一种数字式摆镜控制系统

文档序号:25541714发布日期:2021-06-18 20:37阅读:145来源:国知局
一种数字式摆镜控制系统

本发明涉及摆镜控制系统,具体涉及一种数字式摆镜控制系统。



背景技术:

光电跟踪系统是实现捕获、跟踪与瞄准功能的重要设备之一,在目标探测、导航定位、火控系统、航空航天、望远镜系统、光束稳定控制、空间光通信等领域中起着举足轻重的作用。目前,行业内对光电跟踪系统的稳定度、跟踪精度等都提出了越来越高的要求,但受系统带宽、转动惯量、跟踪范围的影响,仅利用大惯量跟踪架已经很难实现高稳定度、高跟踪精度的要求,而采用小惯量跟踪系统却难以满足系统工作范围需求。为此,通常采用大惯量跟踪系统与小惯量的跟踪系统配合工作,构成复合轴系统才能有效地保证系统满足设计各项需求。

摆镜作为精跟踪执行机构,以其精密定位的特点和快速响应能力,在空间科学及通信领域占据了越来越重要的位置,是目前顶尖技术之一。摆镜是一种高速镜面偏转机构,也称为快速反射镜(faststeeringmirror,fsm),主要有压电陶瓷驱动和音圈电机驱动两种。压电陶瓷利用的是电介质在电场作用下的两种效应--压电效应和电致伸缩效应,实现电能和机械能的互相转换。由压电陶瓷驱动的摆镜主要由柔性铰链、压电陶瓷驱动器、位置微调预紧机构、内部应变片传感器以及总体支撑框架几部分组成。在驱动原理上,压电陶瓷驱动的摆镜一般采用四驱动器-两轴方式驱动镜片平台的偏转,即每两个压电驱动器构成差分顶拉结构。音圈电机是一种直线驱动电机,由永磁场、管状线圈、铁磁圆柱、线圈支撑等部件构成,管状线圈通电后在磁场力作用下沿工作气隙直线运动。音圈电机具有结构简单、体积小、高加速响应快等特性。音圈电机的工作原理是安培力定理,通电导体在磁场中会产生力,力的大小取决于磁场强度、电流以及磁场和电流的方向。

音圈电机因其快速的动态响应和极高的控制精度,被广泛应用于高精度定位的伺服系统中。作为摆镜精跟踪系统的执行器,音圈电机的输出精度决定精跟踪系统的跟踪精度。但由于摆镜在两个自由度下响应转动时会存在机械耦合的影响,即一个自由度上的响应会引起另一个自由度的响应,而造成这种耦合的主要原因是电机的安装误差。除此之外由于位移传感器与电机无法共轴安装,所以位置信息只能通过传感器反馈信息坐标变换后得到,因而由于传感器与电机的安装误差也存在耦合,只能通过控制系统对其反馈进行解耦。

目前国内市场的光电跟踪系统主要采用进口的模拟摆镜控制系统,国内现有摆镜控制系统主要存在以下缺点:

1)现有摆镜控制系统抗干扰能力弱,不易扩展;

2)摆镜主要由压电陶瓷和音圈电机两种方式进行驱动,但对于有较大行程需求时多采用音圈电机的驱动形式,由于音圈电机是一种直线驱动电机,传感器与电机无法共轴安装,因此存在xy两轴的传感器位置反馈耦合的问题;

3)由于摆镜在两个自由度下响应转动时会存在机械耦合的影响,即一个自由度上的响应会引起另一个自由度的响应。而造成这种耦合的主要原因是安装引起的,虽然可以通过轻微调整得到改善,但是这种因素是不可避免的;

4)对于摆镜的执行机构属于柔性机构,所以其一阶谐振频率较低,在保证控制带宽的条件下并没有合理的方法对其抑制;

5)摆镜控制系统的伺服控制模块多采用二次电源、伺服控制器、主控电路板等多电路板集成的方式,具有体积大、重量大等缺陷。



技术实现要素:

本发明的目的是解决现有摆镜控制系统存在抗干扰能力弱、不易扩展、一阶谐振频率较低,以及体积和重量较大的技术问题,提出一种数字式摆镜控制系统,数字式摆镜控制系统相比于模拟摆镜控制系统更易拓展,并且抗干扰能力强。

