。通過控制直軸電流iq就可以間接地控制同步電機電磁轉(zhuǎn)矩，進而控制同步電機的轉(zhuǎn)速和位置。

3 軟件設(shè)計

3.1 反饋信號獲取

伺服控制器三閉環(huán)控制需要四個反饋信號：q軸電流信號、d軸電流信號、速度信號和位置信號。其中q軸電流和d軸電流是由相電流經(jīng)過park變換和clark變換而來。相電流通過電流傳感器實時采樣獲取。

速度信號則利用位置傳感器通過M測速法來獲取。通過測試固定時間t內(nèi)的位置脈沖個數(shù)ΔM,計算ΔM/t來得到實時的速度信號。由于速度信號的獲取還是需要通過位置信號轉(zhuǎn)換得到。因此，在該掃描機構(gòu)中，位置信號的獲取至關(guān)重要。

在硬件設(shè)計方面，電流信號通過電流傳感器檢測后變?yōu)槟M信號，利用主控芯片DSP的AD采樣口實時采集。位置信號則需要根據(jù)位置傳感器的信號類型設(shè)計相應(yīng)的處理電路。如圖所示，由于所選用的位置傳感器為雷尼紹的絕對式光柵尺。該傳感器的信號輸出為BISS-C協(xié)議的數(shù)據(jù)。該協(xié)議通信方式需要主控給定時鐘信號，時鐘頻率范圍從100 kHz到10 MHz，然后可以從傳感器的SLO口獲取含有位置信息的數(shù)據(jù)包。針對BISS-C協(xié)議的數(shù)據(jù)，通常的解析方式有兩種，一種是通過專用的IC芯片來解析，另一種是通過FPGA芯片，按照相應(yīng)協(xié)議來解析。兩種方式都可以，但限制了整個伺服驅(qū)動器的開發(fā)。對于電機控制而言，采用專用的控制芯片，有利于控制算法的實現(xiàn)。因此，在大多數(shù)類似伺服控制系統(tǒng)，通常會采用DSP加FPGA的雙核控制芯片。這樣無疑增加系統(tǒng)的體積和成本，同時降低了系統(tǒng)的可靠性。

本文中，考慮到位置傳感器的BISS協(xié)議與DSP的SPI通信口類似。同時SPI通信的時鐘頻率最高可到36 MHz，完全能夠完全覆蓋位置傳感器通信時鐘的要求。因此，采用DSP2812作為該伺服掃描機構(gòu)的主控芯片，同時利用2812的SPI口實現(xiàn)位置信號的解析，硬件連接示意圖如圖3所示。

圖3 編碼器硬件連接圖

首先初始化DSP并進行SPI模塊設(shè)置，設(shè)置SPI的FIFO發(fā)送延時為0，使能SPI模塊的發(fā)送FIFO與接收FIFO功能。向SPI的發(fā)送FIFO連續(xù)放入M個16位長度的數(shù)據(jù)，用來產(chǎn)生連續(xù)的M*16個周期的時鐘信號，并作為傳感器的時鐘輸入。BISS-C協(xié)議在Ack段的最后一個位與起始位和零位組成了二進制數(shù)3’b010，對讀取的數(shù)據(jù)從第一位向最后一位順序進行對比查找，如圖4所示。數(shù)據(jù)解析完后，若錯誤位、報警位、位置校驗與溫度校驗無誤，則截取位置信號與溫度信號通過換算公式，得出當(dāng)前轉(zhuǎn)臺的實際位置與傳感器溫度。輸出處理流程如圖5所示。

圖4 編碼器讀寫時序

圖5 程序流程

3.2 路徑規(guī)劃

根據(jù)系統(tǒng)需求，可以知道，對于整個掃描機構(gòu)，需要確保兩個勻速段區(qū)間的速度穩(wěn)定。一是358°到2°的角度區(qū)間，這段區(qū)間要求速度為20°/s；二是106°到238°的角度區(qū)間，這段區(qū)間要求的速度是66°/s。因此，對于整個掃描機構(gòu)，需要規(guī)劃2°到106°，以及238°到358°這兩段區(qū)間的速度曲線。此外，考慮到過大的加速度對系統(tǒng)機構(gòu)存在較大的沖擊振動影響，加速度或者減速度應(yīng)該盡可能小。機構(gòu)運行時間要求嚴(yán)格控制在2.8 ms以內(nèi)，對于該機構(gòu)的速度路徑規(guī)劃如下：

