一種光電跟蹤伺服控制器的設計與實現(xiàn)

摘 要：以TMS320F28335芯片為伺服控制器核心，設計了一種高精度的伺服控制器。闡述了光電跟蹤伺服系統(tǒng)的硬件組成及其工作原理，著重介紹了伺服控制器的硬件設計，并給出控制電路的原理圖。討論分析系統(tǒng)的跟蹤控制難點，并給出軟件解決方法。實踐表明：系統(tǒng)具備穩(wěn)定性好、精度高、快速響應性好和易調(diào)試等特點，達到了預期目標，具有實用價值。

關鍵詞：伺服系統(tǒng)；控制器；跟蹤系統(tǒng)；DSP

1 概述

伺服系統(tǒng)又稱隨動系統(tǒng)，是光電跟蹤系統(tǒng)的重要組成部分之一。光電跟蹤伺服系統(tǒng)的工作原理是，當電視或紅外攝像機通過圖像處理分辨出移動目標，并將目標在視場中與中心點的角度偏差數(shù)據(jù)傳給伺服系統(tǒng)，由伺服系統(tǒng)控制器作數(shù)據(jù)處理，伺服驅(qū)動器通過功率變換控制驅(qū)動電機帶動光電負載，使電視或紅外攝像機的光軸始終瞄準目標，與目標同步運動實現(xiàn)自動跟蹤。

伺服系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和快速響應性是光電跟蹤系統(tǒng)的動態(tài)性能和測量精度的重要指標。跟蹤隨動系統(tǒng)設計的難點就是如何實現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性和好的快速響應性。通常使用的微處理器單片機由于片內(nèi)資源限制，在數(shù)據(jù)處理的高運算率和高實時性上已經(jīng)難以滿足現(xiàn)在伺服系統(tǒng)的性能要求。在隨動控制系統(tǒng)中，高性能的DSP已經(jīng)成為主流控制芯片，逐步取代了單片機。本設計采用美國德州儀器公司生產(chǎn)的DSP芯片TMS320F28335。該32位浮點型DSP芯片具有高達150MHz的高速處理能力，它的單指令執(zhí)行時間最短只有約6.67ns，芯片內(nèi)部集成了大量電機控制的相關電路資源，并且相比上代DSP具有更高速的數(shù)字信號處理能力，能夠?qū)崟r地完成復雜的控制算法。其片內(nèi)集成了豐富的電機控制外圍部件和電路，簡化了控制電路的硬件設計，是一款專為電機控制研發(fā)的DSP芯片。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

該伺服系統(tǒng)主要由控制器、驅(qū)動器、伺服電機組、光電編碼器、電源及控制保護電路等部分組成[1]，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

伺服系統(tǒng)環(huán)路設計采用位置環(huán)、速度換、電流環(huán)三環(huán)串級控制方案。系統(tǒng)環(huán)路原理框圖如圖2所示。伺服控制器主要負責位置環(huán)的閉環(huán)調(diào)節(jié)，伺服驅(qū)動器主要負責電流環(huán)和速度環(huán)的閉環(huán)調(diào)節(jié)。三環(huán)閉環(huán)系統(tǒng)能夠更好保證跟蹤伺服系統(tǒng)的高精度、高穩(wěn)定及快速響應性。

3 光電跟蹤伺服系統(tǒng)的研制

本系統(tǒng)采用模塊化設計和專用控制芯片，大大減小跟蹤伺服系統(tǒng)重量體積，提高了伺服系統(tǒng)精度及穩(wěn)定性。伺服電機選用有刷直流力矩電機，套軸使用。有刷直流力矩電機具有轉(zhuǎn)速低、力矩大、力矩波動小、輸出轉(zhuǎn)矩大、線性度好等優(yōu)點[2]。根據(jù)系統(tǒng)精度的要求，系統(tǒng)使用16位的光電編碼器來作為位置檢測器件，采用同軸安裝，減小傳遞誤差。該編碼器使用115.2Kbps波特率的RS422串口與DSP內(nèi)部SCI通信。其測角分辨率為360/216=0.00549°。

3.1 控制器硬件設計

控制器由專用控制微處理器TMS320F28335核心電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、電平轉(zhuǎn)換電路、D/A 輸出電路、故障信號檢測電路、保護電路等其他外圍電路構(gòu)成[3]，結(jié)構(gòu)如圖3所示。其特點是輸入信號都經(jīng)過數(shù)字化采樣，方便用于軟件整定參數(shù)；基于32位浮點型處理單元可實現(xiàn)較復雜的控制算法；軟件采用模塊化設計重用性和通用性大大提高。其主要功能是接收上位機的控制命令，實現(xiàn)各種工作狀態(tài)的切換及回傳跟蹤伺服系統(tǒng)的故障自檢數(shù)據(jù)。

