CN106647826A - 二维光电跟踪转台驱动控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种二维光电跟踪转台驱动控制系统及其控制方法，属于光电跟踪技术领域。解决了现有技术中二维光电跟踪转台驱动控制系统两个轴间互不通信，指令不精确同步，无法实现高精度协同控制，且成本高、体积大，配线复杂的技术问题。本发明的驱动控制系统，包括：供电单元、控制单元、方位驱动单元、俯仰驱动单元、上位计算机、位置信号处理电路、方位角编码器和俯仰角编码器。本发明还提供该控制系统的控制方法。本发明的二维光电跟踪转台驱动控制系统和控制方法，不仅适用于交流永磁无刷力矩电机，同样适用于直流有刷力矩电机的驱动控制，通用性强。

Description

二维光电跟踪转台驱动控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于光电跟踪技术领域，特别涉及一种二维光电跟踪转台驱动控制系统及其控制方法。

背景技术

经纬仪或望远镜作为常见的二维光电跟踪设备，通常用于完成靶场测量、天文观测等跟踪定位任务，工作过程一般为：接收来自其它设备的目标轨道引导信息，通过驱动控制系统驱动二维精密转台进行目标捕获，目标进入视场后进行稳定跟踪。二维光电跟踪转台作为经纬仪、望远镜等光电跟踪设备的核心部件，是机上光学系统、跟踪控制系统的载体，一般包括水平轴和垂直轴，通常采用U型或T型结构。光电设备的跟踪性能一方面依赖于二维转台的轴系回转精度、测角精度、力矩电机性能；另一方面依赖于跟踪控制系统的控制方法和控制精度。由于光电跟踪设备要求具有高跟踪精度、高可靠性、小体积，因此，必须采用一定的控制算法保证跟踪精度，同时，控制系统设计必须可靠、稳定，结构布局也要紧凑合理。

现有技术中，常规的二维光电跟踪转需要水平轴和垂直轴两套相同的驱动控制系统，每个驱动控制系统包括：供电单元、功率驱动单元、控制单元。上位计算机通过独立的通信线路发送控制指令，分别对两个轴进行独立控制，两个轴间互不通信，指令不精确同步，无法实现高精度协同控制。而且由于需要两套相同的控制系统，造成控制系统成本高、体积大，并且配线复杂。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中二维光电跟踪转台驱动控制系统两个轴间互不通信，指令不精确同步，无法实现高精度协同控制，且成本高、体积大，配线复杂的技术问题，提供一种二维光电跟踪转台驱动控制系统及其控制方法。

本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下.

二维光电跟踪转台驱动控制系统，包括供电单元、上位计算机、控制单元、方位驱动单元和俯仰驱动单元；

所述供电系统给整个系统供电；

所述上位计算机发送控制指令至控制单元，控制单元将控制指令转化成PWM信号传输给方位驱动单元和俯仰驱动单元，方位驱动单元和俯仰驱动单元根据PWM信号，分别驱动方位角电机和俯仰角电机。

进一步的，所述上位计算机与控制单元连接，方位驱动单元与方位角电机连接，俯仰驱动单元与俯仰角电机连接，方位驱动单元和俯仰驱动单元均与控制单元连接。

进一步的，所述控制单元包括微处理器DSP；通信接口，接收来自上位计算机发送的控制命令，发送转台状态信息给上位计算机；PWM接口，包括PWM1和PWM2，对应连接方位驱动单元和俯仰驱动单元，产生PWM控制信号给驱动单元，接收驱动单元故障信号；ADC接口，经信号调理电路，连接方位驱动单元和俯仰驱动单元上的电流检测电路，用于采集方位角电机和俯仰角电机的电流模拟量，实现模数转换；两通道QEP或SCI接口，连接位置信号处理电路，用于采集方位角编码器和俯仰角编码器的A、B、Z差分信号或者绝对式编码器的串口数字信号。

进一步的，所述的方位角电机和俯仰角电机为永磁直流有刷力矩电动机或交流永磁无刷力矩电动机。

进一步的，所述方位驱动单元和俯仰驱动单元结构相同，均采用智能功率模块IPM，IPM的控制信号端连接PWM接口，通过隔离驱动电路与控制单元电气隔离，IPM的供电输入端连接直流电源，IPM的功率输出端连接电动机。

进一步的，俯仰驱动单元与俯仰角电机之间设有电流检测电路，方位驱动单元与方位角电机设有之间设有电流检测电路，电流检测电路采集方位角电机和俯仰角电机的电流模拟量，经信号调节调节后进入控制单元，控制单元判断是否存在电流故障。