在2°到54.9°的區(qū)間內(nèi)，以加速度為5426°/s2的速度加速運行；

在54.9°到106°的區(qū)間內(nèi)，以減速度為5661°/s2的速度減速運行；

在106°到238°的區(qū)間內(nèi)，以66°/s的速度勻速運行；

在238°到295.7°的區(qū)間內(nèi)，以加速度為4943°/s2的速度加速運行；

在295.7°到358°的區(qū)間內(nèi)，以減速度為4613°/s2的速度減速運行；

在358°到2°的區(qū)間內(nèi)，以20°/s的速度勻速運行。

具體速度隨時間的規(guī)劃路徑如式(4)所示。

根據(jù)速度隨時間的路徑規(guī)劃可以擬合出位置隨時間的規(guī)劃路徑如式(5)所示。

(4)

(5)

機構(gòu)的起始角度為2°的位置，經(jīng)過一個周期后又回到2°的位置結(jié)束。因此，在位置的路徑規(guī)劃過程中，最后一段時間區(qū)間內(nèi)，所計算的位置大于360°時，應(yīng)該減去360°。所規(guī)劃的位置和速度如圖6所示。

圖6 規(guī)劃位置和速度曲線

3.3 控制器設(shè)計

電流環(huán)控制器同樣采樣的是積分限幅PI控制器，盡管電流環(huán)是兩個控制回路id和iq，但兩環(huán)可以采樣相同的控制器，控制器結(jié)構(gòu)如下：

(6)

速度環(huán)和位置環(huán)采用的控制算法為帶積分限幅的PI控制器和輸出限幅比例控制器。

積分限幅PI控制器：

(7)

比例控制器：

Gp(s)=Kpe(t)

(8)

4 實驗測試

4.1 轉(zhuǎn)速精度測試

本次轉(zhuǎn)速精度測試根據(jù)變速掃描模式、勻速模式選取了三個速度進行測試，分別是20°/s，66°/s，120°/s。衛(wèi)星轉(zhuǎn)臺以120°/s勻速運行的速度及位置曲線如圖7所示，速度均方根為119.434°/s，誤差為0.57°/s；衛(wèi)星轉(zhuǎn)臺以66°/s勻速運行的速度及位置曲線如圖8所示，速度均方根為65.62°/s，誤差為0.48°/s。衛(wèi)星轉(zhuǎn)臺以20°/s勻速運行的速度及位置曲線如圖9所示，速度均方根為19.192°/s，誤差為0.81°/s。

圖7 120 °/s速度和位置曲線

圖8 60 °/s速度和位置曲線

圖9 20 °/s速度和位置曲線

轉(zhuǎn)速精度實驗結(jié)果如表1所示。

表1 速度精度試驗結(jié)果

從表1可以看出，三個速度測試結(jié)果中，120°/s和66°/s下轉(zhuǎn)速精度能夠滿足任務(wù)書指標(biāo)要求。20°/s下的轉(zhuǎn)速精度稍差，主要原因在于，此時電機的轉(zhuǎn)速約為3.3 r/min，而電機的轉(zhuǎn)速要求為0～100 r/min。電機在設(shè)計時，額定轉(zhuǎn)速應(yīng)按100 r/min的速度設(shè)計。3.3 r/min對應(yīng)為額定轉(zhuǎn)速百分之十以內(nèi)，此時電機端的控制電壓同樣約為額定電壓下的百分之十以內(nèi)，而電機的齒槽轉(zhuǎn)矩是固有存在的。因此在極低速時，齒槽轉(zhuǎn)矩導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩波動將會比較明顯。故通常情況下，轉(zhuǎn)速精度應(yīng)只針對額定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)速精度。

4.2 定位精度測試

伺服機構(gòu)位置角度采用的是32位的傳感器，由于數(shù)據(jù)傳輸線路較長，且為了保證10 k的位置采樣，傳感器的波特率為1.5 Mbps，所以導(dǎo)致數(shù)據(jù)干擾較大，根據(jù)讀取位置信號的跳動情況，有效位僅為18位。所以程序選用18位精度的數(shù)據(jù)，角度測試精度可達0.00137°。

