激光跟蹤儀兩級(jí)雙軸聯(lián)動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)研究

楊 艷，黃 劼，曾 力

（四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

0引言

激光跟蹤儀是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展而設(shè)計(jì)研發(fā)的高精度測(cè)量?jī)x器，具有測(cè)量精度高，測(cè)量距離遠(yuǎn)，可現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，動(dòng)、靜態(tài)測(cè)量方式兼?zhèn)涞忍攸c(diǎn)，在航空航天、重型機(jī)械、發(fā)電設(shè)備、船舶工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值[1]。但因其是隨動(dòng)系統(tǒng)，要求轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，保持高靈敏度的同時(shí)還要擁有很高的測(cè)量精度。為了滿足這些要求，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面采用了兩級(jí)聯(lián)動(dòng)控制方式[2]，在控制方面選擇了三環(huán)校正的閉環(huán)控制系統(tǒng)以及雙極性PWM控制方式。

1 兩級(jí)雙軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)

激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)要求定點(diǎn)跟蹤角度控制誤差不大于1″，動(dòng)態(tài)跟蹤角度控制誤差不大于2″，并且因其運(yùn)動(dòng)控制測(cè)量系統(tǒng)是隨動(dòng)系統(tǒng)，要求轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，低速性能穩(wěn)定，響應(yīng)速度快。

該跟蹤控制系統(tǒng)所需的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出功率不大，但要求驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有高的轉(zhuǎn)角精度和良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因此驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)第1級(jí)采用直流力矩電機(jī)，它能夠長(zhǎng)期處于堵轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，具有反應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動(dòng)小、線性度好、能在很低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)[3]。該機(jī)構(gòu)中的控制機(jī)構(gòu)直流力矩電機(jī)是一種由伺服電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)相結(jié)合形成的特殊電機(jī)，可以不用齒輪的減速機(jī)構(gòu)，使電機(jī)與負(fù)載軸直接耦合，消除了由于齒隙而引起的非線性因素，可使系統(tǒng)的放大倍數(shù)做得很高而保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，同時(shí)由于直接驅(qū)動(dòng)縮短了傳動(dòng)鏈，提高了裝置的機(jī)械耦合剛度，減少了傳動(dòng)部件的彈性變形，因此具有高的速度、位置精度和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)性[4-5]。單獨(dú)使用力矩電機(jī)無法滿足儀器的精度要求，在設(shè)計(jì)時(shí)選擇音圈電機(jī)作為第2級(jí)控制，音圈電機(jī)的動(dòng)子質(zhì)量輕且機(jī)械慣性小，具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能和控制特性，與閉環(huán)控制系統(tǒng)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)高精度的速度伺服控制，在光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)、空間遙感儀器等方面都有著廣泛的應(yīng)用[6]。如圖1所示，跟蹤測(cè)量時(shí)，水平轉(zhuǎn)軸和垂直轉(zhuǎn)軸都由各自的第1級(jí)控制機(jī)構(gòu)粗調(diào)，當(dāng)跟蹤角度控制精度達(dá)到30″后，再由第2級(jí)控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行精調(diào)達(dá)到1″的控制精度。因?yàn)榧す飧檭x控制系統(tǒng)跟蹤在三維空間移動(dòng)的反射鏡，因此必須依靠水平轉(zhuǎn)軸和垂直轉(zhuǎn)軸聯(lián)合協(xié)作才能正常跟蹤，這種采用分級(jí)協(xié)作的跟蹤控制方法稱為兩級(jí)雙軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)。

圖1 兩級(jí)雙軸聯(lián)動(dòng)控制總體方案圖

力矩電機(jī)和直線音圈電機(jī)安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。力矩電機(jī)直接固定在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸隨力矩電機(jī)旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。直線音圈電機(jī)通過彈簧片與電磁鐵相連接，電磁鐵與音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)盤距離很近，音圈電機(jī)制動(dòng)盤固定轉(zhuǎn)軸上。電磁鐵通電吸附在音圈制動(dòng)盤上，音圈電機(jī)就可以通過對(duì)音圈電機(jī)制動(dòng)盤的推動(dòng)作用起到精確調(diào)節(jié)作用。

