某光電跟蹤儀伺服系統(tǒng)的工程設計-科技論文

1  概述 光電跟蹤儀伺服系統(tǒng)計算機接收光電傳感器送來的目標位置偏差信號，經過一定的算法運算和信號處理后，送伺服控制器驅動轉臺帶動光電傳感器，使光電傳感器的光軸指向目標，達到自動跟蹤目的。該伺服系統(tǒng)還可以接收外部引導信號，使轉臺按照預定要求轉動。

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

關鍵詞：光電跟蹤儀  伺服系統(tǒng)  PC104

2  系統(tǒng)組成及工程設計

2.1  系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)是由計算機控制單元、環(huán)路控制單元、電源及控保單元、功率驅動單元及轉臺驅動電機組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

計算機控制單元接收外部送來的目標差值信號（引導信號），并采集各控制端口狀態(tài)，根據(jù)當前的工作模式對差值信號進行處理，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，控制伺服轉臺電機，使伺服轉臺帶動光電傳感器按照要求轉動。

目標差值 外部引導 狀態(tài)控制

計算機控制單元

環(huán)路控制單元

電源及控保單元

功率驅動單元

轉臺驅動電機

圖1  系統(tǒng)組成框圖

2.2  工程設計

2.2.1  計算機控制單元設計

計算機控制單元采用PC104控制。PC104是模塊化嵌入式控制計算機，集成度高，可靠性能好。采用模糊-滑模變結構控制技術，保證系統(tǒng)有較好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。計算機控制單元主要完成接收轉臺測角數(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、自動、引導等工作模式。程序控制流程示意圖如圖2所示。

計算機控制單元主要由數(shù)據(jù)采集模塊、PC104模塊和數(shù)模轉換模塊等組成。主要是采集伺服轉臺方位和高低測角數(shù)據(jù)、接收光電傳感器距離信號和誤差信號、完成控制端口信號的采集和工作通道的切換以及接收引導數(shù)據(jù)等。

系統(tǒng)初始化

自動跟蹤

引導跟蹤

手動操控

手動操控 子程序

引導跟蹤 子程序

自動跟蹤 子程序

系 統(tǒng) 轉 臺 驅 動 電 機

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)路控制單元設計

為保證系統(tǒng)具有良好的控制特性，該系統(tǒng)在環(huán)路設計上采用電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)三環(huán)設計^【1】。環(huán)路結構如圖3所示。

位置調節(jié)器

速度調節(jié)器

電流調節(jié)器

功率驅動器

電機及負載

電流反饋

速度反饋

位置反饋

圖3 系統(tǒng)環(huán)路結構框圖

 其中，電流環(huán)是系統(tǒng)內環(huán)，具有控制電機電流、防止電機電流超過額定值、拓展系統(tǒng)帶寬、抵抗負載力矩擾動和改善電機動態(tài)性能等功能。為使電機電流超調小，電流環(huán)設計成典型Ⅰ型系統(tǒng)，電流環(huán)環(huán)路結構框圖如圖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)；

為電流調節(jié)器比例參數(shù)；

 為電流調節(jié)器超前時間常數(shù)。

讓調節(jié)器零點對消掉電機的大時間常數(shù)極點，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,

調節(jié)器采用比例積分控制^【2】。電流調節(jié)器如圖5所示。

圖5 電流調節(jié)器示意圖

 經計算，取R1=10kΩ,R2=50KΩ,C1=0.047uF。

把速度環(huán)設計成Ⅱ型系統(tǒng)，設計好的電流環(huán)看作速度環(huán)的一個環(huán)節(jié)來設計速度環(huán)。

速度環(huán)環(huán)路框圖如圖6所示：

框圖中 R為電機電樞電阻，C_e 為電機電動勢轉速比，T_m機電時間常數(shù)。

調節(jié)器采用PI調節(jié)器，轉臺方位的負載轉動慣量大于俯仰的負載轉動慣量，經過理論計算和實際工程調試最后確定，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,積分時間常數(shù)為60 ms。系統(tǒng)動態(tài)調節(jié)時間小于300ms,超調小于25%，滿足指標要求。

位置環(huán)保證系統(tǒng)按一定精度完成自動跟蹤，為了保證系統(tǒng)跟蹤精度，跟蹤環(huán)設計成Ⅱ型系統(tǒng)。Ⅱ型系統(tǒng)與Ⅰ型相比,具有抗干擾能力強，速度響應無靜差，缺點是超調量大。本系統(tǒng)設計采用模糊-變節(jié)構控制技術保證系統(tǒng)動態(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計

圖7 光電隔離電路

該伺服系統(tǒng)采用直流脈寬調制控制，對電磁兼容性要求較高。為避免高低壓電路相互干擾，設計上采取高低壓電路電源分開供電，在控制接口處采用光電隔離，對各種信號按照高低壓分開，分組并聯(lián)，單點接地^【3】。圖7為實際采用的光電隔離電路。

3  試驗結果

按本文介紹的光電跟蹤儀伺服系統(tǒng)的工程設計方法研制設備，經調試及實踐檢驗，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，各項指標均達到指標要求。

 參考文獻：

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

2  胡壽松.自動控制原理.北京.國防工業(yè)出版社.1994

3  陳炳生.電子可靠性工程.北京國防工業(yè)出版社.1987

4  陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng).機械工業(yè)出版社.1999