为了实现上述目的,本发明所采用的技术方案是:

一种数字式摆镜控制系统,包括摆镜结构、dc/dc、2个x轴电机、2个x轴位移传感器、与2个x轴电机及2个x轴位移传感器连接的x轴控制单元,以及2个y轴电机、2个y轴位移传感器、与2个y轴电机及2个y轴位移传感器连接的y轴控制单元;其特殊之处在于:

所述2个x轴电机与原点o距离均为r,其连线与摆镜结构x轴重合;所述2个x轴位移传感器与原点o距离均为r,其连线与摆镜结构x轴夹角为45度;

所述2个y轴电机与原点o距离均为r,其连线与摆镜结构y轴重合;所述2个y轴位移传感器与原点o距离均为r,其连线与2个x轴位移传感器连线垂直;

所述x轴控制单元包括fpga、dsp、h桥、pwm驱动电路、电流采集电路、ad转换电路及通信电路;

所述fpga分别与ad转换电路及通信电路连接,用于实现x轴的电流采集、位置采集,并将采集信号送入dsp,以及实现多路数据通信;

所述dsp分别与fpga及pwm驱动电路连接,用于实现x轴的电流闭环运算和位置闭环运算,并生成pwm脉冲送入pwm驱动电路;dsp包括位置环控制器、电流环控制器以及pwm发生器;

所述位置环控制器,用于实现x轴位置偏差的跟踪控制;所述x轴位置偏差是通过x轴运动解耦后的位置信号,与x轴位移传感器输出经传感器解耦后的位移量进行减法运算获得;

所述电流环控制器,用于实现x轴电流偏差的闭环控制,所述x轴电流偏差是通过位置环控制器输出的电流信号,与x轴电流信号进行减法运算获得;

所述pwm发生器用于将电流环控制器输出信号转换为pwm脉冲信号;

所述pwm驱动电路的输出端与h桥连接,用于将pwm脉冲信号转换为驱动h桥工作的pwm驱动信号;

所述h桥用于驱动2个x轴电机运行,所述2个x轴电机的电流相等,方向相反;

所述电流采集电路的输入端与h桥连接,用于采集h桥的工作电流;

所述ad转换电路的输入端分别与电流采集电路和2个x轴位移传感器连接,用于接收采集的工作电流和位移量,并进行数字转换,将转换后的数字信号送入fpga;

所述y轴控制单元与x轴控制单元结构完全相同。

进一步地,为了抑制系统的一阶谐振,所述dsp还包括数字陷波器,所述数字陷波器设置在位置环控制器输出端。

进一步地,所述dc/dc用于将外部28v电源转换为5v和±15v,其中,5v给dsp、fpga、ad及x轴位移传感器和y轴位移传感器供电,±15v给电流采集电路供电;采用dc/dc可有效减小控制系统的体积;

外部28v还作为x轴电机和y轴电机的母线电压;

所述5v通过ldo产生dsp和fpga运行所需的3.3v、2.5v、1.8v及1.2v电压;采用低压差线性稳压器ldo可有效减小系统功耗。

进一步地,为了减小控制系统的故障成本,所述x轴控制单元和y轴控制单元还包括过流保护电路,所述±15v给过流保护电路供电;

所述过流保护电路的输入端与电流采集电路连接,电流采集电路还用于采集h桥的母线电压,过流保护电路用于对母线电压进行过流判断;

所述过流保护电路的输出端与pwm驱动电路相连,用于过流时封锁pwm驱动电路,从而使h桥不工作。

进一步地,所述h桥采用占空比50%对应电流为零的控制方式;

定义控制两个上桥臂的控制信号分别为h1和h2,则有:当h1占空比与h2占空比均为50%时,电流为0;当h1占空比>50%,h2占空比<50%,电流为正;当h1占空比<50%,h2占空比>50%,电流为负;h桥提供给电机电流的正负不同,可使电机输出的力矩方向不同。

进一步地,所述x轴电机和y轴电机的位移量通过下式获得:

其中:

za为x轴电机在z方向的位移;

zb为y轴电机在z方向的位移;

zc为与x轴夹角45度方向的位移传感器在z方向移动的距离;

zd为与y轴夹角45度方向的位移传感器在z方向移动的距离。

进一步地,所述数字陷波器为陷波频率41hz的二阶数字滤波器,可以较好地滤除控制系统的机械谐振频率。

进一步地,所述位置环控制器采用pi控制方式,所述电流环控制器采用不完全积分比例控制方式,可以提高电路的快速响应能力及稳定性。

进一步地,所述通信电路采用rs422通信。

进一步地,所述x轴电机和y轴电机均为音圈电机;所述x轴位移传感器和y轴位移传感器均为电涡流位移传感器。

本发明的有益效果是:

1)本发明提出一种以dsp为控制核心的高速、90mm口径的数字式摆镜控制系统,相比于模拟摆镜控制系统具有易拓展、抗干扰强等优点,且控制系统运行稳定可靠,具有响应速度快、稳态精度高等优点。

2)本发明采用音圈电机作为摆镜驱动电机,并针对位移传感器与电机无法共轴安装的实际情况采用电涡流位移传感器斜45度安装作为位置反馈位移传感器;同时针对坐标变换后xy两轴的位置信息反馈存在耦合问题,以及由于安装所引起的摆镜在两个自由度下响应转动时会存在机械耦合问题,采用位移传感器解耦、运动解耦等方法进行摆镜位移解算,提高了系统的抗干扰性能。

3)本发明基于dsp+fpga的伺服控制单元,可以实现系统的通信及电涡流位移传感器的位置采集、摆镜音圈电机驱动控制算法、数字电流环、位置环闭环控制;利用位置环控制器采用pi+数字陷波器的形式抑制其一阶谐振,控制带宽达到300hz。

4)本发明采用多集成、小型化设计将传统摆镜控制系统伺服控制模块的二次电源、伺服控制器等多电路板集成的方式改变为由一个控制电路板来完成,具有体积小、重量轻、成本低等优点。

附图说明

图1为本发明数字式摆镜控制系统中x轴和y轴控制单元的电路组成示意图;

图2为本发明数字式摆镜控制系统控制原理示意图;

图3为本发明实施例中h桥四象限驱动原理示意图;

图4为本发明实施例中摆镜结构示意图;

图5为本发明实施例中位移传感器坐标变化示意图;

图6为本发明实施例中数字陷波器的二阶滤波器频谱特性图;

图7为本发明实施例中x轴y轴分别给定正弦带宽测试波形图;

图8为本发明实施例中x轴y轴相位差90°,x轴y轴位置给定正弦相位差测试波形示意图;

图9为本发明实施例中x轴y轴相位差180°,x轴y轴位置给定正弦相位差测试波形示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案,下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明摆镜控制系统,由摆镜、x轴y轴音圈电机、位移传感器和控制电路等组成。位移传感器采用电涡流位移传感器,是摆镜的测量反馈环节,实时探测摆镜的音圈电机驱动位移变化量,并实时传送给控制单元;按控制单元将接收到的位移量计算出实际x轴y轴上音圈电机驱动的位移量的大小,再经过一系列解耦,最后控制单元根据控制算法将控制量输出到音圈电机执行机构上,整个系统形成一个实时闭环控制系统。

本发明控制系统电路包括dc/dc及x轴、y轴控制单元,x轴、y轴控制单元的电路结构完全相同。控制系统电路组成与原理如图1所示,外部供电28v通过dc/dc模块将电压转换为5v和±15v,其中28v作为音圈电机的母线电压,5v用来给dsp、fpga、ad、电涡流位移传感器等供电,±15v用来提供给过流保护电路和相电流采样电路;dsp用来实现摆镜控制算法以及电流、位置双闭环控制算法实现;fpga用来实现四路电流采集、位置采集以及8路rs422通信;此外还通过硬件电路实现过流保护。

采用dsp为主fpga为辅的电路板设计方案,其中dsp作用是配置系统初始化参数,完成控制参数整定,完成上位机的通讯以及输出pwm脉冲,控制系统采用电流环、位置环双闭环控制。