圖2 兩級(jí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝結(jié)構(gòu)圖

2 兩級(jí)雙軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)原理

2.1 三環(huán)校正閉環(huán)控制系統(tǒng)

當(dāng)激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)跟蹤模式時(shí)，反射鏡隨測(cè)量目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)測(cè)量光的返回光產(chǎn)生位置偏差，PSD傳感器采集偏差量并處理輸入到控制系統(tǒng)中，輸入信號(hào)經(jīng)位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)校正后進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，生成雙極性PWM控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成閉環(huán)控制（定點(diǎn)位置跟蹤模式是以光電編碼器數(shù)據(jù)與需要定位的定點(diǎn)位置數(shù)據(jù)之差作為輸入信號(hào)）。控制流程圖如圖3所示。

激光跟蹤儀控制系統(tǒng)是基于三環(huán)校正的閉環(huán)控制系統(tǒng)，即電流環(huán)、位置環(huán)和速度環(huán)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。電流環(huán)是檢測(cè)電機(jī)電樞電流，通過對(duì)電流的監(jiān)控達(dá)到監(jiān)控電機(jī)力矩的反饋回路，電流環(huán)一般作為控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，這對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的電機(jī)來說非常有用，可以使電機(jī)一直以固定或期望的電流進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)電流不會(huì)因?yàn)樨?fù)載的變化而變化。電流環(huán)主要由霍爾器件組成，通過有源運(yùn)算放大電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，某些電路中由于電流方向可能會(huì)改變，一般再通過加法電路將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以測(cè)量的正電壓信號(hào)。速度環(huán)是通過檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到調(diào)節(jié)作用的反饋回路，通過速度環(huán)的監(jiān)控，可以實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速，對(duì)負(fù)載變化引起的速度變化具有較強(qiáng)的抑制作用等。速度環(huán)采用絕對(duì)式光電編碼器來檢測(cè)轉(zhuǎn)速變化，絕對(duì)式光電編碼器具有精度較高、斷電后有數(shù)據(jù)保持功能等特點(diǎn)。位置環(huán)是高精度伺服控制中比較重要的反饋環(huán)節(jié)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)指令的快速、準(zhǔn)確跟蹤定位，通過設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)奈恢铆h(huán)調(diào)節(jié)，可改善系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性，達(dá)到要求的動(dòng)、靜態(tài)性能。

圖3 控制流程圖

2.2 基于數(shù)字PI調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制

PID控制是指在系統(tǒng)控制中按偏差的比例、積分和微分運(yùn)算來進(jìn)行控制的方法，由于PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)調(diào)節(jié)方便，是成熟且應(yīng)用廣泛的調(diào)節(jié)技術(shù)，并可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行在線調(diào)試，以得到滿意的控制效果。通常依據(jù)控制器的輸出與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字PID算法分為位置PID和增量式PID兩種[6-9]。

激光跟蹤儀跟蹤控制系統(tǒng)輸入量為PSD偏差信號(hào)或定點(diǎn)位置數(shù)據(jù)，控制算法采用增量式PI調(diào)節(jié)，比例調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)能對(duì)偏差做出瞬間快速反應(yīng)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器產(chǎn)生控制作用使控制量向著減小偏差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)Kp。積分調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)把偏差累積的結(jié)果作為輸出，只要偏差存在，積分器的輸出就會(huì)不斷增大，直至偏差為零時(shí)才停止作用。因此，積分環(huán)節(jié)能消除系統(tǒng)的靜差，但會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)輸出的超調(diào)。

2.3 雙極性PWM控制方式

跟蹤控制系統(tǒng)應(yīng)具有動(dòng)態(tài)跟蹤和靜態(tài)保持的能力，同時(shí)還必須具有較高的跟蹤精度，用一般的模擬控制方案很難達(dá)到精度要求。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)有很多技術(shù)，數(shù)字式控制是基于微處理器或微控制器通過算法生成PWM脈沖，利用PWM脈沖輸出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，控制信號(hào)皆以數(shù)字方式傳輸，受外界干擾較小，且配合位置、速度反饋回路可以實(shí)現(xiàn)高精度的動(dòng)態(tài)控制[10-11]。

