鋼環(huán)反射式光柵編碼器在轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用*

趙金標(biāo),朱慶生,周小軍,李金鵬

(1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049;2.中科院南京天文儀器研制中心,南京 210042;3.中科院南京天文儀器有限公司,南京 210042)

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鋼環(huán)反射式光柵編碼器在轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用*

趙金標(biāo)1,2,朱慶生2,3*,周小軍2,3,李金鵬2,3

(1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049;2.中科院南京天文儀器研制中心,南京 210042;3.中科院南京天文儀器有限公司,南京 210042)

在使用望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)中,精確檢測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)位置和速度對(duì)實(shí)現(xiàn)恒星,衛(wèi)星穩(wěn)定跟蹤非常重要,常規(guī)的增量式編碼器難以滿足跟蹤精度要求。鑒于此,選用一種高精度的鋼環(huán)反射式光柵編碼器(RESM20USA413),且與ARM處理器的接口電路簡(jiǎn)單,對(duì)編碼器輸出信號(hào)進(jìn)行了光學(xué)細(xì)分,濾波處理,并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了跟蹤測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:采用RESM20USA413作為直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)的編碼器,方位,俯仰軸的跟蹤精度均在5″以下,滿足系統(tǒng)的跟蹤要求。

轉(zhuǎn)臺(tái);伺服系統(tǒng);跟蹤精度;ARM;光柵編碼器;

大型望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)臺(tái)伺服跟蹤系統(tǒng)中,常需要用到高精度增量式光電編碼器作為伺服系統(tǒng)檢測(cè)部件。這些系統(tǒng)通常采用雙閉環(huán)控制的方法,其中速度檢測(cè)精度和速度平穩(wěn)性是實(shí)現(xiàn)高精度跟蹤的關(guān)鍵條件[1]。脈沖編碼器具有良好的性能,以信號(hào)的原理來分,有絕對(duì)式編碼器和增量式編碼器兩種[2]。其中增量式編碼器主要應(yīng)用于測(cè)速,測(cè)移動(dòng)角度,測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向,測(cè)相對(duì)距離等,它具有響應(yīng)快,成本低,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn);絕對(duì)式光柵編碼器同增量式相比,具有固定零點(diǎn),無需找參考點(diǎn),每個(gè)碼都對(duì)應(yīng)一個(gè)位置,掉電無需記憶,但是由于制造成本太高,不易于小型化[3]。所以,增量式編碼器可以作為性價(jià)比相對(duì)高的器件,已經(jīng)在望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)得到了很多應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng),采用鋼環(huán)反射式光柵編碼器,輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路可直接接入嵌入式處理器STM32F407IGT6。但是由于常規(guī)的增量式編碼器難以滿足高精度跟蹤的要求,因此,本系統(tǒng)選擇一種高精度鋼環(huán)反射式光柵編碼器RESM20USA413,其具有穩(wěn)定可靠,高精度和高分辨率等特點(diǎn),用于測(cè)量望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)的位置和轉(zhuǎn)速,伺服控制器和編碼器之間接口電路簡(jiǎn)單,能夠獲得較好的跟蹤性能。

1 增量式編碼器工作原理

增量式編碼器A,B相時(shí)序圖如圖1所示,增量式編碼器是一種將旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的電脈沖信號(hào)的角度傳感器,主要由光柵盤和光電檢測(cè)裝置組成。有一個(gè)中心有軸的光電碼盤,其上有環(huán)形通,暗的刻線,有光電二極管發(fā)射和接收器讀取,獲得兩組方波脈沖信號(hào)組合成A,B兩相。增量式編碼器按其信號(hào)的輸出可分為非差分式和差分式,它們的輸出均為脈沖信號(hào),非差分信號(hào)的輸出一般為A,B兩相,而差分式信號(hào)的輸出一般有A相,A非相,B相,B非相。對(duì)于差分式的編碼器來說,其A,B兩相的波形完全相同,僅存在90°的相位差,相對(duì)于一個(gè)周波360°,將A相信號(hào)反向輸出A非相,疊加在A相上,可增強(qiáng)信號(hào)的穩(wěn)定性,B相信號(hào)也同樣;另每轉(zhuǎn)一圈都會(huì)輸出一個(gè)Z相脈沖,此脈沖可代表零位參考位,可用于起始上電標(biāo)識(shí)望遠(yuǎn)鏡的初始位置[2]。一般地平式望遠(yuǎn)鏡兩軸都采取自動(dòng)過零位設(shè)計(jì),使望遠(yuǎn)鏡可以方便尋找編碼器的零點(diǎn),通過設(shè)定零點(diǎn)偏置值,自動(dòng)建立望遠(yuǎn)鏡的坐標(biāo)基準(zhǔn)。

