基于Compax3的光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)

于丹，陳娟 ,2，王威立 ，梁偉

（1.長春工業(yè)大學 電氣與電子工程學院，吉林 長春130012； 2.長春光學精密機械與物理研究所 光電對抗部，吉林 長春130033；3.鄭州航空工業(yè)管理學院機電工程學院，河南 鄭州450015； 4.空軍航空大學，吉林 長春130022）

1 引言

光電跟蹤系統(tǒng)是一種跟蹤空間機動目標的現(xiàn)代化測控設備，隨著對其捕獲跟蹤能力要求的不斷提高，對其子系統(tǒng)——伺服控制系統(tǒng)控制能力的要求也越來越高，而伺服控制器是伺服控制系統(tǒng)的核心，因此光電跟蹤系統(tǒng)對伺服控制器的要求越來越高。 目前國內(nèi)的伺服控制器主要有基于DSP 和CPLD 構成的伺服控制器和基于工控機PC104 構成的伺服控制器兩類。 這兩類伺服控制器雖能完成現(xiàn)有大部分任務的基本要求，但是還存在許多缺點。 因此本文將Compax3 伺服控制器應用到光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)中來提高系統(tǒng)的跟蹤精度和增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 為工程應用打下基礎。

2 光電跟蹤伺服系統(tǒng)組成

光電跟蹤系統(tǒng)具有方位和俯仰兩套獨立的跟蹤伺服系統(tǒng)，除了方位跟蹤系統(tǒng)有正割補償環(huán)節(jié)以外，兩套系統(tǒng)的結構基本相同[1]。因此本文僅以方位系統(tǒng)為例進行設計?；贑ompax3 伺服控制器和300STK 直流無刷直驅伺服電機建立光電跟蹤伺服系統(tǒng)轉臺，其方位系統(tǒng)采用Compax3 伺服控制器。 系統(tǒng)硬件關系圖如圖1所示。

圖1 伺服控制系統(tǒng)硬件關系圖Fig.1 The hardware relationship graph of servo control system

光電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤方式主要有電視跟蹤、數(shù)引跟蹤和單桿跟蹤。 其中電視自動跟蹤是比較常用的跟蹤方式[2]。 當跟蹤方式為數(shù)引跟蹤時，Compax3 在相應的伺服控制程序中將采用絕對位置運動模塊構成絕對位置運動。 當跟蹤方式為單桿跟蹤以及電視跟蹤時，Compax3 在相應的伺服控制程序中將采用相對位置運動模塊構成相對位置運動。

伺服電機和軸系采用直接耦合的連接方式。 軸系上安裝了光電軸角編碼器，并通過串口將其輸出信號直接送到Compax3 中進行讀取和處理。 Compax3 和主控機通過串口RS485 進行雙向通信，主控機不但能完成Compax3 的程序調(diào)試和下載，還能通過接收Compax3 傳送來的運行狀態(tài)進行分析和顯示。

3 Compax3 伺服控制器

Compax3 是由Parker 公司生產(chǎn)的高端伺服控制器。Compax3 自帶功率放大器，具有模塊化設計和參數(shù)自整定功能。

Compax3 采用模塊化設計，在絕對位置運動模塊和相對位置運動模塊中，Compax3 伺服控制器采用了電流環(huán)、 速度環(huán)和位置環(huán)3 個閉環(huán)回路進行控制。 控制原理如圖2所示。 控制器自身帶有閉環(huán)校正系數(shù)自整定功能。 在對基于Compax3 伺服控制器的光電跟蹤伺服系統(tǒng)進行設計時，不需要測試被控對象的傳遞函數(shù)。只需運行前對Compax3 進行初始化，Compax3在進行初始化時，電機會轉動一下，系統(tǒng)進而能測試出負載的慣量。 控制器根據(jù)系統(tǒng)初始化時得到的驅動器和電機參數(shù)，并結合負載的慣量得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，然后根據(jù)傳遞函數(shù)生成各個環(huán)節(jié)的校正系數(shù)。

圖2 Compax3 位置回路結構圖Fig.2 The position loop structure diagram of Compax3

4 基于Compax3 光電跟蹤伺服系統(tǒng)設計

4.1 總體設計流程

Compax3 的軟件編程基于CoDeSys（可編程邏輯控制PLC 的完整開發(fā)環(huán)境）。Compax3 會根據(jù)跟蹤方式的不同采用相應的運動模塊，通過編碼器讀取電機的運動狀態(tài)并通過串口傳送到PC 機中，程序流程圖如圖3所示。

圖3 伺服系統(tǒng)程序流程圖Fig.3 The program flow diagram of the servo system

4.2 控制器設計

基于Matlab 仿真軟件對系統(tǒng)進行仿真設計。 在控制器設計中，跟蹤方式采用數(shù)引跟蹤方式。系統(tǒng)模型依據(jù)圖2，其中直流電動機參數(shù)如下：Ce=0.132 V·min/r，電氣時間常數(shù)Tl=0.03 s，機電時間常數(shù)Tm=0.18 s，電樞回路總電阻R=0.5 Ω，功率放大器放大倍數(shù)Ks=40，延遲時間Ts=0.003 7 s。

