擺角電機伺服驅(qū)動器設(shè)計

胡 浩，羅東輝

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

振鏡的光學(xué)掃描系統(tǒng)具有高速、高精度、高線性度等優(yōu)點，因此在激光加工、成像和打印、半導(dǎo)體工程及生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)等領(lǐng)域取得了良好的應(yīng)用。作為該系統(tǒng)中的核心部分，掃描振鏡的性能是系統(tǒng)外特性的關(guān)鍵。而其主要組成部分中的擺角電機及其驅(qū)動器則受到了國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)的重視及投入。當(dāng)前在此方向處于領(lǐng)先狀態(tài)的公司機構(gòu)主要集中在國外，如美國的CTI與GSI振鏡，德國的SCANLAB等等。

本文針對此方面的需求設(shè)計了一款基于微處理芯片STM32F103控制的擺角電機數(shù)字驅(qū)動器。根據(jù)其工作需求設(shè)計了電機工作運動軌跡，對擺角電機進行建模分析，采用經(jīng)典的伺服控制，并且其工作所需的特殊的運動軌跡設(shè)計了相對應(yīng)的方法。試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)取得了較高的控制精度及性能，滿足了產(chǎn)品的需求，且系統(tǒng)具有較強的拓展性，可應(yīng)用于各種不同的擺動工作系統(tǒng)中。

1 振鏡掃描系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的振鏡掃描系統(tǒng)主要由3個部分組成，即：擺角電機、角位置傳感器與數(shù)字驅(qū)動器。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1振鏡掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由圖1可見，掃描系統(tǒng)主要由數(shù)字驅(qū)動器、擺角電機與角位置傳感器等組成。在系統(tǒng)工作時，當(dāng)嵌入式微處理器收到由上位機送來掃描指令后，開始驅(qū)動擺角電機的轉(zhuǎn)子按預(yù)定的運動軌跡運動，運動過程中嵌入式微處理器通過對角位置傳感器傳感的擺鏡實際位置和預(yù)先設(shè)定的理論位置進行誤差控制運算，得到相應(yīng)的控制信號以驅(qū)動擺角電機動作，最終使擺鏡按照設(shè)定的運動曲線運動。

振鏡掃描系統(tǒng)中的角位置傳感器一般有電容式和光電式兩種。電容式傳感器由上下極板和中間旋轉(zhuǎn)的介質(zhì)片組成。結(jié)構(gòu)相對于光電式角位置傳感器較為復(fù)雜，線性度稍差；介質(zhì)片是影響傳感器精度的關(guān)鍵，目前高性能的介質(zhì)片價格高、采購困難。由于電容式傳感器本身的電容很小，而其因轉(zhuǎn)動而引起變化量更小，對其分辨率有著一定的影響，而且傳感器的電路板中各個位置的布線電容、雜散電容和寄生電容都會引起一定的測量誤差，這些因素的存在使得電容式角位置傳感器并不是本系統(tǒng)的最優(yōu)選擇。

光電式傳感器是由光敏元件作為敏感器件來感應(yīng)角度位置變化的傳感器，它具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、頻帶寬、壽命長等優(yōu)點，相比于電容式角位置傳感器，光電式角位置傳感器體積更小，旋轉(zhuǎn)部件慣量也更小。這些優(yōu)點使得其更適用于振鏡掃描系統(tǒng)，故本系統(tǒng)采用光電式傳感器作為其角位置傳感器。

數(shù)字驅(qū)動器使用了STM32F103系列的ARM芯片作為其主控芯片，它豐富的內(nèi)部資源可提供系統(tǒng)在復(fù)雜伺服要求下高性能的穩(wěn)定工作，而且還能為擺動系統(tǒng)提供良好的拓展性，可預(yù)先設(shè)計多種運動軌跡和通信方式以適應(yīng)各種擺動應(yīng)用的需求。