进一步的，所述控制系统还包括方位角编码器、俯仰角编码器和位置信号处理电路；

方位角编码器测量方位角电机的位置数据，俯仰角编码器测量俯仰角电机的位置数据，位置信号处理电路将位置数据转化成位置信号，并将位置信号传输至控制单元，控制单元将位置信号反馈回上位计算机，控制单元计算发送控制指令与反馈信号的偏差。

上述二维光电跟踪转台驱动控制系统的控制方法，由上位计算机设置二维光电跟踪转台的工作模式，包括速度引导模式、位置定点模式和位置引导模式，然后根据工作模式进行控制：

速度引导模式：上位计算机发送目标的速度信息作为速度环参考输入，方位角编码器和俯仰角编码器采集位置信号经过差分、滤波得到速度反馈信号，将速度反馈信号与目标的速度信息比较得到速度偏差，输入到速度调节器，速度器按照速度偏差调节速度；

位置定点模式：上位计算机发送固定的点位置作为位置参考输入，与方位角编码器和俯仰角编码器采集位置信号比较，得到的位置偏差，输入到位置调节器，位置调节器输出作为速度环参考输入；

位置引导模式：上位计算机发送目标的位置引导信息，作为位置参考输入，与位置定点模式相比，与方位角编码器和俯仰角编码器采集位置信号比较，得到的位置偏差，输入到位置调节器，位置调节器按照偏差调节位置，位置调节器输出作为速度环参考输入。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明的二维光电跟踪转台驱动控制系统，采用一个控制单元控制两个驱动单元的结构形式，结构紧凑、体积小、重量轻、节约了成本。

本发明的二维光电跟踪转台驱动控制系统采用32位浮点DSP接口丰富，处理能力强，运算速度快，采用一个控制核心同步控制两个驱动单元，克服了两个轴独立控制彼此互不通信，指令不同步的问题，可以实现水平轴和垂直轴的高精度协同控制。

本发明的二维光电跟踪转台控制方法，与现有直流有刷电机光电跟踪转台相比，增加了电流环，具有过流和堵转保护，提高了安全性，电流闭环增强了负载动态响应能力和抗负载扰动能力，采用位置、速度、电流三闭环控制，可使二维光电跟踪转台具有更低的转矩脉动，跟踪速度更低，提高了跟踪性能。

本发明的二维光电跟踪转台驱动控制系统和控制方法，不仅适用于交流永磁无刷力矩电机，同样适用于直流有刷力矩电机的驱动控制，通用性强。

附图说明

图1为本发明优选实施例二维光电跟踪转台驱动控制系统组成示意图；

图2为本发明优选实施例二维光电跟踪转台驱动控制系统的控制方法示意图；

图中，1、直流电源，2、控制单元，3、方位驱动单元，4、俯仰驱动单元；5、上位计算机，6、位置信号处理电路，7、方位角电机，8、方位角编码器，9、俯仰角编码器，10、俯仰角电机。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

如图1所示，一种二维光电跟踪转台的驱动控制系统，包括：供电单元、控制单元2、方位驱动单元3、俯仰驱动单元4、上位计算机5、位置信号处理电路6、方位角编码器8和俯仰角编码器9。

其中，供电单元给整个系统供电，本实施方式采用直流电源1，明纬300W，48V开关电源。

控制单元2连接上位计算机5、方位驱动单元3和俯仰驱动单元4，接收上位计算机5的控制命令，发送二维光电跟踪转台的工作状态；连接电流传感器及信号调理电路，实时采集位置、速度、电流反馈信息；完成位置、速度、电流三闭环运算处理，生成PWM信号。

本实施方式中，控制单元2，采用TI公司的TMS320F28335型32位浮点型DSP作为控制核心，其具有丰富的外设接口，非常适合电机的驱动控制。控制单元2包括微处理器，包括电源、时钟、复位电路、仿真接口(JTAG)，控制核心采用32位浮点型数字信号处理器(DSP)；通信接口，包括SPI、CAN、SCI接口，其中SCI接口采用RS422总线，接收来自上位计算机5发送的控制命令，发送转台状态信息给上位计算机5，SPI、CAN接口预留与其他设备通信；PWM接口，包括PWM1和PWM2，对应连接方位驱动单元3和俯仰驱动单元4，产生PWM控制信号给驱动单元，接收驱动单元故障信号；ADC接口，经信号调理电路，连接方位驱动单元3和俯仰驱动单元4上的电流检测电路，用于采集方位角电机7和俯仰角电机10的电流模拟量，实现模数转换；两通道QEP或SCI接口，连接位置信号处理电路，用于采集方位角编码器8和俯仰角编码器9的A、B、Z差分信号或者绝对式编码器的串口数字信号。该控制单元2相对于其他单片机和控制器，硬件设计更加简便、灵活。