如圖2所示從A 點到B 點為電流開環(huán)回路，從A 點到C 點為電流閉環(huán)回路，電流控制器采用PI 控制算法將被控對象校正成Ⅰ型系統(tǒng)。經(jīng)公式計算[3]和仿真驗證，電流環(huán)校正參數(shù)為0.055 7（0.03s+1）/（0.03s）。 從圖4a 可以看出，其剪切頻率為133 rad/s，相位裕度Pm=63.8°，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定要求[4]。 從圖4b 可以看出，校正后的電流閉環(huán)傳遞函數(shù)可以等效為一個慣性環(huán)節(jié)，拐點為84.8 rad/s，即電流閉環(huán)可等效為1/（0.011 8s+1）。

圖4 波特圖Fig.4 Bode diagram

速度回路的設計與電流回路基本相同，如圖2所示，從D 點到E 點為速度開環(huán)回路，從D 點到F 點為速度閉環(huán)回路。 電流閉環(huán)后等效的慣性環(huán)節(jié)作為速度開環(huán)回路的一部分，速度控制器采用PID 控制算法，校正后的速度回路為Ⅱ型系統(tǒng)，經(jīng)公式計算和仿真驗證，速度環(huán)校正參數(shù)為40.95（0.059s+1）/s。 其剪切頻率為53.5 rad/s，相位裕度Pm=51.2°，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定要求。 校正后的速度閉環(huán)傳遞函數(shù)可以等效為一個慣性環(huán)節(jié)，拐點為70.1 rad/s，即速度閉環(huán)可等效為1/（0.014 3s+1）。

位置環(huán)的設計同理，見圖2，從G 點到H 點為位置開環(huán)回路，從G 點到I 點為位置閉環(huán)回路，速度閉環(huán)后等效的慣性環(huán)節(jié)作為位置開環(huán)回路的一部分，位置控制器采用P 控制算法，校正后位置回路為Ⅰ型系統(tǒng)。 經(jīng)計算和仿真驗證，位置環(huán)校正參數(shù)為18。 其剪切頻率為22.9 rad/s，相位裕度Pm=71.1°，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定條件。

5 實驗與分析

基于某型光電跟蹤伺服系統(tǒng)的方位軸進行了數(shù)字引導閉環(huán)控制跟蹤實驗，如圖1所示。Compax3 伺服控制器為控制核心，完成電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)3 個閉環(huán)控制，光電軸角編碼器用來完成速度，位置反饋。 實驗中，當?shù)刃д逸斎氲淖畲笏俣葹?0(°)/s、最大加速度為30(°)/s2時，實時跟蹤誤差曲線如圖5所示，從圖5中可以看出，該實時控制系統(tǒng)具有3.45′的跟蹤精度。

當?shù)刃д逸斎氲淖畲笏俣葹?(°)/s、 最大加速度為2(°)/s2時，實時跟蹤誤差曲線如圖6所示，從圖6中可以看出，該實時控制系統(tǒng)具有0.048′的跟蹤精度。 當輸入為0.1(°)/s 到0.5(°)/s 的階躍函數(shù)時，該系統(tǒng)的階躍響應曲線如圖7所示，可以看出，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間為0.3 s，超調(diào)量為15.24%，穩(wěn)態(tài)絕對誤差為0.005 5，穩(wěn)態(tài)相對誤差為1.31%。

圖5 目標速度為50(°)/s，加速度為30(°)/s2 的跟蹤誤差曲線Fig.5 Tracking error curve of target speed is 50(°)/s，acceleration is 30(°)/s2

圖6 目標速度為2(°)/s，加速度為2(°)/s2 的跟蹤誤差曲線Fig.6 Tracking error curve of target speed is 2(°)/s，acceleration is 2(°)/s2

圖7 階躍響應曲線Fig.7 Step response curve

實驗結果表明，基于Compax3 的光電跟蹤伺服系統(tǒng)在高速和低速的情況下都能穩(wěn)定運行。

6 結論

本文基于Compax3 伺服控制器建立了一個光電跟蹤伺服轉動平臺，并在此轉臺上進行了簡單的閉環(huán)控制跟蹤實驗，當目標運動最大速度為50(°)/s、最大加速度為30(°)/s2時，該系統(tǒng)的最大跟蹤誤差為3.45′。 實驗結果表明將Compax3 伺服控制器應用到光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)中能有效提高系統(tǒng)的跟蹤精度和增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

[1] 王建立．光電經(jīng)緯儀電視跟蹤、捕獲快速運動目標技術的研究[D].長春：中國科學院，2003．

[2] 杜杰．基于加速度計的光電伺服跟蹤系統(tǒng)前饋控制[D]．長春：中國科學院，2011．

[3] 陳伯時．電力拖動自動控制系統(tǒng)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2009．

[4] 胡壽松．自動控制原理[M]．北京：科學出版社，2001．