2 擺角電機建模

振鏡掃描系統(tǒng)中所使用的擺角電機的具體參數(shù)如表1所示。

表1擺角電機性能參數(shù)

參數(shù)值參數(shù)值有效掃描角度θ/(°)±20小步長階躍響應(yīng)時間t/s≤0．35轉(zhuǎn)動慣量J/(g·cm2)2．4(±10%)力矩系數(shù)KT/(N·m·A-1)0．02(±10%)繞組電阻Rs/Ω1．03繞組電感LS/μH350峰值電流IP/A≤25

由擺角電機的工作原理可得：

(1)

T=BlSNISdr

(2)

同時可知電機工作時轉(zhuǎn)矩平衡方程：

T=gθ+Jd2θdt2+fdθdt

(3)

式中：J為電機轉(zhuǎn)子和軸上反射鏡片轉(zhuǎn)動慣量之和；θ為電機轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角度；f為電機內(nèi)部的摩擦系數(shù)；g為扭力棒的彈性系數(shù)。

電機電樞平衡方程：

E=RIS+LdISdt+kbdθdt

(4)

式中：R是電樞電阻；L為電樞電感；kb為電機反電動勢系數(shù)。將式(3)聯(lián)立可得電機轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角度θ與電樞電流以及電樞電壓的關(guān)系如下：

IS=gθ+Jd2θdt2+fdθdtBlsNdr

(5)

E=1BlSNdr[Jd3θdt3+(J+f)d2θdt2+(f+g)dθdt+

Rgθ]+kbdθdt

(6)

式(6)經(jīng)過拉氏變化可得：

H(s)=θ(s)E(s)=KtR(Ls+R)(Js2+fs+g)+KtKbs

(7)

式中:Kt=BlSNdr。

由此可看出，該系統(tǒng)是一個三階系統(tǒng)，適合采用PID控制。

3 控制策略設(shè)計

掃描系統(tǒng)得到圖像的質(zhì)量及效率主要取決于掃描電機在運動過程中的線性度及掃描效率，而線性度取決于擺角電機在運動中速度的均勻程度，掃描效率則取決于電機勻速運動的時間，即電機掃描的角度。本掃描系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)是效率要達到大于80%，普通的全程勻速而進行的等腰三角波型運動在單程掃描模式下并不能實現(xiàn)此目標(biāo)，故對振鏡的運動軌跡有一定的設(shè)計，其具體運動軌跡如圖2所示。

圖2振鏡運動軌跡

因為所設(shè)計的振鏡系統(tǒng)是處于單程工作狀態(tài)的，所以其有效工作期在其正向運動的時間內(nèi)。故設(shè)計圖2中的運動軌跡，振鏡來回擺動周期中TS為振鏡的正方向運動時間，占周期T的90%，而反向歸位時間Tb只占周期T的10%。因此設(shè)計了位置電流雙閉環(huán)PID控制，以控制電機能按所設(shè)計的運動軌跡進行運動。雙閉環(huán)的配合可使擺角電機具有高動態(tài)性能，能實現(xiàn)快速起動和制動，減少上升時間，縮小超調(diào)量，并且在系統(tǒng)運行時控制其在各個動作點的電流，從而控制轉(zhuǎn)矩使其達到系統(tǒng)要求，按所設(shè)計的運動軌跡工作，其具體控制框圖如圖3所示。

