CN106774459B - 基于步进驱动的指挥镜两维转台随动控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于步进驱动的指挥镜两维转台随动控制系统，包括运动控制器，运动控制器接收上位机随动位置给定，分别产生方位、高低控制指令信号通过与方位步进电机驱动器、高低步进电机驱动器之间的连接电缆传输给方位步进电机驱动器、高低步进电机驱动器，完成方位步进电机、高低步进电机的位置控制；通过对频率变化量即步进电机速度变化量的控制，使指挥镜随动平台避免在未知输入情况下速度突变和加速度突变造成对指挥镜的冲击及步进电机驱动系统的失步问题，实现较为简便，同时基于该硬件架构非常容易实现更多步进电机的随动位置系统的控制。

Description

基于步进驱动的指挥镜两维转台随动控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及基于步进驱动的指挥镜两维转台随动控制系统及控制方法，属于随动控制系统技术领域。

背景技术

指挥镜是一种对空观测的光学仪器，将指挥镜安装在两维转台上，实现空中目标搜捕、识别和指示等功能。

步进驱动系统控制的基本原理是向步进电机驱动器发送脉冲，脉冲的数量对应步进电机的转角位置，脉冲的频率对应步进电机的转速，步进驱动系统相对伺服系统，伺服电机内部通过安装旋转编码器实现了反馈控制，控制精度高，但成本较高。步进电机驱动系统是一种开环控制，因而连线简单、成本低。步进电机利用细分技术，可以达到较高的精度，重复精度高，缺点是可能存在失步现象。

步进电机驱动器系统通常应用于预先知道运行位置轨迹的定位控制系统和速度控制系统，可以通过适当的方法进行轨迹规划，防止步进电机出现失步现象，如中国专利申请号：CN201210422712.3，申请日：2012年10月30日，专利名称为：一种步进电机的控制系统及控制方法，该发明涉及一种步进电机的控制系统及控制方法，采用指数型加减速曲线，控制步进电机定位，这是目前步进电机控制较为普遍采用的方法。

指挥镜位置随动系统由于其给定的位置输入信号预先未知且随时间变化，难以事先对运动路径进行规划，同时承载指挥镜的光学设备的随动平台应避免角加速度突变造成光学设备的冲击，因此常规的步进电机控制方法难以满足应用需求。

发明内容

为了解决上述不足，本发明提供了基于步进驱动的位置随动控制系统及控制方法。

本发明所采取的技术方案是：

本发明是一种基于步进驱动的指挥镜两维转台随动控制系统，包括上位机接口、运动控制器、方位步进电机驱动器、方位步进电机、方位减速机、高低步进电机驱动器、高低步进电机、高低减速机、随动转台、指挥镜等，运动控制器接收上位机随动位置给定，分别产生方位、高低控制指令信号通过与方位步进电机驱动器、高低步进电机驱动器之间的连接电缆传输给方位步进电机驱动器、高低步进电机驱动器，完成方位步进电机、高低步进电机的位置控制；方位步进电机输出轴、高低步进电机输出轴分别与方位减速机输入转轴、高低减速机输入转轴相连，带动方位减速机、高低减速机转动；方位减速机输出轴、高低减速机输出轴分别与随动转台的方位、高低转轴相连，控制随动转台两维转动，指挥镜安装在随动转台上，跟随随动转台转动；所述方位步进电机驱动器、高低步进电机驱动器的控制信号形式为转动方向信号、频率信号。

本发明的进一步改进在于：所述运动控制器包括微处理器（本实例选择意法半导体公司STM32F103系列）、和可编程逻辑器件(本实例选择Altera公司的EPM570)等；所述微处理器使用的资源包括现场总线、定时器一、定时器二、定时器三、普通输出口一、普通输出口二、数据总线、地址总线等；所述可编程逻辑器件实现功能包括可逆计数器一、可逆计数器二、方位最大值、高低最大值等。所述的定时器一用于产生控制方位步进电机驱动器的方位脉冲输出信号，同时通过印制线连接到可编程逻辑器件的可逆计数器一的计数输入端；普通输出口一用于产生方位方向输出信号，同时通过印制线连接到可编程逻辑器件的可逆计数器一的计数方向输入端；所述的定时器二用于产生控制高低步进电机驱动器的高低脉冲输出信号，同时通过印制线连接到可编程逻辑器件的可逆计数器二的计数输入端；普通输出口二用于产生高低方向输出信号，同时通过印制线连接到可编程逻辑器件的可逆计数器二的计数方向输入端；微处理器通过数据总线和地址总线读取可逆计数器一、可逆计数器二的计数值；微处理器通过现场总线和上位机通讯，接收上位机方位、高低的随动位置值；方位脉冲输出信号、方位方向输出信号通过微处理器的连接器与方位步进电机驱动相连，控制方位步进电机转动；高低脉冲输出信号、高低方向输出信号通过微处理器的连接器与高低步进电机驱动相连，控制高低步进电机转动；所述的方位最大值用于限定可逆计数器一的计数最大值；所述的高低最大值用于限定可逆计数器二的计数最大值。

