CN103792952B - 用于提高激光发射系统瞄准精度的快速反射镜电控系统 - Google Patents

Abstract

用于提高激光发射系统瞄准精度的快速反射镜电控系统，涉及快速反射镜控制领域，解决了现有控制系统无法有效提高激光发射系统瞄准精度的问题。包括与主控计算机、红外相机中的图像处理软件、方位和俯仰编码器均相连的伺服控制器，接收主控计算机的控制指令执行相应动作，并将跟踪误差、自身位置和状态数据反馈给主控计算机，同时接收方位和俯仰编码器的数据进行数字计算并输出PWM信号，接收图像处理软件的图像脱靶量数据控制快速反射镜实时跟踪；与伺服控制器、方位和俯仰音圈电机相连的驱动器，对PWM信号进行放大转换为双H桥PWM方式，输出电机控制信号控制电机运转。本发明控制精度高且易操作。

Description

用于提高激光发射系统瞄准精度的快速反射镜电控系统

技术领域

本发明涉及快速反射镜控制技术领域，具体涉及一种用于提高激光发射系统瞄准精度的快速反射镜电控系统。

背景技术

快速反射镜（Fast-SteeringMirror，简称FSM）是一种精密跟踪技术手段，已经被广泛用于激光发射系统中提高激光瞄准精度。目前，研究最多的快速反射镜主要有两种结构形式：一种是X-Y轴框架式，也称为有轴式，其结构刚度好、承载能力强且转角范围大；另一种是柔性无轴式结构，主要利用弹性元件的挠性工作。

X-Y轴框架式快速反射镜的主体成内外框架式结构形式，内外框架分别绕两个相互正交的轴线转动，外框架控制反射镜的方位运动，内框架控制反射镜的俯仰运动，实现反射镜的二维偏转，外框架轴系的轴承座固定在基座上，镶嵌着反射镜的内框架轴系安装在外框架上，内外框架的两维转角运动的驱动执行元件分别为俯仰和方位音圈电机，快速反射镜的方位和俯仰角度分别由方位和俯仰编码器实时检测。

快速反射镜与大惯量机架结构的主轴系统共同构成复合轴跟踪系统，主要用于校正主轴系统的跟踪残差及风矩、地基、机架和大气等干扰引起的视轴抖动。复合轴跟踪系统包括跟踪架主轴系统、快速反射镜系统、红外相机、主控计算机、激光发射系统等，跟踪架主轴系统的控制输入是红外相机的图像脱靶量数据，而快速反射镜系统的控制输入是跟踪架主轴系统的跟踪残差，即跟踪架主轴系统跟踪后的红外相机脱靶量。

目前，还没有一种控制系统能有效的控制快速反射镜进行精确动作同时校正跟踪架主轴系统的跟踪残差以提高激光发射系统的瞄准精度，因此，迫切需要这样一种能有效提高激光发射系统瞄准精度的快速反射镜电控系统。

发明内容

为了有效修正复合轴跟踪系统中的跟踪架主轴系统的跟踪残差、实现对X-Y轴框架式快速反射镜的高精度快速响应的伺服控制从而提高激光发射系统的瞄准精度，本发明提供一种用于提高激光发射系统瞄准精度的快速反射镜电控系统。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

用于提高激光发射系统瞄准精度的快速反射镜电控系统，包括：与主控计算机、红外相机中的图像处理软件、方位编码器和俯仰编码器均相连的伺服控制器，所述伺服控制器接收主控计算机的控制指令执行相应动作，并将跟踪误差、自身位置和状态数据反馈给主控计算机，同时接收方位编码器和俯仰编码器的数据进行数字计算并输出PWM信号，所述伺服控制器接收图像处理软件发送的图像脱靶量数据控制快速反射镜进行实时跟踪；

