一种硬杆控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种硬杆控制系统，它解决经纬仪硬杆半自动跟踪问题，本发明包括与硬杆依次连接的硬杆调节器和速度调节器，速度调节器与被控仪器连接，硬杆调节器包括电桥电路、第一支路和第二支路，第一支路和第二支路均包括依次连接的微弱信号的差分放大和平衡电路、低通滤波电路、零点漂移的调整电路、增益调节及特性调节电路以及限幅放大电路，该硬杆控制系统控制方法简单、操作方便，具有摇动手柄方向任意、温度自补偿、防电磁干扰的功能，具有高灵敏度、高回位精度、成本低廉。
【专利说明】一种硬杆控制系统
【技术领域】
[0001]本发明属于机电一体化的伺服控制系统领域，具体涉及一种硬杆控制系统。
【背景技术】
[0002]硬杆控制系统广泛应用于经纬仪的远程或超远程控制之中，实现经纬仪对目标的半自动跟踪、定向、捕获功能。硬杆的执行机构(即手柄，或者操纵杆)，分为硬杆和软杆，而硬杆具有较好的回位精度和抗振性能；扳动硬杆手柄，离开中心位置的偏移矢量，反映了电机的旋转方向和大小，扳动硬杆手柄的速度，反映了电机的旋转速度。偏移量的测量常用的有红外光学传感器、霍尔式传感器、力敏传感器，力敏传感器具有成本低廉、精度损失小、抗干扰能力强的特点；传感器将感知的电压信号，经过硬杆调节器、伺服控制器处理后，控制经纬仪完成目标精确跟踪、定位、快速捕获功能。
[0003]现有的硬杆控制系统，具有互换性差；信号随温度变化，需要单片机校正非线性输出；易受电磁场干扰的缺点。
【发明内容】
[0004]本发明为解决经纬仪的人机智能远程控制问题，提供一套硬杆控制系统。
[0005]本发明的技术解决方案是:
[0006]一种硬杆控制系统，包括与硬杆依次连接的硬杆调节器和速度调节器，速度调节器与被控仪器连接，其特殊之处在于:硬杆调节器包括电桥电路、第一支路和第二支路，第一支路和第二支路均包括依次连接的微弱信号的差分放大和平衡电路、低通滤波电路、零点漂移的调整电路、增益调节及特性调节电路以及限幅放大电路，电桥电路输出信号La和Le，信号La依次通过第一支路的微弱信号的差分放大和平衡电路、低通滤波电路、零点漂移的调整电路、增益调节及特性调节电路、限幅放大电路与速度调节器连接，信号Le通过第二支路的微弱信号的差分放大和平衡电路、低通滤波电路、零点漂移的调整电路、增益调节及特性调节电路、限幅放大电路与速度调节器连接。
[0007]上述电桥电路包括应变片RD1、应变片RD2、应变片RD3、应变片RD4、应变片RB 1、应变片RB2以及分压电阻；应变片RD1、应变片RD2、应变片RD3以及应变片RD4分别设置在硬杆的前后左右四个方位;应变片RDl以及应变片RD2串联成第一支路，应变片RBl以及应变片RB2串联成第二支路，应变片RD3以及应变片RD4串联成第三支路，第一支路、第二支路和第三支路并联，应变片RDl和应变片RD2的共同连接端输出信号La给第一支路的微弱信号的差分放大和平衡电路；应变片RD3和应变片RD4的共同连接端输出信号Le给第二支路的微弱信号的差分放大和平衡电路；第一支路和第二支路并联的一个端点通过分压电阻接电源，第一支路和第二支路并联的另一个端点接地。
[0008]上述微弱信号的差分放大和平衡电路包括运算放大器U1、运算放大器U2、运算放大器U5、电阻R11、电阻R15、电阻R12、电阻R17、电位器P1、二极管Dl和二极管D2 ;运算放大器U2的输出端接入运算放大器U2的负输入端，运算放大器U2的输出端依次通过电阻R12和电阻R17接地；运算放大器Ul的输出端接入运算放大器Ul的负输入端，运算放大器Ul的输出端通过电阻Rll接入运算放大器U5的负输入端，应变片RBl和应变片RB2的共同连接端接入运算放大器U2的正输入端，应变片RDl和应变片RD2的共同连接端输出信号La连接第一支路中运算放大器Ul的正输入端；应变片RD3和应变片RD4的共同连接端输出信号Le给第二支路中运算放大器Ul的正输入端；二极管Dl和二极管D2并联后接在运算放大器U5的正输入端和负输入端之间；二极管Dl的正负极连接方向与二极管D2的正负极连接方向相反；运算放大器U5的负输入端还接在电阻R12和电阻R17之间，运算放大器U5的输出端依次通过电位器Pl和电阻R15接入运算放大器U5的负输入端。
