大氣成分臨邊探測(cè)光譜儀擺鏡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魯曉峰,曾議,曹子昊,魯月林,廖捷,楊東上,邱曉晗,司福祺

(1 合肥學(xué)院生物食品與環(huán)境學(xué)院,安徽 合肥 230601;2 中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,中國(guó)科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031;3 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),安徽 合肥 230026;4 安徽工程大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,安徽 蕪湖 241000)

0 引言

隨著人們對(duì)于環(huán)境問題的重視,大氣污染的觀測(cè)和預(yù)防也變得越來越重要。在大氣污染治理過程中,需要對(duì)大氣污染物的產(chǎn)生、分布和傳輸過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。利用星載大氣成分臨邊探測(cè)光譜儀定量監(jiān)測(cè)全球/區(qū)域痕量污染氣體成分(O3、NO2、HCHO和SO2等)的分布和變化,可以獲取大氣痕量氣體高分辨率的水平分布與垂直廓線,進(jìn)而研究在大氣組成成分和全球污染變化中,人類活動(dòng)排放和自然活動(dòng)排放的影響。

太陽光經(jīng)大氣分子、氣溶膠、云和地球表面的混合散射作用在地球外圍形成了一個(gè)約100 km厚的臨邊大氣層。臨邊觀測(cè)是空間大氣遙感的一種新型觀測(cè)方式,它借助空間大氣遙感儀器探測(cè)臨邊大氣層的光譜輻射,通過分析臨邊大氣層的光譜輻射特點(diǎn),再根據(jù)反演算法從而得到O3、NO2等痕量氣體以及大氣氣溶膠的高空垂直分布規(guī)律。大氣成分探測(cè)儀通過反射鏡掃描機(jī)構(gòu)對(duì)沿地球某高度切線方向上的大氣進(jìn)行觀測(cè),接收來自儀器視線上大氣層的一個(gè)條帶內(nèi)的散射輻射。

國(guó)際上關(guān)于一維掃描機(jī)構(gòu)1999年美國(guó)發(fā)射的陸地衛(wèi)星Landsat-7上載荷的擺鏡機(jī)構(gòu)采用的是步進(jìn)電機(jī)搭配諧波減速器和21位高精度光電編碼器的方案。該機(jī)構(gòu)在軌推掃式掃描時(shí),能夠獲取地面高分辨率的圖像信息。其擺動(dòng)周期為142.925 ms,擺動(dòng)頻率為6.997 Hz,轉(zhuǎn)向時(shí)間為10.719 ms,擺鏡的掃描速率可達(dá)2.21095 rad·s-1,擺動(dòng)振幅為7.695°,測(cè)角精度達(dá)±15 μrad[1]。2001年法國(guó)地球觀測(cè)衛(wèi)星SPOT-5上的有效載荷HRG,它的軌道高度為822 km,其指向鏡驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)器,搭配光柵編碼器采集指向鏡的角度位置信息。指向鏡通過步進(jìn)電機(jī)將360°細(xì)分成1200步,掃描的步進(jìn)角為0.3°,地面分辨率達(dá)到2.5 m。二維光學(xué)掃描機(jī)構(gòu)包括:用于天氣預(yù)報(bào)的傅里葉變換成像光譜儀(GIFTS)指向鏡,精度優(yōu)于4′′;全球成像儀(GLI)萬向掃描鏡精度達(dá)到±0.08°,方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為±20°,最大速度為1.3(°)·s-1[2]。國(guó)內(nèi)的研究有:西安光學(xué)精密機(jī)械研究所研制的月基光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡,采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),指向精度可達(dá)60′′。風(fēng)云一號(hào)掃描機(jī)構(gòu)采用磁滯同步電機(jī),風(fēng)云二號(hào)和風(fēng)云三號(hào)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)掃描鏡。2013年我國(guó)發(fā)射的嫦娥三號(hào)搭載的二維轉(zhuǎn)臺(tái),電機(jī)采用的是四相步進(jìn)電機(jī),俯仰軸的掃描范圍為-0.4°～+0.4°,方位軸為±50°,掃描的精度為0.1°。2016年我國(guó)發(fā)射的量子號(hào)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星搭載的二維擺鏡,采用的是兩套獨(dú)立的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu),掃描精度小于3.5 μrad。