与伺服控制器、方位音圈电机和俯仰音圈电机均相连的驱动器，所述驱动器对PWM信号进行放大转换为双H桥PWM方式，然后输出电机控制信号控制音圈电机运转；

用于给伺服控制器和驱动器的数字部分供电的5V电源；

用于给驱动器的电机控制部分供电的24V电源；

与5V电源和24V电源均相连的220V电源接口，用于外接220V电源给整个电控系统供电。

本发明的快速反射镜电控系统还包括分别与所述5V电源和24V电源相连的电源开关，用于控制5V电源和24V电源的上电和断电。

本发明的快速反射镜电控系统还包括机箱，所述伺服控制器、驱动器、5V电源和24V电源均安装在机箱的箱体内部。

所述机箱的前面板上设置有方位电机接口和俯仰电机接口，所述驱动器通过方位电机接口和俯仰电机接口分别与快速反射镜系统的方位音圈电机和俯仰音圈电机相连。

所述机箱的前面板上设置有方位编码器接口和俯仰编码器接口，所述伺服控制器通过方位编码器接口和俯仰编码器接口分别与快速反射镜系统的方位编码器和俯仰编码器相连。

所述机箱的前面板上设置有红外通讯接口和主控通讯接口，所述伺服控制器通过主控通讯接口和红外通讯接口分别与主控计算机和红外相机中的图像处理软件相连。

所述机箱的前面板上设置有与5V电源相连的5V电源指示灯和与24V电源相连的24V电源指示灯。

所述伺服控制器采用DSP芯片，以TMS320F2812为主控芯片，通过TL16C754扩展4路RS422串口，并与CPLD配合作为电控系统伺服控制算法的实现基础。

所述伺服控制器包括：

系统初始化模块，用于初始化系统时钟、GPIO、串口参数、中断向量表、PWM模块及伺服常数；

串行通讯模块，用于伺服控制器与方位编码器、俯仰编码器、主控计算机、图像处理软件之间的数据通信；

工作过程控制模块，用于伺服控制器根据主控计算机的控制指令控制快速反射镜执行相应动作；

控制参数计算模块，用于将电控系统伺服控制算法用数字计算实现并实时计算伺服控制量。

所述伺服控制器通过工作过程控制模块控制快速反射镜在零位位置保持稳定；在数引模式下，所述伺服控制器通过工作过程控制模块根据主控计算机发送的引导位置数据将快速反射镜快速引导到该位置并保持稳定；在跟踪模式下，所述伺服控制器通过工作过程控制模块根据图像处理软件发送的图像脱靶量数据控制快速反射镜进行实时跟踪，修正复合轴跟踪系统母轴的跟踪残差。

本发明的有益效果是：本发明的快速反射镜电控系统能够在主轴跟踪系统基础上将激光瞄准精度提高至少一个数量级，对于激光发射系统有重要意义。本发明的快速反射镜电控系统能够很好的控制快速反射镜根据红外相机的脱靶量数据及主控计算机的控制数据进行动作，具有寻零、锁零、数引、跟踪四种工作模式，系统上电后自动进入寻零模式，然后根据主控计算机指令在锁零、数引、跟踪三种工作模式中进行切换。锁零模式下，快速反射镜电控系统根据主控计算机指令定位到零点，零点值可以根据指令进行修正；数引模式下，快速反射镜电控系统根据主控计算机给定的引导位置数据进行定位，并在该位置保持稳定；跟踪模式下，快速反射镜电控系统根据红外相机的脱靶量数据进行实时跟踪。本发明的快速反射镜电控系统具有控制精度高且易操作的优点。