[0009]上述低通滤波电路包括电阻R19、电阻R22以及电容Cl ;电阻R19和电阻R22串联后接在差分放大和平衡电路的输出端和零点漂移的调整电路的输入端之间，电阻R19和电阻R22的共同连接端通过电容Cl接地。
[0010]上述零点漂移的调整电路包括运算放大器U7、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R32、电位器P3、电位器P4、二极管D5以及二极管D6 ;二极管D5、二极管D6反向并联后跨接在运算放大器U7的正负输入端之间；运算放大器U7正输入端通过电阻R23接地；电位器P3的中心触头和电阻R26串联后接入运算放大器U7的负输入端；电位器P4 一个固定端与电阻R24串联后接正电源，电位器P4另一个固定端与电阻R25串联后接负电源，电位器P4的中心触头和电阻R27串联后接入运算放大器U7的负输入端；电阻R32跨接在运算放大器U7的负输入端和运算放大器U7的输出端之间，低通滤波电路的输出端连接运算放大器U7的负输入端。
[0011]上述增益调节及特性调节电路包括运算放大器U9、串接电阻R35、电阻R37、电阻R38、电阻R39、电阻R40、电阻R41、电阻R48、电位器S3、电位器P8、二极管D9、二极管D10、二极管D11、二极管D12以及电容C3 ;零点漂移调整电路的输出通过串接电阻R35接入运算放大器U9正输入端，运算放大器U9正输入端通过电位器S3接地；运算放大器U9负输入端连接电位器P8的中心触头；运算放大器U9的输出端通过由电阻R48和电容C3并联组成的RC电路后接入限幅放大电路的输入端，运算放大器U9的输出端还依次通过电阻R37和电阻R38接地；运算放大器U9的输出端还依次通过电阻R39、电阻R40、二极管DlO接地，二极管DlO的两端并联有二极管D9，二极管D9与二极管DlO正负极方向相反，二极管Dll与二极管D12反向并联又与电阻R41串联后接在电阻R40的两端，电位器P8的一个固定端与电阻R37和电阻R38的共同接点连接，电位器P8的另一个固定端与电阻R39和电阻R40的共同接点连接。
[0012]上述限幅放大电路包括运算放大器U11，串联电阻R49、电阻R51、电阻R52、电阻R53、电阻R57、电阻R59、稳压管Z1、稳压管Z2，二极管D19、二极管D20、电容C5以及电容C6 ;增益调节及特性电路的输出端通过串联电阻R49接入运算放大器Ull的负输入端，运算放大器Ull的正输入端通过电阻R51接地；串联后的电阻R52、电阻R53与串联后的稳压管Z1、稳压管Z2并联后跨接在运算放大器Ull的负输入端和运算放大器Ull的输出端之间；运算放大器Ull的输出端依次通过电阻R57和电容C5后接地，电阻R57和电容C5共同端连接二极管D19的正极，二极管D19的负极接入速度调节器，二极管D19的两端还并联有二极管D20，二极管D19和二极管D20连接方向相反，二极管D19的负极通过电容C6接地，二极管D19的负极通过电阻R59接地。[0013]本发明的优点是:
[0014]I)采用应变片纯电路网络，控制方法简单、操作方便，具有摇动手柄方向任意、温度自补偿、防电磁干扰的功能，具有高灵敏度、高回位精度、成本低廉、人机性能友好特点的多轴自复位的精密硬杆控制系统。本发明不仅适用于经纬仪伺服控制系统人机智能远程控制，也可应用于其他工程机械、自动化设备的精密控制中；
[0015]2)本发明具有温度自补偿功能，信号不受环境温度影响；
[0016]3)本发明具有零点漂移的调整功能,硬杆回位精度闻；
[0017]4)本发明具有粗调和精调功能，硬杆灵敏度高。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明原理图；
[0019]图2为硬杆调节器的原理图；
[0020]图3为电桥电路连接图；
[0021]图4为微弱信号的差分放大和平衡电路连接图；
[0022]图5为低通滤波电路连接图；
[0023]图6为零点漂移的调整电路连接图；
[0024]图7为增益调节及特性调节电路连接图；
[0025]图8为限幅放大电路连接图。
[0026]1-硬杆；2_硬杆调节器；21_电桥电路；22_微弱信号的差分放大和平衡电路；23-低通滤波电路；24_零点漂移的调整电路；25_增益调节及特性调节电路；26_限幅放大电路；3_速度调节器；4_被控仪器。