當(dāng)前擺鏡驅(qū)動(dòng)方案主要有兩種:一是利用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速器減速后驅(qū)動(dòng)擺鏡,編碼器作為位置傳感器提供位置反饋信號(hào)。二是利用有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),旋轉(zhuǎn)變壓器提供位置反饋信號(hào),通過位置環(huán)與速度環(huán)雙閉環(huán)控制。本文通過對(duì)大氣成分臨邊探測(cè)光譜儀的成像需求分析,對(duì)掃描機(jī)構(gòu)的指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì),對(duì)掃描機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的精度進(jìn)行測(cè)試記錄。選擇有限轉(zhuǎn)角無刷力矩電機(jī)搭配以光電編碼器作為位置傳感器的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103為控制核心,有限轉(zhuǎn)角直流無刷力矩電機(jī)為驅(qū)動(dòng)部件,利用光電編碼器,DRV8833C電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片,實(shí)現(xiàn)對(duì)擺鏡的指向精度控制。

1 轉(zhuǎn)動(dòng)角要求

擺鏡的性能指標(biāo)有光學(xué)性能要求、機(jī)械性能要求和運(yùn)動(dòng)性能要求。在擺鏡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,主要對(duì)擺鏡的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行測(cè)試,其中包括步進(jìn)角、指向精度、穩(wěn)定性、擺鏡機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍等。擺鏡控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣取決于步進(jìn)角精度、指向精度、穩(wěn)定性等指標(biāo)[3]。

星載大氣成分臨邊探測(cè)光譜儀依次在不同的切高掃描,分別從水平方位和垂直高度兩個(gè)方向觀測(cè)大氣。垂直方向一維掃描和離軸三反望遠(yuǎn)鏡組合,實(shí)現(xiàn)像方遠(yuǎn)心的前置光學(xué)系統(tǒng)。該光譜儀光路系統(tǒng)及臨邊觀測(cè)原理分別如圖1和圖2所示,擺鏡把地球紫外到可見光反射進(jìn)入光學(xué)掃描系統(tǒng),通過離軸三反鏡入射到光譜儀的入射狹縫,然后再通過成像光譜儀色散后成像到面陣CCD上,以獲得高光譜分辨率、高空間分辨率的光學(xué)信息。臨邊擺鏡采用一維擺掃方式工作,掃描鏡在軌掃描角度范圍約為(切高方向:10～50 km)-0.4°～+0.4°,指向精度為角秒級(jí),此模式為大氣成分探測(cè)儀的正常觀測(cè)模式。

圖1 光譜儀光路流程圖Fig.1 Flow chart of spectrometer optical system

圖2 臨邊觀測(cè)原理圖Fig.2 Principle of limb observation

2 系統(tǒng)組成部分

擺鏡控制系統(tǒng)主要包括硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分。硬件實(shí)現(xiàn)對(duì)擺鏡的驅(qū)動(dòng),軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)擺鏡位置的精確控制,通過高精度位置傳感器反饋的位置數(shù)據(jù)對(duì)電機(jī)的角度偏差進(jìn)行調(diào)整,控制芯片對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,通過比例、積分和微分控制(PID)輸出不同占空比的脈寬調(diào)制(PWM)控制電機(jī)繞組內(nèi)電流的變化,消除轉(zhuǎn)動(dòng)偏差。系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)組成Fig.3 System component