附图说明

图1为本发明的用于提高激光发射系统瞄准精度的快速反射镜电控系统的结构示意图；

图2为前面板的结构示意图；

图3为图1所示的快速反射镜电控系统中的各组件之间的连接关系示意图；

图4为图1所示的快速反射镜电控系统的控制原理示意图；

图5为图1所示的快速反射镜电控系统的软件流程示意图。

图中：1、机箱，2、伺服控制器，3、驱动器，4、5V电源，5、24V电源，6、后面板，61、220V电源接口，7、前面板，71、方位电机接口，72、俯仰电机接口，73、方位编码器接口，74、俯仰编码器接口，75、红外通讯接口，76、主控通讯接口，77、5V电源指示灯，78、24V电源指示灯，79、电源开关。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的用于提高激光发射系统瞄准精度的快速反射镜电控系统是在背景技术中提到的复合轴跟踪系统中实现的，其所控制的快速反射镜为X-Y轴框架式快速反射镜。如图1所示，本发明的快速反射镜电控系统，包括机箱1、伺服控制器2、驱动器3、5V电源4和24V电源5，机箱1可以为正方体、长方体等形状，其具体形状不做限定，伺服控制器2、驱动器3、5V电源4和24V电源5均安装在机箱1的箱体内部，机箱1的前面板7上设置有接口、电源指示灯和电源开关79，如图2所示，接口包括方位电机接口71、俯仰电机接口72、方位编码器接口73、俯仰编码器接口74、红外通讯接口75和主控通讯接口76，电源指示灯包括5V电源指示灯77和24V电源指示灯78，如图1所示，机箱1的后面板6上设置有220V电源接口61，外接220V电源，用于给整个电控系统提供电源。

如图3所示，电源开关79分别与5V电源4和24V电源5相连，用于控制5V电源4和24V电源5的上电和断电。5V电源4分别与伺服控制器2、驱动器3、220V电源接口61和5V电源指示灯77相连，5V电源4为伺服控制器2和驱动器3的数字部分提供电源。24V电源5分别与驱动器3、220V电源接口61和24V电源指示灯78相连，24V电源5为驱动器3的电机控制部分提供电源。伺服控制器2与驱动器3相连。伺服控制器2通过红外通讯接口75与红外相机中的图像处理软件相连，通过主控通讯接口76与主控计算机相连，通过方位编码器接口73与快速反射镜系统的方位编码器相连，通过俯仰编码器接口74与快速反射镜系统的俯仰编码器相连。驱动器3通过方位电机接口71与快速反射镜系统的方位音圈电机相连，通过俯仰电机接口72与快速反射镜系统的俯仰音圈电机相连。

伺服控制器2接收主控计算机的控制指令执行相应动作，并将跟踪误差、自身位置和状态等数据反馈给主控计算机，伺服控制器2接收方位编码器和俯仰编码器的数据进行数字计算并输出PWM信号给驱动器3，驱动器3采用一块功率放大电路板，接收伺服控制器2发送的PWM信号进行放大并将其转换为双H桥PWM方式，然后输出电机控制信号给方位音圈电机和俯仰音圈电机，进而控制音圈电机运转，伺服控制器2接收图像处理软件发送的图像脱靶量数据控制快速反射镜进行实时跟踪。

伺服控制器2采用DSP芯片，DSP芯片采用TMS320F2812作为主控芯片，进行外围电路的扩展：通过TL16C754扩展了4路RS422串口，并与CPLD（数字集成电路）配合作为本发明的电控系统伺服控制算法的实现基础。伺服控制器2通过4路RS422串口分别与快速反射镜系统的方位编码器和俯仰编码器、主控计算机、图像处理软件相连。

伺服控制器2的快反控制功能是由系统初始化模块、串行通讯模块、工作过程控制模块和控制参数计算模块实现的：系统初始化模块用于初始化系统时钟、GPIO、串口参数、中断向量表、PWM模块及伺服常数；串行通讯模块用于伺服控制器2与方位编码器、俯仰编码器、主控计算机、图像处理软件之间的数据通信；工作过程控制模块用于伺服控制器2根据主控计算机的控制指令控制快速反射镜执行相应动作，本发明的快速反射镜电控系统有四种工作模式：寻零、锁零、数引和跟踪模式，电控系统上电初始化完成后，自动进入寻零模式，伺服控制器2通过工作过程控制模块控制快速反射镜系统的方位音圈电机和俯仰音圈电机在正、反两个方向进行匀速运动，直到寻到编码器零位后停止；控制参数计算模块用于将电控系统伺服控制算法用数字计算实现并实时计算伺服控制量。