激光跟蹤儀跟蹤控制系統(tǒng)采用雙極性PWM控制方式H形結(jié)構(gòu)。該方式的優(yōu)點(diǎn)是電流一定連續(xù)，可使電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)仍有電流通過，電機(jī)處于高頻微振動(dòng)狀態(tài)，這種狀態(tài)能消除摩擦死區(qū)；低速時(shí)每個(gè)IGBT管的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證IGBT管可靠導(dǎo)通；低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍很寬[12]。H型雙極模式PWM控制的功率轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖4所示。它由4個(gè)大功率晶體管（V1、V2、V3、V4）和 4 個(gè)續(xù)流二級(jí)管（VD1、VD2、VD3、VD4）組成。4個(gè)晶體管分成2組，V1和V4為一組、V2和V3為另一組。同一組的2個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通、關(guān)斷，2組晶體管交替導(dǎo)通和截止信號(hào)。

圖4 H型雙極性PWM控制工作原理圖

激光跟蹤儀軸系部分的負(fù)載較小，電機(jī)工作在輕載模式下，對(duì)H型雙極模式PWM控制的工作過程進(jìn)行描述，其中電動(dòng)機(jī)的電壓和電流波形變化如圖5 所示。當(dāng) 0≤tEg）時(shí)，電樞電流 is沿回路 1（經(jīng) V1和 V4）從 a 流向 b，電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)。當(dāng) t1≤t

圖5 電動(dòng)機(jī)電壓、電流波形圖

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，對(duì)所研制的激光跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了靜態(tài)跟蹤精度的測(cè)量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 靜態(tài)跟蹤精度的測(cè)量結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該控制方式下的激光跟蹤儀的精度已經(jīng)達(dá)到預(yù)期要求。

3 結(jié)束語

激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、測(cè)量速度快、方便移動(dòng)等特點(diǎn)，在航空航天、汽車制造、電子工業(yè)、高能粒子加速器工程以及大尺寸計(jì)算等行業(yè)中，均有廣泛應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)向尺寸小型化、精度更高方向發(fā)展，具有非常好的發(fā)展前景。

軸系控制精度是激光跟蹤儀測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量精度的主要影響因素，該系統(tǒng)兩級(jí)雙軸聯(lián)動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)激光跟蹤儀跟蹤控制系統(tǒng)，通過先粗調(diào)再精調(diào)的方式以達(dá)到測(cè)量精度，控制算法采用加入三環(huán)校正的PI調(diào)節(jié)算法。激光跟蹤儀測(cè)距系統(tǒng)雖然達(dá)到了預(yù)期的效果，但動(dòng)態(tài)時(shí)測(cè)量速度仍有待提高。

[1]殷純永.儀器科學(xué)與技術(shù)發(fā)展建議[J].中國機(jī)械工程，2000，11（3）：264-269.

[2] 何海鴻，張旭東，陳明凱.地平坐標(biāo)雙軸跟蹤系統(tǒng)中高度角的控制與檢測(cè)[J].中國測(cè)試，2009，35（4）：1-3.

[3] 郭霞，李海濤，馬新星.基于模糊免疫PID控制的力矩電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，25（3）：263-266.

[4] 劉麗，韓震宇，李龍，等.基于ATmega16單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)加減速控制[J].中國測(cè)試技術(shù)，2007，33（6）：106-108.

[5] 談宏華，賴旭員，陳家林.基于ATmega16的氣動(dòng)標(biāo)記控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（4）：100-102.

[6] 趙淳生.超聲電機(jī)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[7] 武昌俊.PID模糊控制器的改進(jìn)[J].安徽工程科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，19（1）：40-44.

[8] 舒欣梅，王軍.基于遺傳算法的可調(diào)因子模糊PID控制器的設(shè)計(jì)[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，27（6）：23-24.

[9] 吳紅星，謝宗武，張強(qiáng).基于DSP電機(jī)控制技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2008.

[10]秦繼榮，沈安俊.現(xiàn)代直流伺服控制技術(shù)及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[11]陳娟.伺服系統(tǒng)低速特性與抖動(dòng)補(bǔ)償研究[D].長(zhǎng)春：中科院長(zhǎng)春光機(jī)所圖書館，2001.

[12]周長(zhǎng)義，李清軍，葛文奇.雙極模式PWM控制在提高大功率伺服系統(tǒng)低速性能中的應(yīng)用[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，27（4）：109-111，90.