某光電跟蹤儀伺服系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)-科技論文

1  概述 光電跟蹤儀伺服系統(tǒng)計(jì)算機(jī)接收光電傳感器送來(lái)的目標(biāo)位置偏差信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定的算法運(yùn)算和信號(hào)處理后，送伺服控制器驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)光電傳感器，使光電傳感器的光軸指向目標(biāo)，達(dá)到自動(dòng)跟蹤目的。該伺服系統(tǒng)還可以接收外部引導(dǎo)信號(hào)，使轉(zhuǎn)臺(tái)按照預(yù)定要求轉(zhuǎn)動(dòng)。

該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用數(shù)字化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的自動(dòng)化水平；采用模塊化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的集成度和可靠性。

關(guān)鍵詞：光電跟蹤儀  伺服系統(tǒng)  PC104

2  系統(tǒng)組成及工程設(shè)計(jì)

2.1  系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)控制單元、環(huán)路控制單元、電源及控保單元、功率驅(qū)動(dòng)單元及轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

計(jì)算機(jī)控制單元接收外部送來(lái)的目標(biāo)差值信號(hào)（引導(dǎo)信號(hào)），并采集各控制端口狀態(tài)，根據(jù)當(dāng)前的工作模式對(duì)差值信號(hào)進(jìn)行處理，送往環(huán)路控制單元。環(huán)路控制單元采用位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三環(huán)控制技術(shù)，控制伺服轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)，使伺服轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)光電傳感器按照要求轉(zhuǎn)動(dòng)。

目標(biāo)差值 外部引導(dǎo) 狀態(tài)控制

計(jì)算機(jī)控制單元

環(huán)路控制單元

電源及控保單元

功率驅(qū)動(dòng)單元

轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)

圖1  系統(tǒng)組成框圖

2.2  工程設(shè)計(jì)

2.2.1  計(jì)算機(jī)控制單元設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)控制單元采用PC104控制。PC104是模塊化嵌入式控制計(jì)算機(jī)，集成度高，可靠性能好。采用模糊-滑模變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，保證系統(tǒng)有較好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。計(jì)算機(jī)控制單元主要完成接收轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)角數(shù)據(jù)、接收激光距離數(shù)據(jù)、接收電視差值數(shù)據(jù)、接收外部引導(dǎo)數(shù)據(jù)、完成系統(tǒng)自檢、采集各種工作狀態(tài)和通道切換等功能。系統(tǒng)具有手動(dòng)、自動(dòng)、引導(dǎo)等工作模式。程序控制流程示意圖如圖2所示。

計(jì)算機(jī)控制單元主要由數(shù)據(jù)采集模塊、PC104模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊等組成。主要是采集伺服轉(zhuǎn)臺(tái)方位和高低測(cè)角數(shù)據(jù)、接收光電傳感器距離信號(hào)和誤差信號(hào)、完成控制端口信號(hào)的采集和工作通道的切換以及接收引導(dǎo)數(shù)據(jù)等。

系統(tǒng)初始化

自動(dòng)跟蹤

引導(dǎo)跟蹤

手動(dòng)操控

手動(dòng)操控 子程序

引導(dǎo)跟蹤 子程序

自動(dòng)跟蹤 子程序

系 統(tǒng) 轉(zhuǎn) 臺(tái) 驅(qū) 動(dòng) 電 機(jī)

系統(tǒng)上電

系統(tǒng)自檢

工 作 方 式 選 擇

圖2  程序控制流程示意圖

2.2.2  環(huán)路控制單元設(shè)計(jì)

為保證系統(tǒng)具有良好的控制特性，該系統(tǒng)在環(huán)路設(shè)計(jì)上采用電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)三環(huán)設(shè)計(jì)^【1】。環(huán)路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