圖1 增量式編碼器A,B相時(shí)序圖

由于A、B兩相輸出信號(hào)相位上相差90°,通過這兩相正交脈沖信號(hào)的狀態(tài)變化,就能確定出電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向[4]。通常脈沖數(shù)量的增加或減少以及旋轉(zhuǎn)方向的判斷,需借助于編碼器接口電路的處理器的寄存器判斷和計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn),其計(jì)數(shù)的起始位置可以任意設(shè)置[5]。

2 鋼環(huán)反射式光柵編碼器

選用的英國(guó)RENISHAW公司的鋼環(huán)反射式光柵編碼器(RESM20USA413),光學(xué)直徑為413 mm,光柵柵距L為20 μm,分辨率為8.25 μrad(40″)。配套的讀數(shù)頭SR030,是用來讀取光柵編碼器的脈沖,其防護(hù)等級(jí)為IP40,供電電源(4.5±5%)V,最大電流為210 mA。在望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)的跟蹤精度一般都在5″以下,且鋼環(huán)反射式光柵編碼器刻線有限,原始輸出信號(hào)的分辨率達(dá)不到系統(tǒng)的要求,可見光柵編碼器在不細(xì)分的情況下很難滿足系統(tǒng)的跟蹤精度[6]。實(shí)驗(yàn)室采用光學(xué)細(xì)分的方法,選用了SI0200細(xì)分卡,可將分辨率提高200倍,有利于提高伺服系統(tǒng)檢測(cè)精度[7]。RESM20USA413/SR030/SI0200實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 RESM20USA413/SR030/SI0200實(shí)物圖

3 脈沖輸出信號(hào)處理電路

實(shí)際應(yīng)用中,不管系統(tǒng)是使用絕對(duì)式光柵還是增量式光柵,要達(dá)到高精度的跟蹤要求,通常都需要對(duì)光柵的輸出原始正交信號(hào)進(jìn)行細(xì)分并對(duì)其整形[8]。在強(qiáng)電磁干擾或設(shè)備振動(dòng)的情況下,輸出脈沖信號(hào)可能存在抖動(dòng),這對(duì)伺服系統(tǒng)的跟蹤有一定的影響,嚴(yán)重的情況是跟蹤不到目標(biāo),所以對(duì)編碼器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行處理具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義[9]。

RESM20USA413/SR030/SI0200構(gòu)成鋼環(huán)反射式光柵編碼器系統(tǒng),讀數(shù)頭輸出信號(hào)為差分脈沖信號(hào),再通過細(xì)分卡后輸出的信號(hào)為兩路相位差90°的脈沖信號(hào),輸出的脈沖信號(hào)會(huì)有一些毛刺,信號(hào)比較弱的情況可能會(huì)出現(xiàn)丟脈沖或失真的情況[10]。為了加強(qiáng)輸出信號(hào)的可靠性,采用將輸出信號(hào)通過施密特反相器74LS14,并對(duì)電路進(jìn)行低通濾波,其波形改善電路圖如圖3所示。74LS14各路的邏輯功能是一個(gè)反相器,其具有溫度補(bǔ)償功能,可被極平緩的斜坡信號(hào)觸發(fā),并且依然輸出清晰無抖動(dòng)的信號(hào)。