圖3控制框圖

在圖3中，當(dāng)系統(tǒng)接收到位置信號后，先進入位置環(huán)的控制，此時系統(tǒng)會把指令信號與當(dāng)前位置信號進行比較，然后進行位置PID的計算，得到的位置環(huán)輸出作為電流環(huán)的輸入，進而根據(jù)位置指令進行輸出力矩的控制，因此保證電機輸出響應(yīng)的快速性、靈活性、準(zhǔn)確性。擺角電機雙閉環(huán)伺服設(shè)計時，為實現(xiàn)在運動過程各個拐點電機動作的快速性，采用了PD控制作為其電流環(huán)控制算法，以保證電流的快速響應(yīng)；同時為了保證位置跟蹤的快速性、準(zhǔn)確性、無靜差，采用了PID控制作為位置環(huán)的控制算法。對于所設(shè)計的運動軌跡而言，其中包含兩次快速轉(zhuǎn)向，此時對電機輸出的力矩有很大的需求。在電機對圖2的運動軌跡的跟蹤過程中，希望電機在各個運動軌跡拐點處有快速的力矩響應(yīng)，即在正向掃描的起動時能快速地加速到運動軌跡的平均速度，在到達運動軌跡終點后能最快轉(zhuǎn)向并以最快速度返回起點并減速。同一套PID在這種運動狀態(tài)下很難達到良好的效果，因此針對它的運動特性，對其運動動作進行劃分。根據(jù)控制需求分為正向上坡階段與反向下坡階段，對兩個階段不同的特點進行了PID參數(shù)整定以適應(yīng)控制需求。綜合上述分析與設(shè)計，軟件實現(xiàn)的流程圖如圖4所示。

圖4軟件流程圖

軟件在啟動后先對系統(tǒng)各個模塊進行初始化，使其處于準(zhǔn)備完畢等待指令的狀態(tài)。當(dāng)接收到控制指令后，程序會根據(jù)控制目標(biāo)的不同，對各個控制參數(shù)進行針對性的計算及設(shè)置，以適應(yīng)不同的控制目標(biāo)，保證控制精度。在具體指令跟蹤控制時，根據(jù)所設(shè)計的運動軌跡，程序會主動判斷電機是在正方向上坡運動還是反向下坡運動，并根據(jù)判斷對電機運動過程中的PID控制參數(shù)進行調(diào)整，以保證電機在起動、剎車及轉(zhuǎn)向時最大力矩輸出，以減小超調(diào)、提高效率并保證線性度良好。在運動中程序會一直保持判斷是否接收到新的指令，以便及時地掃描反應(yīng)。當(dāng)系統(tǒng)接收到新指令后會返回到控制參數(shù)初始化環(huán)節(jié)，重新根據(jù)工作需求進行控制參數(shù)計算及配置；如果沒有則繼續(xù)進行當(dāng)前舊指令的跟蹤控制，并在完成后重復(fù)上述步驟，完成軟件的有序循環(huán)控制。

4 試驗結(jié)果分析

圖5是通過示波器監(jiān)測到的擺角電機工作狀態(tài)，橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為電壓，其中波形2為閉環(huán)系統(tǒng)所接受到的位置指令，波形1為擺角電機的角位置傳感器的輸出，即為電機轉(zhuǎn)子位置。

由圖5可見，電機在跟蹤既定的運動軌跡時響應(yīng)速度完全能跟上所設(shè)計的運動軌跡，并且沒有觀測到明顯超調(diào)。為觀測波形的效率及線性度對此波形的某一周期進行分離與放大，具體如圖6所示。

圖5試驗波形

圖6試驗波形單周期放大圖

可見波形1基本符合本文所設(shè)計的運動軌跡，其有效工作段，即上升階段，線性度良好，并且占總周期的83.3%以上，實現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo)。

5 結(jié) 語

本文討論了振鏡掃描系統(tǒng)的組成及其控制策略的設(shè)計，對其運動方式及控制進行了專門設(shè)計，最后用試驗驗證了系統(tǒng)具有較強的伺服性能及穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)振鏡掃描系統(tǒng)在實際工作時所需要的性能，對于振鏡掃描類產(chǎn)品的研制及發(fā)展有很大的幫助。同時因為STM32F103芯片的使用，使得本系統(tǒng)還具有靈活的拓展性，其運動軌跡可根據(jù)不同應(yīng)用進行定制，且通訊方式也能依應(yīng)用情況進行拓展，使其可以用于各種擺動工作系統(tǒng)中。

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