位置調(diào)節(jié)器

速度調(diào)節(jié)器

電流調(diào)節(jié)器

功率驅(qū)動(dòng)器

電機(jī)及負(fù)載

電流反饋

速度反饋

位置反饋

圖3 系統(tǒng)環(huán)路結(jié)構(gòu)框圖

 其中，電流環(huán)是系統(tǒng)內(nèi)環(huán)，具有控制電機(jī)電流、防止電機(jī)電流超過(guò)額定值、拓展系統(tǒng)帶寬、抵抗負(fù)載力矩?cái)_動(dòng)和改善電機(jī)動(dòng)態(tài)性能等功能。為使電機(jī)電流超調(diào)小，電流環(huán)設(shè)計(jì)成典型Ⅰ型系統(tǒng)，電流環(huán)環(huán)路結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

UCi Ufi

ACR

圖4 電流環(huán)路框圖

 

 式中  為電流環(huán)傳遞函數(shù)；

為電流調(diào)節(jié)器比例參數(shù)；

 為電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)。

讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)對(duì)消掉電機(jī)的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)，則本系統(tǒng)中，電樞電阻R=8Ω，電樞電感L=10mH，電流采樣環(huán)節(jié)放大倍數(shù)β=2.5V/A,

調(diào)節(jié)器采用比例積分控制^【2】。電流調(diào)節(jié)器如圖5所示。

圖5 電流調(diào)節(jié)器示意圖

 經(jīng)計(jì)算，取R1=10kΩ,R2=50KΩ,C1=0.047uF。

把速度環(huán)設(shè)計(jì)成Ⅱ型系統(tǒng)，設(shè)計(jì)好的電流環(huán)看作速度環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)設(shè)計(jì)速度環(huán)。

速度環(huán)環(huán)路框圖如圖6所示：

框圖中 R為電機(jī)電樞電阻，C_e 為電機(jī)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比，T_m機(jī)電時(shí)間常數(shù)。

調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)臺(tái)方位的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大于俯仰的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和實(shí)際工程調(diào)試最后確定，方位速度環(huán)路的放大倍數(shù)為7.5倍，積分時(shí)間常數(shù)為150ms；俯仰速度環(huán)路的放大倍數(shù)為3倍,積分時(shí)間常數(shù)為60 ms。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間小于300ms,超調(diào)小于25%，滿足指標(biāo)要求。

位置環(huán)保證系統(tǒng)按一定精度完成自動(dòng)跟蹤，為了保證系統(tǒng)跟蹤精度，跟蹤環(huán)設(shè)計(jì)成Ⅱ型系統(tǒng)。Ⅱ型系統(tǒng)與Ⅰ型相比,具有抗干擾能力強(qiáng)，速度響應(yīng)無(wú)靜差，缺點(diǎn)是超調(diào)量大。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模糊-變節(jié)構(gòu)控制技術(shù)保證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)精度。跟蹤原理如圖7所示：

G3（S）

圖7 位置環(huán)環(huán)路框圖

 2.2.3  電源及電磁兼容性設(shè)計(jì)

圖7 光電隔離電路

該伺服系統(tǒng)采用直流脈寬調(diào)制控制，對(duì)電磁兼容性要求較高。為避免高低壓電路相互干擾，設(shè)計(jì)上采取高低壓電路電源分開(kāi)供電，在控制接口處采用光電隔離，對(duì)各種信號(hào)按照高低壓分開(kāi)，分組并聯(lián)，單點(diǎn)接地^【3】。圖7為實(shí)際采用的光電隔離電路。

3  試驗(yàn)結(jié)果

按本文介紹的光電跟蹤儀伺服系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法研制設(shè)備，經(jīng)調(diào)試及實(shí)踐檢驗(yàn)，最高跟蹤角速度為60°/s，最低跟蹤角速度為0.05°/s，最大跟蹤角加速度為200°/s²，測(cè)角分辨率為0.1密位。所組成的光電跟蹤儀的角跟蹤精度為0.4密位，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到指標(biāo)要求。

 參考文獻(xiàn)：

1  秦繼榮、沈安俊.現(xiàn)代直流伺服控制技術(shù).北京機(jī)械工業(yè)出版社.1999

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4  陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng).機(jī)械工業(yè)出版社.1999