改善后信號(hào)再通過具有三態(tài)輸出的四路差動(dòng)線路收發(fā)器MC3486轉(zhuǎn)換為處理器接收的TTL電平,利用STM32具有DSP功能的單片機(jī)內(nèi)部集成的正交編碼器電路的功能,通過軟件配置對(duì)輸入信號(hào)的上升沿和下降沿進(jìn)行計(jì)數(shù),并將16位編碼器計(jì)數(shù)器擴(kuò)充為32位計(jì)數(shù)器。圖4為差分驅(qū)動(dòng)器和處理器接口電路,圖中PA8,PA9引腳是STM32處理器正交編碼器引腳輸入口,PD2作為外部中斷引腳,可用來望遠(yuǎn)鏡起始上電時(shí)尋找機(jī)械零位。

圖3 74LS14波形改善電路

圖4 差分驅(qū)動(dòng)電路圖

4 在直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)的應(yīng)用

圖5為直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)框架圖,方位軸,俯仰軸兩套控制系統(tǒng)完全相同,機(jī)械結(jié)構(gòu)圖采用力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸系的結(jié)構(gòu)形式,沒有了傳統(tǒng)的減速機(jī)構(gòu),避免機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)間隙誤差,在兩軸安裝高精度的鋼環(huán)反射式光柵編碼器反饋旋轉(zhuǎn)軸系的位置信息。

圖5 直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)為伺服控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)框架圖

鋼環(huán)反射式光柵編碼器將轉(zhuǎn)臺(tái)角度的變化轉(zhuǎn)換成正交方波脈沖進(jìn)行增減計(jì)數(shù)[11]。其輸出的信號(hào)需滿足實(shí)時(shí)性要求,在一個(gè)采樣周期內(nèi)需要完成位置和速度數(shù)字采樣,計(jì)算和傳輸,伺服系統(tǒng)對(duì)位置和速度的采樣頻率常采用500 Hz～1 000 Hz。為了對(duì)鋼環(huán)反射式光柵編碼器在望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)中的跟蹤性能進(jìn)行測(cè)試,需設(shè)計(jì)一種基于ARM處理器的伺服電機(jī)數(shù)字控制測(cè)試系統(tǒng)。

數(shù)字采集電路采用ST公司推出的Cortex-M4內(nèi)核ARM芯片STM32F407IGT6,該芯片具有浮點(diǎn)運(yùn)算能力和高性能的數(shù)字信號(hào)處理能力,定時(shí)器最高時(shí)鐘頻率達(dá)到168 MHz;每個(gè)定時(shí)器具有4個(gè)獨(dú)立通道,可作為輸出比較,輸入捕獲,單脈沖模式輸出和PWM生成的應(yīng)用,為編碼器輸出信號(hào)的采集提供了方便[12]。

系統(tǒng)采用位置式PID控制算法以及速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)。伺服驅(qū)動(dòng)AMD模塊與下位機(jī)PWM輸出接口相連,由STM32F407IGT6通過脈沖脈寬調(diào)制方式驅(qū)動(dòng)伺服力矩電機(jī),利用調(diào)節(jié)占空比的方法來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速,保證速度的平穩(wěn)性,再通過位置式PID算法,對(duì)參數(shù)進(jìn)行整定來減少系統(tǒng)的跟蹤誤差。利用星圖驅(qū)動(dòng)程序獲取目標(biāo)的理論坐標(biāo),每1 ms采集鋼帶碼盤的值,得到當(dāng)前轉(zhuǎn)臺(tái)的位置反饋,反饋得到的值與目標(biāo)的理論值進(jìn)行比較,并利用位置PID調(diào)節(jié)器,輸出的值作為速度的給定值,ARM每500 μs對(duì)編碼器脈沖進(jìn)行采集,得到當(dāng)前轉(zhuǎn)臺(tái)的速度反饋。在ARM芯片中,反饋得到的速度與給定的速度進(jìn)行比較,并利用速度PID調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)當(dāng)前ARM芯片輸出的PWM波的頻率,其輸出作為驅(qū)動(dòng)器電流內(nèi)環(huán)的給定值,內(nèi)部50 A8驅(qū)動(dòng)器根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩輸出來驅(qū)動(dòng)伺服力矩電機(jī),完成對(duì)力矩電機(jī)的速度調(diào)節(jié),保證速度的平穩(wěn)性[13]。上述控制過程中,由編碼器獲取的位置和速度信息非常重要,如果鋼帶碼盤信號(hào)偏差較大,會(huì)對(duì)速度的調(diào)節(jié)影響很大。