2.1 驅(qū)動(dòng)部件

電機(jī)作為探測(cè)儀的驅(qū)動(dòng)部件,需要分析電機(jī)的指標(biāo)要求。指向轉(zhuǎn)動(dòng)過程主要分為勻速階、勻減速、勻加速三個(gè)階段,并且要求在一定活動(dòng)范圍內(nèi),因此選擇有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)一般搭配減速器形成間接驅(qū)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)掃描精度會(huì)受到減速器傳動(dòng)精度的影響,在速度變化范圍、控制進(jìn)度等方面不如閉環(huán)控制的直接驅(qū)動(dòng)的直流無刷電機(jī);永磁同步電機(jī)的控制方式較為復(fù)雜,在工作中會(huì)占用更多的控制器資源,增加系統(tǒng)能耗;有限轉(zhuǎn)角直流無刷力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度是在一定范圍內(nèi),并且阻尼不同,不需要齒輪等機(jī)械結(jié)構(gòu)嚙合,直接與負(fù)載的擺鏡相連,體積更小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于控制,并且力矩電機(jī)在有限轉(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi)的力矩波動(dòng)比一般的直流無刷電機(jī)小[4]。本系統(tǒng)選用的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大于3,壽命周期大于8年(2×106r),重量為0.34 kg,輸出扭矩480 g·cm。

2.2 DRV8833C電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

本設(shè)計(jì)采用DRV8833C雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,其工作在PWM模式輸入下,一對(duì)N溝道和P溝道MOSFET組成H橋電路,其電路可以調(diào)節(jié)電機(jī)繞組電流,具有一種低功耗的休眠模式,電壓范圍為2.7～5.8 V[5]。xIN1、xIN2引腳輸入PWM信號(hào),控制xOUT1、xOUT2的電壓輸出,通過兩路PWM信號(hào)的輸入控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。電機(jī)控制邏輯如表1所示,控制原理如圖4所示。

圖4 控制原理圖Fig.4 Diagram of control schematic

表1 電機(jī)控制邏輯Table 1 Motor control logic

2.3 位置反饋信息采集

角位置傳感器用來實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度位置信息,電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過角度位置信息計(jì)算得出。該控制系統(tǒng)選用18位單圈絕對(duì)值編碼器,該編碼器共有18位數(shù)據(jù)位,其中0到17位為有效數(shù)據(jù)位。編碼器和STM32之間通過同步串行接口(SSI)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸,SSI需要一根數(shù)據(jù)線和一根時(shí)鐘線,編碼器數(shù)據(jù)采集時(shí)鐘選擇MCU的系統(tǒng)時(shí)鐘,同時(shí)分別將STM32兩個(gè)引腳配置成輸入模式和輸出模式。時(shí)鐘信號(hào)由接收端設(shè)置,編碼器的位置由接收設(shè)備的時(shí)鐘信號(hào)觸發(fā),從格雷碼高位(MSB)開始,輸出與時(shí)鐘信號(hào)同步的串行信號(hào)。以編碼器的總位數(shù)輸出N個(gè)中斷脈沖,當(dāng)傳送信號(hào)停止時(shí),時(shí)鐘和數(shù)據(jù)位均是高位,在時(shí)鐘信號(hào)的第一個(gè)下降沿,當(dāng)前值開始貯存,從時(shí)鐘信號(hào)上升沿開始,數(shù)據(jù)信號(hào)開始傳送,一個(gè)時(shí)鐘脈沖同步一位數(shù)據(jù)。接收到的位置信號(hào)是格雷碼形式,再通過軟件將格雷碼轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制代碼,方便微控制器讀取計(jì)算;編碼器數(shù)據(jù)格式如圖5所示。