圖3 控制器硬件組成

3.1.1 CAN通信電路設計

CAN總線是德國Bosch公司在20世紀80年代初為解決汽車中眾多的控制與檢測儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議[4]。它是一種多主總線，通信速率可達1Mbps。在TMS320F

28335DSP中的eCAN模塊是一個完整的CAN控制器，完全兼容CA

N2.0B標準[5]。eCAN模塊具有32個郵箱，可按照設計要求靈活配置為接收或發(fā)送郵箱。單幀能夠傳遞8個字節(jié)數(shù)據(jù)。本設計使用SN65HVD230接口芯片做CAN收發(fā)器，數(shù)據(jù)率設置為500k，采用11位標識碼。

3.1.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設計

系統(tǒng)有手動輔助跟蹤功能，可以通過一個模擬手柄控制方位俯仰軸的轉(zhuǎn)動跟蹤目標。模擬電壓通過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。由于總線電平不一致，必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC4245A電平轉(zhuǎn)換后，才能供DSP使用。本設計使用14位A/D轉(zhuǎn)換芯片AD

7863，其電壓輸入范圍為±10V，可滿足系統(tǒng)調(diào)速要求。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

3.1.3 D/A轉(zhuǎn)換電路設計

系統(tǒng)要求的伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)速從0.05°/s到50°/s可調(diào)，則系統(tǒng)調(diào)速比50/0.05=1000。該系統(tǒng)選用的AD7836是14位D/A轉(zhuǎn)換芯片，其可輸出的調(diào)速比為213=8192，可滿足系統(tǒng)調(diào)速范圍要求，該芯片集成了四個14位DAC，本設計只使用其中兩路輸出。采用5V基準電壓，滿量程輸出電壓范圍為±10V，與伺服驅(qū)動器連接方便。D/A轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5 D/A 轉(zhuǎn)換電路

3.2 系統(tǒng)控制軟件設計[6]

伺服控制軟件使用CCS3.3集成開發(fā)環(huán)境，編寫使用C語言。軟件采用模塊化設計方法，方便調(diào)試。系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。其工作過程為：系統(tǒng)首先對DSP 進行初始化，然后系統(tǒng)自檢，如果自檢異常，系統(tǒng)進行故障處理，然后重新檢測。直到自檢無故障信號，則系統(tǒng)接收上位機指令后進入相應的控制模式，進行數(shù)據(jù)信息采集處理輸出和串口通信。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

動態(tài)跟蹤控制策略：

本設計采用的跟蹤方式為手動跟蹤和自動跟蹤。手動跟蹤是操作手使用手柄控制伺服轉(zhuǎn)動進行初步跟蹤，直到目標進入電視或紅外攝像機的視場范圍內(nèi)。光學傳感器抓住目標后再根據(jù)圖像取差器實時輸出的脫靶量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為自動跟蹤，在切換過程中光學傳感器的光軸要始終瞄準目標?？罩袡C動目標跟蹤示意如圖7所示。

圖7 自動跟蹤示意圖

由于該伺服系統(tǒng)搭載的光學傳感器視場較小，要求隨動系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤精度小于0.5密位，因此系統(tǒng)設計的難點在于跟蹤切換的快速響應、很小的超調(diào)量和穩(wěn)定跟蹤的高精度。在目標捕獲過程中，如果沒有有效的控制策略，就會造成目標在視場邊角時切換自動跟蹤狀態(tài)易丟失目標的問題。針對這一難題，我們依據(jù)自動控制的基本原理，設計了動態(tài)PID跟蹤控制方法。

圖8 動態(tài)PID跟蹤控制圖

動態(tài)PID跟蹤控制器如圖8所示。它是以偏差量e和偏差量與時間的比值Δe為輸入的二維模糊控制模型。根據(jù)固定頻率持續(xù)輸入的e和Δe，按照動態(tài)PID跟蹤控制算法，動態(tài)計算出PID控制器3個重要參數(shù)Kp、Ki、Kd的值，并輸出到PID控制器進行輸出調(diào)節(jié)。通過這種動態(tài)PID算法能夠很好解決伺服跟蹤加速度與光電成像處理器的同步問題。

4 試驗結(jié)果

經(jīng)測試，自動跟蹤精度小于0.5密位，方位最大加速度110°/s2，手動跟蹤速度從0.05°/s到50°/s可調(diào)，各項技術指標滿足設計任務要求。

5 結(jié)束語

文章詳述了以美國德州儀器的DSP芯片TMS320F28335為核心處理器構(gòu)成的伺服控制器的設計。采用該設計的型號產(chǎn)品已經(jīng)批量生產(chǎn)，跟蹤效果良好。實踐表明：系統(tǒng)具備穩(wěn)定性好、精度高、快速響應性好和易調(diào)試等特點，達到了預期目標，具有較強的工程實用價值。

參考文獻

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作者簡介：李顥（1981-），男，河南信陽人，工程師，研究方向：自動控制。