如图5所示，本发明的快速反射镜电控系统的软件流程包括以下步骤：

（1）打开电源开关79，快速反射镜电控系统上电后，首先进行电控系统参数的初始化，包括系统时钟、GPIO、PWM模块及伺服常数的初始化，然后进行串口参数和中断向量表的初始化，进行中断设置，本发明的电控系统只有一个外部中断被使能，而电控系统工作时共有4路通信中断发生：方位编码器中断、俯仰编码器中断、主控计算机中断和图像处理软件中断，通过TL16C754的4路RS422串口实现，4路RS422串口中断标志分别连接到CPLD中，在CPLD中将方位编码器中断与伺服控制器2的外部中断信号连接，进而控制外部中断。

（2）电控系统初始化完成后，电控系统进入循环等待状态，直到中断发生，电控系统则执行中断处理，然后再次回到循环等待状态，方位编码器中断的周期为0.00125s，即电控系统的工作频率为800Hz。

（3）当外部中断即方位编码器中断发生后，伺服控制器2接收方位编码器数据并进行处理，得到快速反射镜的方位位置和速度，然后查询俯仰编码器中断标志状态，判断俯仰编码器中断标志是否发生，如果发生，则伺服控制器2接收俯仰编码器数据并进行处理，得到快速反射镜的俯仰位置和速度。

（4）根据方位编码器和俯仰编码器数据判断方位编码器和俯仰编码器是否寻零完毕，如果没有，则控制快速反射镜进行寻零动作，直到寻零完毕。

（5）查询图像处理软件中断标志，判断图像处理软件中断是否发生，如果发生，则伺服控制器2接收图像处理软件数据并更新图像脱靶量数据。

（6）查询主控计算机中断标志，判断主控计算机中断是否发生，如果发生，则伺服控制器2接收主控计算机的控制指令进行工作模式的切换：

①如果电控系统工作在锁零模式，则伺服控制器2通过工作过程控制模块控制快速反射镜进行锁零动作，在零位位置保持稳定；②如果电控系统工作在数引模式，则伺服控制器2通过工作过程控制模块控制快速反射镜进行数引动作，根据主控计算机发送的引导位置数据将快速反射镜快速引导到该位置并保持稳定；③如果电控系统工作在跟踪模式，则伺服控制器2通过工作过程控制模块根据图像处理软件发送的图像脱靶量数据控制快速反射镜进行实时跟踪，修正复合轴跟踪系统中的跟踪架主轴系统的跟踪残差。

如图4所示，本发明的快速反射镜电控系统采用速度环和位置环相结合的双闭环控制方法：内环-速度环加入速度校正环节控制速度偏差趋于零，进而控制电机速度跟随给定速度，外环-位置环加入位置校正环节控制位置偏差逐渐趋于零。快速反射镜的位置由方位编码器和俯仰编码器直接测量得到，速度由位置数据进行差分处理得到。在寻零模式下，由于需要控制音圈电机匀速运动，因此只有速度环起作用。在锁零、数引和跟踪模式下，均采用位置环和速度环相结合的方法进行控制。在锁零和数引模式下，将主控计算机给出的零位值或引导值作为位置环的给定值输入，通过双闭环控制实现快速反射镜快速到达指定位置并保持稳定。在跟踪模式下，将图像处理软件给出的图像脱靶量数据作为快速反射镜电控系统的位置环偏差值，通过位置环校正和速度环闭环控制，实现实时跟踪。为了得到最佳的跟踪、稳态和控制性能，达到精确控制快速反射镜跟踪和定点的目的，速度环和位置环均加入了串联校正环节，通过改变串联校正环节的参数，实现对位置校正环节和速度校正环节参数进行调整，经过反复试验，得到符合指标要求的适合该X-Y轴框架式快速反射镜的控制参数。

本实施方式中，快速反射镜系统的方位编码器和俯仰编码器均采用我所自行研制的直线式光栅尺，光栅分辨率为42um，经过512细分处理，输出16位编码器数据。

本实施方式中，快速反射镜系统的方位音圈电机和俯仰音圈电机均采用SMAC公司生产的直线式音圈电机。

Claims (10)