【具体实施方式】
[0027]如图1，本发明的原理是:将水平方向应变片和垂直方向应变片输出的模拟电压信号La和Le送入硬杆调节器，将应变电阻的微小变化量经过变换电路转换成-1OV?+IOV的电压变化量Ua和Ue，Ua和Ue送入速度调节器，经过速度反馈环路将应变电压变化量Ua和Ue转变成灵敏度高的经纬仪的方位伺服电机和俯仰伺服电机的电压控制信号Va和Ve ；信号Va和Ve通过电缆输出和经纬仪的电机相连；从而实现经纬仪的人机智能远程控制。
[0028]该硬杆控制系统，由纯硬件电路组成，包括与硬杆依次连接的硬杆调节器和速度调节器，速度调节器与被控仪器连接。
[0029]硬杆调节器是该控制系统的核心部分，硬杆调节器主要为速度调节器提供输入控制信号，使转台在半自动工作方式下按照硬杆调节网络的输出信号产生相应的转速，完成对目标的跟踪。如图2，硬杆调节器包括电桥电路、第一支路和第二支路，第一支路和第二支路均包括依次连接的微弱信号的差分放大和平衡电路、低通滤波电路、零点漂移的调整电路、增益调节及特性调节电路、限幅放大电路，电桥电路输出信号La和Le，信号La依次通过第一支路的微弱信号的差分放大和平衡电路、低通滤波电路、零点漂移的调整电路、增益调节及特性调节电路、限幅放大电路与速度调节器连接，信号Le通过第二支路的微弱信号的差分放大和平衡电路、低通滤波电路、零点漂移的调整电路、增益调节及特性调节电路、限幅放大电路与速度调节器连接。[0030]下面对硬杆调节器的各部分电路进行详述。
[0031]电桥电路，利用电桥原理，将应变电阻的微小变化量经变换电路转换成-1OV~+IOV的电压变化量，这样操作手就可以通过改变施加给硬杆的左右、前后外力的大小来控制经纬仪方位、俯仰方向的转速，从而实现半自动跟踪。
[0032]本发明的电桥电路，带有温度补偿功能。由于应变电阻的变化量非常小，因此必须选用反应灵敏的电桥电路来感知此微弱变化。RB1、RB2固定在线路板上，其阻值不变，而RD1、RD2则对称贴在硬杆下端的左右两边，RD3、RD4对称贴在硬杆下端的前后两边，当杆件发生变形时，RDl、RD2同时感受这种变化，假定变化量为5，则有RDl变为RDl+S，RD2变为RD2- 8，但 RB1、RB2 不变，RD1=RD2=RB1=RB2=120 Q。于是:
【权利要求】
1.一种硬杆控制系统，包括与硬杆依次连接的硬杆调节器和速度调节器，速度调节器与被控仪器连接，其特征在于:硬杆调节器包括电桥电路、第一支路和第二支路，第一支路和第二支路均包括依次连接的微弱信号的差分放大和平衡电路、低通滤波电路、零点漂移的调整电路、增益调节及特性调节电路以及限幅放大电路，电桥电路输出信号La和Le，信号La依次通过第一支路的微弱信号的差分放大和平衡电路、低通滤波电路、零点漂移的调整电路、增益调节及特性调节电路、限幅放大电路与速度调节器连接，信号Le通过第二支路的微弱信号的差分放大和平衡电路、低通滤波电路、零点漂移的调整电路、增益调节及特性调节电路、限幅放大电路与速度调节器连接。
2.根据权利要求1所述的硬杆控制系统，其特征在于:电桥电路包括应变片RD1、应变片RD2、应变片RD3、应变片RD4、应变片RBl、应变片RB2以及分压电阻;应变片RDl、应变片RD2、应变片RD3以及应变片RD4分别设置在硬杆的前后左右四个方位；应变片RDl以及应变片RD2串联成第一支路，应变片RBl以及应变片RB2串联成第二支路，应变片RD3以及应变片RD4串联成第三支路，第一支路、第二支路和第三支路并联，应变片RDl和应变片RD2的共同连接端输出信号La给第一支路的微弱信号的差分放大和平衡电路；应变片RD3和应变片RD4的共同连接端输出信号Le给第二支路的微弱信号的差分放大和平衡电路；第一支路和第二支路并联的一个端点通过分压电阻接电源，第一支路和第二支路并联的另一个端点接地。