该系统在反馈环节需要进行解耦,将轴与轴上的两个电涡流位移传感器输出解耦至x轴与y轴坐标下,解耦后的位置反馈相对独立,分别作为x轴和y轴的位置闭环反馈,从而完成两个轴的位置独立控制。在数字式摆镜控制系统结构中,每个轴包含了位置环控制器(包含陷波器)、电流环控制器、pwm生成、h桥驱动、位置测量解耦、电流采样等环节。

图2为摆镜控制原理框图,其中位置环控制器采用pi控制+数字陷波器的形式实现,pi控制可以实现位置的误差跟踪控制,陷波器避免控制系统与结构发生谐振。

电流环控制器采用不完全积分比例控制器,引入电流闭环的控制可以提高电路的快速响应能力及稳定性。通过电流环控制器的输出决定输出至h桥的pwm脉冲,实现电流方向、电流大小的控制,从而控制音圈电机输出力矩的方向和大小,从而实现音圈电机的四象限运行。

采用占空比50%对应电流为零的控制方式。h桥驱动原理如图3所示,图中pwm信号下桥臂与上桥臂均为互补的脉冲并设置死区时间,从而只需要控制占空比即可控制输出电流的大小和方向。定义控制两个上桥臂的控制信号分别为h1和h2,则占空比与输出电流的对应关系如下:

h1与h2占空比都为50%时,电流为0;

h1占空比>50%,h2占空比<50%,电流为正;

h1占空比<50%,h2占空比>50%,电流为负。

其中pwm斩波频率22.5khz,位置及电流控制频率10khz。

1)摆镜位移传感器斜45度测量位移坐标变换

由于位移传感器与音圈电机无法共轴安装,故采用位移传感器斜45度安装的形式,以每个象限为例,在与x轴y轴夹角为45度的位置安装电涡流位移传感器。通过四个象限的四个电涡流位移传感器得到位置反馈信息即,并通过位移坐标变换得到x轴和y轴位置信息。

2)运动解耦

与位移传感器无关,x轴与y轴在运动时存在固有的耦合,通过控制系统使耦合分离达到解耦的效果。通过解偶可以使各个自由度上的偏转响应独立或分离,这样就可以使摆镜在单个自由度上的输出指令不影响其他自由度上的相关性能。此耦合应该在开环的情况下实测,然后通过调节,来实现两个轴的运动解耦。

3)传感器解耦

第一步解决后,两个轴可以认为能够实现独立运动,仍需进一步修正位移传感器误差实现闭环控制。使x轴独立开环运动,y轴静止,进而得到y轴与x轴的反馈函数关系,通过调节,使y轴反馈为零;同理y轴独立开环运动,x轴静止,调节,使x轴反馈为零。其中是反馈系数,用以调节给定与输出位置的对应关系。

4)数字陷波器抑制机械谐振

通过对系统进行带宽扫频测试,发现该系统存在41hz的机械谐振,使得系统在该频率附近产生谐振,所以本发明在位置环控制器的末端加入频率为41hz的二阶数字陷波器对其谐振进行抑制。

实施例

1)控制系统电路硬件组成

控制系统电路组成框图如图1所示,x轴和y轴控制单元采用一块电路板实现,电路板主要包含dc/dc和x轴和y轴控制单元的功能模块:dsp、fpga、h桥、pwm驱动电路、电流采集电路、过流保护电路、ad转换电路、rs422通信电路等。

该电路额定输入电压为28v,允许的输入电压范围为18~75v,该输入电压作为音圈电机母线电压,同时该输入电压经dc/dc变换后为电路板供电。

选用了datel公司的三路输出dc/dc,可以同时输出5v、+15v、-15v三种电压,并且体积小、功率大,尺寸只有50.8mm×50.8mm×11.4mm,功率20w。