1.用于提高激光发射系统瞄准精度的快速反射镜电控系统，其特征在于，包括：与主控计算机、红外相机中的图像处理软件、方位编码器和俯仰编码器均相连的伺服控制器(2)，所述伺服控制器(2)接收主控计算机的控制指令执行相应动作，并将跟踪误差、自身位置和状态数据反馈给主控计算机，同时接收方位编码器和俯仰编码器的数据进行数字计算并输出PWM信号，所述伺服控制器(2)接收图像处理软件发送的图像脱靶量数据控制快速反射镜进行实时跟踪；

与伺服控制器(2)、方位音圈电机和俯仰音圈电机均相连的驱动器(3)，所述驱动器(3)对PWM信号进行放大转换为双H桥PWM方式，然后输出电机控制信号控制音圈电机运转；

用于给伺服控制器(2)和驱动器(3)的数字部分供电的5V电源(4)；

用于给驱动器(3)的电机控制部分供电的24V电源(5)；

与5V电源(4)和24V电源(5)均相连的220V电源接口(61)，用于外接220V电源给整个电控系统供电。

2.根据权利要求1所述的快速反射镜电控系统，其特征在于，还包括分别与所述5V电源(4)和24V电源(5)相连的电源开关(79)，用于控制5V电源(4)和24V电源(5)的上电和断电。

3.根据权利要求1所述的快速反射镜电控系统，其特征在于，还包括机箱(1)，所述伺服控制器(2)、驱动器(3)、5V电源(4)和24V电源(5)均安装在机箱(1)的箱体内部。

4.根据权利要求3所述的快速反射镜电控系统，其特征在于，所述机箱(1)的前面板(7)上设置有方位电机接口(71)和俯仰电机接口(72)，所述驱动器(3)通过方位电机接口(71)和俯仰电机接口(72)分别与快速反射镜电控系统的方位音圈电机和俯仰音圈电机相连。

5.根据权利要求3所述的快速反射镜电控系统，其特征在于，所述机箱(1)的前面板(7)上设置有方位编码器接口(73)和俯仰编码器接口(74)，所述伺服控制器(2)通过方位编码器接口(73)和俯仰编码器接口(74)分别与快速反射镜电控系统的方位编码器和俯仰编码器相连。

6.根据权利要求3所述的快速反射镜电控系统，其特征在于，所述机箱(1)的前面板(7)上设置有红外通讯接口(75)和主控通讯接口(76)，所述伺服控制器(2)通过主控通讯接口(76)和红外通讯接口(75)分别与主控计算机和红外相机中的图像处理软件相连。

7.根据权利要求3所述的快速反射镜电控系统，其特征在于，所述机箱(1)的前面板(7)上设置有与5V电源(4)相连的5V电源指示灯(77)和与24V电源(5)相连的24V电源指示灯(78)。

8.根据权利要求1所述的快速反射镜电控系统，其特征在于，所述伺服控制器(2)采用DSP芯片，以TMS320F2812为主控芯片，通过TL16C754扩展4路RS422串口，并与CPLD配合作为电控系统伺服控制算法的实现基础。

9.根据权利要求1所述的快速反射镜电控系统，其特征在于，所述伺服控制器(2)包括：

系统初始化模块，用于初始化系统时钟、GPIO、串口参数、中断向量表、PWM模块及伺服常数；

串行通讯模块，用于伺服控制器(2)与方位编码器、俯仰编码器、主控计算机、图像处理软件之间的数据通信；

工作过程控制模块，用于伺服控制器(2)根据主控计算机的控制指令控制快速反射镜执行相应动作；

控制参数计算模块，用于将电控系统伺服控制算法用数字计算实现并实时计算伺服控制量。

10.根据权利要求9所述的快速反射镜电控系统，其特征在于，在锁零模式下，所述伺服控制器(2)通过工作过程控制模块控制快速反射镜在零位位置保持稳定；在数引模式下，所述伺服控制器(2)通过工作过程控制模块根据主控计算机发送的引导位置数据将快速反射镜快速引导到该位置并保持稳定；在跟踪模式下，所述伺服控制器(2)通过工作过程控制模块根据图像处理软件发送的图像脱靶量数据控制快速反射镜进行实时跟踪，修正复合轴跟踪系统母轴的跟踪残差。