伺服控制系統(tǒng)要求的調(diào)速范圍0.008～4.000 °/s,速度環(huán)的采樣頻率為1 000 Hz,即每1 ms取一次速度信息。所用編碼器是RENISHAW鋼環(huán)反射式光柵編碼器,旋轉(zhuǎn)一周的脈沖數(shù)是64 800,經(jīng)細(xì)分盒200細(xì)分,再加上處理器4倍頻后實(shí)際的脈沖數(shù)p=64 800×200×4=51 840 000。

參考閘門取1 000 Hz的高電平階段,即0.5 ms即可。理論上可測(cè)得的最低轉(zhuǎn)速大約為:360/51 840 000×0.000 5=0.003 47°,滿足系統(tǒng)提出的最低轉(zhuǎn)速要求。

以最高轉(zhuǎn)速4 °/s旋轉(zhuǎn)時(shí),2 ms內(nèi)最大編碼器輸出脈沖數(shù):0.002×51 840 000×4/360=1 152,所以選用16位計(jì)數(shù)器作為轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)器可滿足要求。

ARM采用STM32F407IGT6,由編碼器RESM20USA413獲取直流力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息,輸出A,B,Z三路信號(hào),其安裝在電機(jī)的末端,通過對(duì)鋼帶碼盤輸出信號(hào)進(jìn)行細(xì)分和電路的調(diào)理后進(jìn)入STM32F407IGT6正交編碼器接口,再通過軟件配置進(jìn)行4倍細(xì)分和辨向計(jì)數(shù),計(jì)算出轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)際的轉(zhuǎn)角位置[14]。通過細(xì)分和倍頻后,鋼環(huán)反射鏡光柵編碼器的角度分辨率為:

同時(shí),對(duì)伺服電機(jī)的電樞電流進(jìn)行內(nèi)環(huán)反饋,以及將碼盤的值反饋給ARM處理器,對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。上位機(jī)通過網(wǎng)口對(duì)ARM進(jìn)行控制,如方位,俯仰軸轉(zhuǎn)停,軌道的跟蹤,以及軸系狀態(tài)的監(jiān)視等。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

基于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的平臺(tái)構(gòu)成的基于高精度增量式編碼器的直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)。為減少鋼帶碼盤信號(hào)偏差影響系統(tǒng)的跟蹤精度,在每軸安裝兩個(gè)讀數(shù)頭,對(duì)稱安裝。為了更好地測(cè)試系統(tǒng)的跟蹤性能,分別在電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 °/s,180°正弦波對(duì)方位,俯仰兩軸的跟蹤誤差進(jìn)行測(cè)試,如圖6～圖9所示。

圖6、圖7所示為速度是2 °/s時(shí),方位,俯仰的跟蹤誤差曲線圖,其RMS分別為3.45″,2.47″。圖8、圖9為速度是180°正弦波時(shí),方位,俯仰的跟蹤誤差曲線圖,其RMS分別為4.13″,2.87″。由圖6～圖9中數(shù)據(jù)得知,俯仰比方位的跟蹤性能好,由于轉(zhuǎn)臺(tái)一周的每個(gè)位置的機(jī)械特性不一樣,跟蹤過程中偶然會(huì)出現(xiàn)比較大的跳點(diǎn),方位,俯仰兩軸跟蹤精度均在5″內(nèi),滿足伺服系統(tǒng)的跟蹤要求。

圖6 方位軸2 °/s跟蹤誤差曲線圖

圖7 俯仰軸2 °/s跟蹤誤差曲線圖

圖8 方位正弦180°跟蹤誤差曲線圖

圖9 俯仰正弦180°跟蹤誤差曲線圖

6 結(jié)語

本文對(duì)鋼環(huán)反射式光柵編碼器RESM20USA413的工作原理進(jìn)行了論述,并對(duì)編碼器輸出信號(hào)進(jìn)行了濾波處理以及對(duì)鋼環(huán)反射式編碼器在轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行了RESM20USA413/SR030/SI0200鋼環(huán)反射式光柵編碼器系統(tǒng)和嵌入式ARM處理器正交編碼器接口電路的設(shè)計(jì),通過跟蹤目標(biāo)對(duì)伺服系統(tǒng)跟蹤精度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:鋼環(huán)反射式光柵編碼器具有高精度,高分辨率,抗干擾能性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),可以提高望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)的跟蹤精度。

[1] 文曉燕,鄭瓊林,韋克康,等. 增量式編碼器測(cè)速的典型問題分析及應(yīng)對(duì)策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào),2012,27(2):185-189.