选用ti公司的tps系列ldo产生dsp和fpga运行所需的3.3v、2.5v、1.8v、1.2v电压。

2)摆镜位移传感器斜45度测量位移坐标变换原理

基于音圈电机驱动的摆镜结构如图4所示,具有在x轴和y轴上可以实现两个自由度的偏转,每个轴上在距中心点o为r的距离上装上两个驱动器(音圈电机),在轴和轴距中心点o为r距离上安装电涡流位移传感器,轴与x轴的夹角为45度,轴与y轴的夹角为45度,x轴与y轴、轴与轴互成直角。当x轴和y轴上音圈电机驱动一定的夹角时,轴与轴上位移传感器的测量值也发生对应的变化,位移传感器坐标变化如图5所示。此处的距离r只是说明四个音圈电机和四个电涡流位移传感器都分布在半径为r的圆周上,其具体取值范围由实际结构尺寸确定。2个x轴上的音圈电机电流大小相等,方向相反;2个y轴上的音圈电机电流大小相等,方向相反。

图5中,以直角坐标中z轴为旋转轴,平面绕z轴旋转γ后为,规定在右手坐标系中,物体旋转的正方向是右手螺旋方向,即从z轴正半轴向原点看是逆时针方向;椭圆abcd是柱面:与平面aob的交线,其中,则平面aob的方程为:,椭圆abcd曲线在内的投影为圆,则a,b,c,d,o在一个平面内,且a,b,c和d在平面内的投影分别为点,其中上的点,则的坐标分别,因此设c和d的坐标分别为

因为a,b,c,d,o在一个平面内,所以将点c和d的坐标分别代入到平面aob的方程中得到:

(1)

由式(1)解得:

(2)

时,由式(2)可得:

(3)

由式(3)获得:

(4)

其中:za为x轴音圈电机在z方向的位移;zb为y轴音圈电机在z方向的位移;zc为与x轴夹角45度方向的位移传感器在z方向移动的距离;zd为与y轴夹角45度方向的位移传感器在z方向移动的距离。

由式(4)可知,点a,b,c,d,o在一个平面内,当已知c和d的z方向坐标的值就可以求得点a和b的z方向坐标的值。

由式(3)和式(4)可得,当系统在时间的运动中,x轴和y轴上音圈电机的运动位移的大小和斜45度安装电涡流位移传感器测量值之间的关系。

3)数字陷波器抑制机械谐振

通过对系统进行带宽扫频测试,发现稳定平台系统存在41hz的机械谐振频率,使得系统在该频率附近产生谐振,稳定精度无法提升,所以在位置环控制器的末端加入频率为41hz的二阶数字陷波器对其谐振进行抑制。

(5)

(6)

式(5)、式(6)中,g(s)为传递函数,r为电阻值,c为电容值,q为功率因数,f为截止频率,ω0为隔波频率,bw为带宽。

二阶数字陷波器的频谱特性如图6所示,在陷波器的作用下伺服系统的控制参数可以调节到最优状态。

5)实验测试

对发明的摆镜控制系统进行实验测试并验证其系统性能指标。

①xy双轴正弦带宽测试

对x轴y轴分别给定200hz幅值为0.5mrad的正弦进行带宽实验测试,如图7所示,为示波器测试位置反馈的电压波形,测试结果表明,其带宽达到了300hz并且电压波形无畸变。

②xy相位差90°测试

通过对x轴y轴分别给定300hz幅值为0.5mrad相位相差90°的正弦进行相位差实验测试,如图8所示,为以10khz频率采集的位置反馈波形,测试波形表明,相位差对x轴和y轴的耦合并无影响。

③xy相位差180°测试

通过对x轴y轴分别给定200hz幅值为0.5mrad相位相差180°的正弦进行相位差实验测试,如图9所示,为5khz采集的位置反馈波形,测试波形表明,相位差对x轴和y轴的耦合并无影响。

在其他实施例中,本发明中pwm驱动信号采用占空比50%对应电流为零的控制方式还可以改为占空比0%对应电流为零的控制方式;在其他实施例中,本发明中位置环控制器加数字陷波器的控制方式,也可改为添加速度环控制器加数字陷波器的控制方式来进行控制;此外,当摆镜口径较小或运动行程较小时,本发明也可以采用压电陶瓷的驱动形式。

本发明数字式摆镜控制系统主要应用于复合轴跟瞄设备,具有响应速度快、稳态精度高的特点,也可用在车载搜索或激光扫描等领域的其他快速摆动设备上。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述,并非对本发明技术方案的限制,本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

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