通過上位機發(fā)送給定位置指令，分別給定驅(qū)動器發(fā)送0°、90°、180°和270°四個位置指令，通過讀取編碼器的位置值，可以看出各個位置點下的位置誤差。表2是隨機幾個點的定位測試結(jié)果。從表中可以看出，四個位置點最大的位置誤差為0.02°，嚴(yán)格在任務(wù)書要求的0.02°以內(nèi)。

表2 定位精度試驗結(jié)果

4.3 變速掃描模式測試

(1)變速掃描運動規(guī)劃

①從起始位置2°開始掃描，2°-106°，角度區(qū)間104°，為無效數(shù)據(jù)區(qū)間，運動模式為變速掃描，時間為0.26 s；②106°-238°，角度區(qū)間132°，此區(qū)間為冷空定標(biāo)和對地觀測有效區(qū)間，運動模式為勻速掃描，觀測時間2 s；③238°-358°，角度區(qū)間120°，為無效數(shù)據(jù)區(qū)間，運動模式為變速掃描，時間為0.3 s；④358°-2°，角度區(qū)間4°，時間0.2 s，此區(qū)間為有效觀測區(qū)間，運動模式為勻速掃描，用于黑體定標(biāo)；

接下來再從①-④循環(huán)往復(fù)掃描觀測。

(2)變速掃描運動測試結(jié)果

衛(wèi)星轉(zhuǎn)臺變速掃描模式一個轉(zhuǎn)動周期的規(guī)劃速度曲線和實際速度曲線如圖10所示。從圖中可以看到轉(zhuǎn)臺實際運行的速度曲線與給定的擬合速度曲線基本一致。

圖10 變速掃描模式一個轉(zhuǎn)動周期的速度曲線

圖11為一個完整的掃描周期下，實際速度運行曲線與轉(zhuǎn)臺實際位置的運動情況?？紤]到加速度過大時，轉(zhuǎn)臺受到的機械沖擊較大，從而影響系統(tǒng)的壽命。因此，減小了轉(zhuǎn)臺運行過程中的加速度，將整個掃描周期適當(dāng)延長了0.04 s，整個掃描周期為2.800 s。從圖中可以看到，轉(zhuǎn)臺要求勻速掃描的區(qū)間基本與任務(wù)書要求的一致。在106°到238°區(qū)間范圍內(nèi)，以66°/s的速度勻速運行。在358°到2°的區(qū)間范圍內(nèi)，以20°/s的速度勻速運行。其余兩個位置區(qū)間做變速運動掃描。

圖11 實際運行速度位置時間曲線

變速掃描模式下每周運行的時間曲線如圖12所示，單位為ms，平均用時為2.795 s。經(jīng)過連續(xù)30個周期的連續(xù)運行后，統(tǒng)計了30個周期內(nèi)每周期所運行的時間，運行周期最長的時間為2.7968 s，用時最短的周期為2.7935，從而在30個周期內(nèi)每周運行的時間誤差最大為3.3 ms。

圖12 變速掃描模式下每周運行的時間曲線

5 結(jié) 論

本文針對掃描機構(gòu)系統(tǒng)的需求，開展了控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計以及算法設(shè)計。首先提出了一種基于DSP芯片的BISS協(xié)議解碼的系統(tǒng)方案，從而將編碼器輸出的BISS協(xié)議碼與電機的控制算法共同集中到一塊MCU處理。相比傳統(tǒng)采用FPGA或者專用解碼芯片的方式，降低了系統(tǒng)的體積和成本。其次，根據(jù)掃描機構(gòu)不同的掃描方式，研究了系統(tǒng)速度和位置路徑規(guī)劃算法。并將其用于系統(tǒng)試驗驗證，通過試驗測試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)速度控制精度在1%以內(nèi)，定位精度在0.02°以內(nèi)，整個掃描周期控制誤差在3 ms左右，表明所設(shè)計的系統(tǒng)及算法能夠滿足空間掃描任務(wù)對伺服驅(qū)動機構(gòu)的要求。