方位驱动单元3和俯仰驱动单元4，两者结构组成相同，均采用三菱公司的智能功率模块IPM为主要器件，型号为PSS20S92E6，IPM有控制信号端、供电输入端和功率输出端。控制信号端通过隔离驱动电路与PWM接口连接，实现与控制单元2电气隔离；供电输入端连接直流电源1；功率输出端相应连接方位角电机7和俯仰角电机10。方位角电机7和俯仰角电机为永磁直流有刷力矩电动机或交流永磁无刷力矩电动机。

俯仰驱动单元4与俯仰角电机10之间设有电流检测电路，方位驱动单元3与方位角电机7设有之间设有电流检测电路，电流检测电路采集方位角电机和俯仰角电机的电流模拟量，经信号调节调节后进入控制单元，控制单元判断是否存在电流故障。

方位角编码器8测量方位角电机7的位置数据，俯仰角编码器9测量俯仰角电机10的位置数据，位置信号处理电路将位置数据转化成位置信号，并将位置信号传输至控制单元2，控制单元2将位置信号反馈回上位计算机5，上位计算机计算5发送控制指令与反馈信号的偏差。

本实施方式中：

电流信号读取：电流检测接口采用Allegro公司ACS712型霍尔电流传感器，具体设置方式取决于电流类型，如是直流电流，测量检测方位角电机7和俯仰角电机10的电流信号，分别只采用一个电流传感器即可，如果是交流电流，分别采用两个电流传感器，经信号调理电路输入到DSP的ADC接口，进行模数转换，得到两相电流值，作为电流反馈、过流保护、堵转保护的依据。

过流保护和堵转保护实现方法：上位计算机5设置电流阈值，堵转时间阈值，检测到的电流反馈超过设置阈值，判断为过流故障，DSP立即封锁的PWM接口输出；堵转故障，判断的方法是电流超过堵转电流阈值、转速为零，即判断为堵转，超过堵转时间阈值，DSP立即封锁的PWM接口输出。

位置信号读取：系统中方位角编码器8、俯仰角编码器9采用24位光电编码器，经方位角编码器8、俯仰角编码器9和位置信号处理电路6，将光电信号转换为数字信号，通过DSP的QEP接口接收两个轴的增量式编码器A、B、Z差分信号或者通过DSP的SCI接口接收绝对式编码器的串口数字信号。

速度信号计算：依据位置信息，在DSP的QEP中断或者SCI串口中断中，中断频率为1kHz,位置信号差分测速，经低通滤波，去除高频噪声，从而得到速度信号。

可以看出，本发明的驱动控制系统能够得到位置、速度、电流反馈信息，DSP通过SCI接口，接收上位计算机5的指令，DSP进行位置、速度、电流PI调节计算，构成位置、速度、电流三闭环控制。

特别地，对于交流永磁无刷力矩电动机，要进行CLARK、PARK变化可得到交、直轴电流反馈，构成电流闭环控制；电流环输出要经过PARK逆变换，空间电压矢量SVPWM，产生用于交流永磁无刷力矩电动机控制的PWM信号。

如图2所示，本发明的二维光电跟踪转台的驱动控制系统的控制方法：

首先由上位计算机5设置二维光电跟踪转台的工作模式，包括速度引导模式、位置定点模式和位置引导模式，然后根据工作模式进行控制：

速度引导模式：开关1断开、开关2闭合，上位计算机5发送目标的速度信息作为速度环参考输入，方位角编码器8和俯仰角编码器9采集位置信号经过差分、滤波得到速度反馈信号，将速度反馈信号与目标的速度信息比较得到速度偏差，输入到速度调节器，速度器按照速度偏差调节速度，形成速度、电流双闭环的控制。速度引导模式，可以测试二维光电跟踪转台的速度精度、速度动态响应特性。

位置定点模式，开关1闭合、开关2断开，上位计算机5发送固定的点位置作为位置参考输入，与方位角编码器8和俯仰角编码器9采集位置信号比较，得到的位置偏差，输入到位置调节器，位置调节器输出作为速度环参考输入，从而，形成位置、速度、电流三闭环控制。位置定点工作模式，可以测试二维光电跟踪转台的位置定点跟踪精度、位置阶跃响应特性。

位置引导模式：开关1闭合、开关2闭合，上位计算机5发送目标的位置引导信息，作为位置参考输入，与方位角编码器8和俯仰角编码器9采集位置信号比较，得到的位置偏差，输入到位置调节器，位置调节器按照偏差调节位置，位置调节器输出作为速度环参考输入，从而，形成位置、速度、电流三闭环控制。