[2] 舒志兵,周瑋,李運(yùn)華. 交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2008:33-42.

[3] 時(shí)魁,高云國(guó),趙勇志,等. 增量式光柵編碼器與絕對(duì)式編碼器性能比較和分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011,1(1):96-97.

[4] 顧衛(wèi)鋼. 手把手教你學(xué)DSP—基于TMS320X281x[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2011:266-269.

[5] 胡書舉,李建林,王劍飛,等. 一種高精度增量式編碼器在直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用,2008,35(4):6-9.

[6] 楊孟,徐衛(wèi)明,肖林,等. 增量式光柵編碼器在激光掃描雷達(dá)的應(yīng)用研究[J]. 傳感器與微系統(tǒng),2012,31(3):36-38.

[7] 宋剛,張蕾,胡德金. 基于普通編碼器的高精度位置檢測(cè)方法[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2003,37(5):699-702.

[8] 劉浩,馮濟(jì)琴,陳自然. 基于預(yù)測(cè)理論的光柵信號(hào)精密細(xì)分方法研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2015,8(4):169-474.

[9] 吳祿慎,熊輝,高項(xiàng)清. 基于單片機(jī)的增量式編碼器計(jì)數(shù)系統(tǒng)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器,2013(9):44-46.

[10] 王興,賈曉虎,郝春麗. 基于增量式光電編碼器位移傳感器研究[J]. 電子設(shè)計(jì)工程,2012,20(5):155-157.

[11] 岳振,顧海峰,李范鳴. 一種編碼器實(shí)時(shí)讀出電路設(shè)計(jì)及處理方法[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程,2013,3(20):5954-5958.

[12] 劉波文,孫巖. 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II經(jīng)典實(shí)例—基于STM32處理器[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2014:8-11.

[13] 杜穎財(cái),王希軍,王樹潔,等. 增量式編碼器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)[J]. 電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2012,26(11):993-995.

[14] 徐洋,余輝,黃敬貴. 基于STM32單片機(jī)的增量式編碼器模擬裝置設(shè)計(jì)[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2015(5):59-61.

Application of Steel Ring Reflective Grating Encoder in Turntable Servo System*

ZHAO Jinbiao1,2,ZHU Qingsheng2,3*,ZHOU Xiaojun2,3,LI Jinpeng2,3

(1.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;2.Nanjing Astronomical-Instrument Research Center of Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210042,China;3.Nanjing CAS Corporation Limited of Astronomical Instruments,Nanjing 210042,China)

It is very important for the stability of the fixed star and satellite to accurately detect the turntable position and speed in the servo control system of the telescope turntable. The conventional incremental encoder is difficult to meet the requirement of tracking accuracy. In view of this,a kind of high precision steel ring reflective grating encoder(RESM20USA413)is adopted,which has a simple interface circuit with the ARM processor. Then the output signal of the encoder is optical subdivision and filtered.The tracking system is tested. The experimental results show that using RESM20USA413 as a direct drive turntable servo system encoder,the tracking accuracy of the azimuth and pitch axis is in the following 5 second of arc. It meets the requirements of the servo system.

turntable;servo system;tracking precision;ARM;grating encoder

趙金標(biāo)(1989-),男,江蘇鹽城人,碩士研究生,現(xiàn)從事精密儀器自動(dòng)控制的研究,18761605658@163.com;

朱慶生(1969-),男,江蘇連云港人,研究員,碩士生導(dǎo)師,主要從事天文儀器計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的研究。

項(xiàng)目來源:基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(自然科學(xué)基金)—青年基金項(xiàng)目(BK20160154)

2016-10-19 修改日期:2016-12-29

TP212

A

1004-1699(2017)05-0801-06

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.05.028