圖5 編碼器數(shù)據(jù)格式Fig.5 Encoder data format

3 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn),它決定著系統(tǒng)的整體性能。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括主程序和位置環(huán)子程序的設(shè)計(jì)。主程序執(zhí)行系統(tǒng)的初始化和變量初始化,其流程如圖6所示。位置環(huán)程序根據(jù)光電編碼器測(cè)得的反射鏡角度數(shù)據(jù)值對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)[6]。微控制器接收并讀取擺鏡的當(dāng)前角度值,與設(shè)定的角度值進(jìn)行比較,經(jīng)過PID運(yùn)算后,輸出PWM信號(hào)到DRV8833C電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊,調(diào)節(jié)反射鏡位置,消除擺鏡位置偏差。光電編碼器的反饋信號(hào)均使用中斷服務(wù)程序來實(shí)現(xiàn),設(shè)定的角度信息通過上位機(jī)輸入系統(tǒng)[7]。STM32程序基于Keil軟件平臺(tái)利用C語言進(jìn)行編寫,這樣在功能性、結(jié)構(gòu)性、可維護(hù)性上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。基于QT編寫的上位機(jī)軟件與STM32進(jìn)行通信,通過上位機(jī)軟件給定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)值,觀察讀取編碼器值[8]。上位機(jī)界面如圖7所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flow chart of main program

圖7 上位機(jī)界面Fig.7 Interface of host computer

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能,搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(圖8)對(duì)控制系統(tǒng)的指向精度進(jìn)行了測(cè)試。電腦端上位機(jī)向電機(jī)控制電路發(fā)送電機(jī)控制指令,控制擺鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)。為避免擺鏡轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的失步,在設(shè)計(jì)中,設(shè)定占空比為50%的脈沖信號(hào),然后利用光電自準(zhǔn)直儀對(duì)擺鏡實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的角度信息進(jìn)行測(cè)量[9]。

圖8 測(cè)試平臺(tái)Fig.8 Testing platform

給系統(tǒng)和控制板上電后,系統(tǒng)開始工作,測(cè)試電機(jī)指向精度。從擺鏡的起始點(diǎn)出發(fā),進(jìn)行多組試驗(yàn),每組試驗(yàn)間隔相同角度,多次測(cè)量系統(tǒng)的指向精度。具體測(cè)量方法為:以零點(diǎn)為起點(diǎn),每次前進(jìn)100′′,測(cè)量實(shí)際角度值,計(jì)算和理論角度值的誤差,共測(cè)試10組指向精度,結(jié)果如表2所示。

表2 指向精度測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of pointing accuracy test

由上述表格數(shù)據(jù)可知電機(jī)在測(cè)試時(shí)從0°開始,每次轉(zhuǎn)動(dòng)相同角度100′′,測(cè)量電機(jī)實(shí)際位置。共進(jìn)行了10組測(cè)試,根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算指向精度偏差(絕對(duì)值)如表3所示,其中角度最大偏差為19.6′′,最小偏差為7.46′′,總的平均偏差為12.15′′,滿足控制系統(tǒng)指向精度δ＜20′′的設(shè)計(jì)指標(biāo)。各個(gè)角度所測(cè)多組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算公式為

表3 指向精度偏差Table 3 Pointing accuracy deviation value

式中N為測(cè)試組數(shù),Xi為偏差值,μ為平均偏差。從結(jié)果可知,最大標(biāo)準(zhǔn)差為4.06,最小標(biāo)準(zhǔn)差為2.38,多次測(cè)量的一致性較好。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了基于直流力矩的電機(jī)擺鏡控制系統(tǒng),搭建試驗(yàn)平臺(tái),對(duì)擺鏡系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)得指向精度小于12.15′′,初步滿足了星載大氣成分臨邊探測(cè)光譜儀對(duì)擺鏡高精度指向的要求,達(dá)到了在地面模擬驗(yàn)證掃描方向上光譜數(shù)據(jù)采集的目的。影響系統(tǒng)精度的因素有很多,如軸承間的機(jī)械摩擦、機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工精度、電機(jī)本身的工藝水平、軟件算法控制的優(yōu)化、使用環(huán)境等。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在精度上有待提高,后續(xù)將對(duì)控制算法作進(jìn)一步優(yōu)化。