依据先内环后外环的顺序，依据系统时域和频域指标要求，依次调节电流环、速度环、位置环，分别在速度引导模式、位置定点模式、位置引导模式下测试，设计各个环路的PI控制参数，速度引导模式作为位置定点模式的基础，而位置定点模式又作为位置引导模式的基础，三种模式逐次递进，使位置引导模式可以达到指标要求的精度和响应能力，最终可达到二维光电跟踪转台的跟踪性能要求。

Claims (8)

1.二维光电跟踪转台驱动控制系统，其特征在于，包括供电单元、上位计算机、控制单元、方位驱动单元和俯仰驱动单元；

所述供电系统给整个系统供电；

所述上位计算机发送控制指令至控制单元，控制单元将控制指令转化成PWM信号传输给方位驱动单元和俯仰驱动单元，方位驱动单元和俯仰驱动单元根据P WM信号，分别驱动方位角电机和俯仰角电机。

2.根据权利要求1所述的二维光电跟踪转台驱动控制系统，其特征在于，所述上位计算机与控制单元连接，方位驱动单元与方位角电机连接，俯仰驱动单元与俯仰角电机连接，方位驱动单元和俯仰驱动单元均与控制单元连接。

3.根据权利要求2所述的二维光电跟踪转台驱动控制系统，其特征在于，所述控制单元包括微处理器DSP；通信接口，接收来自上位计算机发送的控制命令，发送转台状态信息给上位计算机；PWM接口，包括PWM1和PWM2，对应连接方位驱动单元和俯仰驱动单元，产生PWM控制信号给驱动单元，接收驱动单元故障信号；ADC接口，经信号调理电路，连接方位驱动单元和俯仰驱动单元上的电流检测电路，用于采集方位角电机和俯仰角电机的电流模拟量，实现模数转换；两通道QEP或SCI接口，连接位置信号处理电路，用于采集方位角编码器和俯仰角编码器的A、B、Z差分信号或者绝对式编码器的串口数字信号。

4.根据权利要求2所述的二维光电跟踪转台驱动控制系统，其特征在于，所述的方位角电机和俯仰角电机为永磁直流有刷力矩电动机或交流永磁无刷力矩电动机。

5.根据权利要求2所述的二维光电跟踪转台驱动控制系统，其特征在于，所述方位驱动单元和俯仰驱动单元结构相同，均采用智能功率模块IPM，IPM的控制信号端连接PWM接口，通过隔离驱动电路与控制单元电气隔离，IPM的供电输入端连接直流电源，IPM的功率输出端连接电动机。

6.根据权利要求2所述的二维光电跟踪转台驱动控制系统，其特征在于，俯仰驱动单元与俯仰角电机之间设有电流检测电路，方位驱动单元与方位角电机设有之间设有电流检测电路，电流检测电路采集方位角电机和俯仰角电机的电流模拟量，经信号调节调节后进入控制单元，控制单元判断是否存在电流故障。

7.根据权利要求1-6任何一项所述的二维光电跟踪转台驱动控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括方位角编码器、俯仰角编码器和位置信号处理电路；

方位角编码器测量方位角电机的位置数据，俯仰角编码器测量俯仰角电机的位置数据，位置信号处理电路将位置数据转化成位置信号，并将位置信号传输至控制单元，控制单元将位置信号反馈回上位计算机，控制单元计算发送控制指令与反馈信号的偏差。

8.权利要求7所述的二维光电跟踪转台驱动控制系统的控制方法，其特征在于，由上位计算机设置二维光电跟踪转台的工作模式，包括速度引导模式、位置定点模式和位置引导模式，然后根据工作模式进行控制：

速度引导模式：上位计算机发送目标的速度信息作为速度环参考输入，方位角编码器和俯仰角编码器采集位置信号经过差分、滤波得到速度反馈信号，将速度反馈信号与目标的速度信息比较得到速度偏差，输入到速度调节器，速度器按照速度偏差调节速度；

位置定点模式：上位计算机发送固定的点位置作为位置参考输入，与方位角编码器和俯仰角编码器采集位置信号比较，得到的位置偏差，输入到位置调节器，位置调节器输出作为速度环参考输入；

位置引导模式：上位计算机发送目标的位置引导信息，作为位置参考输入，与位置定点模式相比，与方位角编码器和俯仰角编码器采集位置信号比较，得到的位置偏差，输入到位置调节器，位置调节器按照偏差调节位置，位置调节器输出作为速度环参考输入。