3.根据权利要求2所述的硬杆控制系统，其特征在于:所述微弱信号的差分放大和平衡电路包括运算放大器U1、运算放大器U2、运算放大器U5、电阻R11、电阻R15、电阻R12、电阻R17、电位器P1、二极管Dl和二极管D2 ;运算放大器U2的输出端接入运算放大器U2的负输入端，运算放大器U2的输出端依次通过电阻R12和电阻R17接地；运算放大器Ul的输出端接入运算放大器Ul的负输入端，运算放大器Ul的输出端通过电阻Rll接入运算放大器U5的负输入端，应变片RB l和应变片RB2的共同连接端接入运算放大器U2的正输入端，应变片RDl和应变片RD2的共同连接端输出信号La连接第一支路中运算放大器Ul的正输入端；应变片RD3和应变片RD4的共同连接端输出信号Le给第二支路中运算放大器Ul的正输入端；二极管Dl和二极管D2并联后接在运算放大器U5的正输入端和负输入端之间；二极管Dl的正负极连接方向与二极管D2的正负极连接方向相反；运算放大器U5的负输入端还接在电阻R12和电阻R17之间，运算放大器U5的输出端依次通过电位器Pl和电阻R15接入运算放大器U5的负输入端。
4.根据权利要求3所述的硬杆控制系统，其特征在于:低通滤波电路包括电阻R19、电阻R22以及电容Cl ;电阻R19和电阻R22串联后接在差分放大和平衡电路的输出端和零点漂移的调整电路的输入端之间，电阻R19和电阻R22的共同连接端通过电容Cl接地。
5.根据权利要求4所述的硬杆控制系统，其特征在于:零点漂移的调整电路包括运算放大器U7、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R32、电位器P3、电位器P4、二极管D5以及二极管D6 ;二极管D5、二极管D6反向并联后跨接在运算放大器U7的正负输入端之间；运算放大器U7正输入端通过电阻R23接地；电位器P3的中心触头和电阻R26串联后接入运算放大器U7的负输入端；电位器P4 —个固定端与电阻R24串联后接正电源，电位器P4另一个固定端与电阻R25串联后接负电源，电位器P4的中心触头和电阻R27串联后接入运算放大器U7的负输入端；电阻R32跨接在运算放大器U7的负输入端和运算放大器U7的输出端之间，低通滤波电路的输出端连接运算放大器U7的负输入端。
6.根据权利要求5所述的硬杆控制系统，其特征在于:增益调节及特性调节电路包括运算放大器U9、串接电阻R35、电阻R37、电阻R38、电阻R39、电阻R40、电阻R41、电阻R48、电位器S3、电位器P8、二极管D9、二极管D10、二极管D11、二极管D12以及电容C3 ;零点漂移调整电路的输出通过串接电阻R35接入运算放大器U9正输入端，运算放大器U9正输入端通过电位器S3接地；运算放大器U9负输入端连接电位器P8的中心触头；运算放大器U9的输出端通过由电阻R48和电容C3并联组成的RC电路后接入限幅放大电路的输入端，运算放大器U9的输出端还依次通过电阻R37和电阻R38接地；运算放大器U9的输出端还依次通过电阻R39、电阻R40、二极管DlO接地，二极管DlO的两端并联有二极管D9，二极管D9与二极管DlO正负极方向相反，二极管Dll与二极管D12反向并联又与电阻R41串联后接在电阻R40的两端，电位器P8的一个固定端与电阻R37和电阻R38的共同接点连接，电位器P8的另一个固定端与电阻R39和电阻R40的共同接点连接。
7.根据权利要求6所述的硬杆控制系统，其特征在于:限幅放大电路包括运算放大器U11，串联电阻R49、电阻R51、电阻R52、电阻R53、电阻R57、电阻R59、稳压管Z1、稳压管12,二极管D19、二极管D20、电容C5以及电容C6 ;增益调节及特性电路的输出端通过串联电阻R49接入运算放大器Ull的负输入端，运算放大器Ull的正输入端通过电阻R51接地；串联后的电阻R52、电阻R53与串联后的稳压管Z1、稳压管Z2并联后跨接在运算放大器Ull的负输入端和运算放大器Ull的输出端之间；运算放大器Ull的输出端依次通过电阻R57和电容C5后接地，电阻R57和电容C5共同端连接二极管D19的正极，二极管D19的负极接入速度调节器，二极管D19的两端还并联有二极管D20，二极管D19和二极管D20连接方向相反，二极管D19的负极通过电 容C6接地，二极管D19的负极通过电阻R59接地。
【文档编号】G05B11/01GK103529693SQ201310467940
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年9月30日 优先权日:2013年9月30日
【发明者】王鲜红, 马彩文, 梁雁冰, 李艳 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所