非連續(xù)大氣偏振觀測系統(tǒng)硬件設(shè)計

李啟丙

摘 ?要：文章為非連續(xù)大氣偏振觀測系統(tǒng)進行硬件設(shè)計。該系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理芯片作為控制核心，利用位置式高精度角度編碼器，實現(xiàn)對大氣觀測系統(tǒng)的位置高精度測量，采用電源隔離技術(shù)，降低了電機啟動時對攝像機圖像的電磁干擾。實驗結(jié)果表明，該精密控制系統(tǒng)運行位置伺服精度在0.002 °范圍內(nèi)，滿足大氣偏振觀測系統(tǒng)定位測量要求。

關(guān)鍵詞：硬件設(shè)計;數(shù)字信號處理;角度編碼器;電源隔離

中圖分類號：TN702 ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2016）26-0009-02

1 ?概 ?述

本文研究設(shè)計一套非連續(xù)全天空偏振觀測系統(tǒng)的硬件電路，該系統(tǒng)配合軟件以實現(xiàn)全天空的非連續(xù)偏振模式觀測，獲取天空偏振模式隨時間的變化，為尋找大氣中性點提供數(shù)據(jù)支撐;并利用大氣中性點實現(xiàn)地表-大氣信息分離。

本系統(tǒng)主要實現(xiàn)對立體空間精密定位系統(tǒng)的設(shè)計，采用位置式高精度角度編碼器作為轉(zhuǎn)臺位移檢測工具，采用了位置環(huán)和速度環(huán)共同組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，該精度定位系統(tǒng)運行位置伺服精度<0.002 °，滿足大氣偏振觀測系統(tǒng)的伺服精度要求。

2 ?控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 ?系統(tǒng)框圖

非連續(xù)大氣偏振觀測控制系統(tǒng)框，如圖1所示。控制系統(tǒng)包含數(shù)字信號處理電路模塊、強弱電隔離模塊、電機PWM驅(qū)動模塊、位置檢測模塊。主控電路模塊以TI的DSP芯片TMS28335為核心，其外圍電路主要包括：電源模塊電路、JTAG接口電路、外部存儲器擴展電路、串行通信接口電路、脈沖量、模擬量控制接口、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路。功率驅(qū)動電路包括逆變器主電路、轉(zhuǎn)子位置檢測電路等。位置檢測模塊主要包括霍爾信號接口電路和增量式編碼器接口電路。

2.2 ?電源電路設(shè)計

系統(tǒng)電源框圖，如圖2所示，為了減少電機啟動時對相機、DSP芯片的干擾，特通過濾波模塊將輸入24V電源隔離成3組電源。如圖3所示。

對DSP芯片的電源設(shè)計，考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，TMS2833芯片對電源的上電順序有一定要求[1]。1.8V的內(nèi)核電壓先于外部IO電壓建立，因此我們選用帶有使能控制的電源芯片TPS75801和TPS75833。電路圖，如圖4所示。VCC1V8的電壓穩(wěn)定建立之后，Q2導(dǎo)通，Q1截止，使得TPS75833的使能端EN為高電平，TPS75833才開始工作，VCC3 V3端才能輸出3.3 V的電壓。

2.3 ?電機驅(qū)動電路設(shè)計

本系統(tǒng)分別對方位電機、仰角電機和相機電機三個電機進行控制，為精確定位，三個電機的驅(qū)動均采用帶PWM控制功能的芯片實現(xiàn)[2]。

對于方位電機和仰角電機使用的是同一型號的電機，其驅(qū)動電流峰值達6 A，考慮電路的簡單，所以采用TI的DRV8412芯片。TI公司的DRV8412是集成了先進保護系統(tǒng)的高性能雙路全橋馬達驅(qū)動器，功率級的效率高達成協(xié)97%。DRV8412雙路全橋模式2x3A或并聯(lián)6A連續(xù)模式，PWM頻率高達500 kHz，主要用于無刷DC和步進馬達，三相永磁同步馬達等驅(qū)動[3]。電路，如圖5所示。

相機的驅(qū)動電機電流較小，選用芯片體積較小的DRV8837芯片。DRV8837為攝像機、消費類產(chǎn)品、玩具和其它低電壓或者電池供電的運動控制類應(yīng)用提供了一個集成的電機驅(qū)動器解決方案[4]。 此器件能夠驅(qū)動一個直流電機或其他諸如螺線管的器件。 輸出驅(qū)動器塊由一個配置為H橋的N通道功率MOSFET 組成，以驅(qū)動電機繞組。 一個內(nèi)部電荷泵生成所需的柵極驅(qū)動電壓。DRV883x能夠提供高達1.8 A的輸出電流。電路，如圖6所示。

2.4 ?信號的隔離電路

由于此系統(tǒng)是一個光機電系統(tǒng)，為減少信號之間的干擾，采用ADI公司的磁耦芯片ADuM240X系列。ADuM240X系列是采用ADI公司iCoupler技術(shù)的四通道數(shù)字隔離器。它將高速CMOS與單芯片空芯變壓器技術(shù)融為一體，具有優(yōu)于光耦合器等替代器件的出色性能特征。iCoupler 器件的功耗只有光耦合器的1/10至1/6，均可采用2.7 V至5.5 V電源電壓工作，與低壓系統(tǒng)兼容，并且能夠跨越隔離柵實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換功能設(shè)計簡單[5]。電路，如圖7所示。

3 ? 系統(tǒng)定位性能測試

由于其特殊的應(yīng)用，對于高精密伺服轉(zhuǎn)臺，位置伺服精度是最重要的指標之一，應(yīng)該達到±0.002 °，為此進行了伺服工作試驗。根據(jù)伺服轉(zhuǎn)臺的實際應(yīng)用環(huán)境，由上位機發(fā)出位置控制。根據(jù)編碼器實際返回值來確認當前位置，測試位置伺服誤差數(shù)據(jù)，見表1。伺服誤差均值大致為0，誤差在以±0.002 °內(nèi)。達到了精度±0.002 °的要求。

4 ?結(jié) ?語

本控制系統(tǒng)采用位置式高精度角度編碼器作為轉(zhuǎn)臺位移檢測工具，采用了位置和速度雙閉環(huán)PID控制系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計滿足控制要求，伺服精度在度范圍內(nèi)。滿足大氣偏振觀測系統(tǒng)的伺服精度測量要求。

參考文獻：

[1] 馬杰.小型直流電機控制電路設(shè)計[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

[2] 符曉，朱洪順. TMS320F2833XDSP應(yīng)用開發(fā)與實踐[M].北京：航空航 ? 天大學(xué)出版社，2013.

[3] DRV84x2 Dual Full-Bridge PWM Motor Driver[R].Texas Instrument

s，2015.

[4] DRV8837 LOW-VOLTAGE H-BRIDGE IC [R]. Texas Instruments，

2014.

[5] ADuM2400 datasheet. Analog Device.2005.