某光电跟踪仪伺服系统的工程设计-科技论文

1  概述 光电跟踪仪伺服系统计算机接收光电传感器送来的目标位置偏差信号，经过一定的算法运算和信号处理后，送伺服控制器驱动转台带动光电传感器，使光电传感器的光轴指向目标，达到自动跟踪目的。该伺服系统还可以接收外部引导信号，使转台按照预定要求转动。

该系统在设计上采用数字化设计，提高系统的自动化水平；采用模块化设计，提高系统的集成度和可靠性。

关键词：光电跟踪仪  伺服系统  PC104

2  系统组成及工程设计

2.1  系统组成

该系统是由计算机控制单元、环路控制单元、电源及控保单元、功率驱动单元及转台驱动电机组成。系统组成如图1所示。

计算机控制单元接收外部送来的目标差值信号（引导信号），并采集各控制端口状态，根据当前的工作模式对差值信号进行处理，送往环路控制单元。环路控制单元采用位置环、速度环和电流环三环控制技术，控制伺服转台电机，使伺服转台带动光电传感器按照要求转动。

目标差值 外部引导 状态控制

计算机控制单元

环路控制单元

电源及控保单元

功率驱动单元

转台驱动电机

图1  系统组成框图

2.2  工程设计

2.2.1  计算机控制单元设计

计算机控制单元采用PC104控制。PC104是模块化嵌入式控制计算机，集成度高，可靠性能好。采用模糊-滑模变结构控制技术，保证系统有较好的动态性能和稳态性能。计算机控制单元主要完成接收转台测角数据、接收激光距离数据、接收电视差值数据、接收外部引导数据、完成系统自检、采集各种工作状态和通道切换等功能。系统具有手动、自动、引导等工作模式。程序控制流程示意图如图2所示。

计算机控制单元主要由数据采集模块、PC104模块和数模转换模块等组成。主要是采集伺服转台方位和高低测角数据、接收光电传感器距离信号和误差信号、完成控制端口信号的采集和工作通道的切换以及接收引导数据等。

系统初始化

自动跟踪

引导跟踪

手动操控

手动操控 子程序

引导跟踪 子程序

自动跟踪 子程序

系 统 转 台 驱 动 电 机

系统上电

系统自检

工 作 方 式 选 择

图2  程序控制流程示意图

2.2.2  环路控制单元设计

为保证系统具有良好的控制特性，该系统在环路设计上采用电流环、速度环和位置环三环设计^【1】。环路结构如图3所示。

位置调节器

速度调节器

电流调节器

功率驱动器

电机及负载

电流反馈

速度反馈

位置反馈

图3 系统环路结构框图

 其中，电流环是系统内环，具有控制电机电流、防止电机电流超过额定值、拓展系统带宽、抵抗负载力矩扰动和改善电机动态性能等功能。为使电机电流超调小，电流环设计成典型Ⅰ型系统，电流环环路结构框图如图4所示。

UCi Ufi

ACR

图4 电流环路框图

 

 式中  为电流环传递函数；

为电流调节器比例参数；

 为电流调节器超前时间常数。

让调节器零点对消掉电机的大时间常数极点，则本系统中，电枢电阻R=8Ω，电枢电感L=10mH，电流采样环节放大倍数β=2.5V/A,

调节器采用比例积分控制^【2】。电流调节器如图5所示。

图5 电流调节器示意图

 经计算，取R1=10kΩ,R2=50KΩ,C1=0.047uF。

把速度环设计成Ⅱ型系统，设计好的电流环看作速度环的一个环节来设计速度环。

速度环环路框图如图6所示：

框图中 R为电机电枢电阻，C_e 为电机电动势转速比，T_m机电时间常数。

调节器采用PI调节器，转台方位的负载转动惯量大于俯仰的负载转动惯量，经过理论计算和实际工程调试最后确定，方位速度环路的放大倍数为7.5倍，积分时间常数为150ms；俯仰速度环路的放大倍数为3倍,积分时间常数为60 ms。系统动态调节时间小于300ms,超调小于25%，满足指标要求。

位置环保证系统按一定精度完成自动跟踪，为了保证系统跟踪精度，跟踪环设计成Ⅱ型系统。Ⅱ型系统与Ⅰ型相比,具有抗干扰能力强，速度响应无静差，缺点是超调量大。本系统设计采用模糊-变节构控制技术保证系统动态精度。跟踪原理如图7所示：

G3（S）

图7 位置环环路框图

 2.2.3  电源及电磁兼容性设计

图7 光电隔离电路

该伺服系统采用直流脉宽调制控制，对电磁兼容性要求较高。为避免高低压电路相互干扰，设计上采取高低压电路电源分开供电，在控制接口处采用光电隔离，对各种信号按照高低压分开，分组并联，单点接地^【3】。图7为实际采用的光电隔离电路。

3  试验结果

按本文介绍的光电跟踪仪伺服系统的工程设计方法研制设备，经调试及实践检验，最高跟踪角速度为60°/s，最低跟踪角速度为0.05°/s，最大跟踪角加速度为200°/s²，测角分辨率为0.1密位。所组成的光电跟踪仪的角跟踪精度为0.4密位，各项指标均达到指标要求。

 参考文献：

1  秦继荣、沈安俊.现代直流伺服控制技术.北京机械工业出版社.1999

2  胡寿松.自动控制原理.北京.国防工业出版社.1994

3  陈炳生.电子可靠性工程.北京国防工业出版社.1987

4  陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社.1999