本发明的进一步改进在于：可编程逻辑器件中的可逆计数器一计数方法是当方位脉冲输出信号上升沿时,如果方位方向输出信号为高电平，首先判断可逆计数器一的计数值是否达到方位最大值，如达到方位最大值，可逆计数器一的计数值置零，如没有达到方位最大值，则增计数；如果方位方向输出信号为低电平，首先判断可逆计数器一的计数值是否为零，如为零，可逆计数器一的计数值置为方位最大值，如不为零，则减计数；方位最大值等于方位减速机速比乘以步进电机驱动系统细分数减去1。

本发明的进一步改进在于：所述微处理器中定时器三用于产生定时中断，定时中断周期通常可选择为 毫秒，在此定时中断服务程序中，完成方位随动位置控制、高低随动位置控制运算

本发明的进一步改进在于：所述方位随动位置控制包括位置给定、位置校正、频率控制函数、方向输出信号、频率输出、位置反馈等；所述的位置给定通过现场总线接收上位机方位随动位置给定值，位置给定值需要根据实际情况转换成脉冲数量，所述的位置校正采用比例积分调节器或比例调节器等位置校正控制算法，实现随动转台的方位、高低位置控制；位置校正输出即期望方位步进电机转动速度值，期望方位步进电机转动速度值与方位脉冲频率成线性关系，期望方位步进电机转动速度值传输给频率控制函数；频率控制函数输出给定时器一，由定时器一产生方位脉冲输出信号，同时频率控制函数输出控制方位方向输出信号；所述的位置反馈是通过数据总线和地址总线读取可逆计数器一的计数值，所述的高低随动位置控制与方位随动位置控制原理相同，不再赘述。

所述的频率控制函数用于对位置控制的输出频率进行控制，实现随动转台方位、高低平稳运行。

所述的频率控制函数计算方法及步骤：

1)设期望方位步进电机转动速度值对应的脉冲频率为（位置校正输出值），上次采样周期实际输出脉冲频率为（的初始值为0）；计算期望输出频率增量 如式（1），（物理意义对应方位步进电机的角加速度）；

 （1）

2)依据式（2）对式（1）的计算结果 进行约束计算：

式（2）中：

 ----上次采样周期实际脉冲频率增量；

 ----指挥镜随动转台系统的运行角加速度最大变化量（对应的脉冲频率变化量的变化量），此值在实际系统中以不损害指挥镜为原则测试确定，为常数；

式（2）中为角加速度的变化量，式（2）限制角加速度的变化量，即限制步进电机角加速度突变对指挥镜的冲击；

3) 为防止步进电机失步，对依据式（3）对 进一步约束计算，

 (3)

式（3）中，为方位随动转台允许的最大角加速度对应的脉冲频率变化量，根据实际系统确定，为常数；

4)实际输出脉冲频率依据式（4）计算；

式（4）中，为方位脉冲输出信号的最大频率，对应方位步进电机的最高转速，依据实际系统确定，是常数；

5)如果，将普通输出口一置为高电平，否则将普通输出口一置为低电平；

6)更新变量： ；更新变量：；

7)取 绝对值传输给定时器一，由定时器一产生对应频率的方位脉冲输出信号；

8)本次采样周期计算结束，下一采样周期从步骤（1）开始执行。

本发明所达到的有益效果：

（1）、本发明的系统通过对频率变化量即步进电机速度变化量的控制，使指挥镜随动平台避免在未知输入情况下速度突变和加速度突变造成对指挥镜的冲击及步进电机驱动系统的失步问题；

（2）、本发明的系统通过采用微处理器和可编程逻辑器件相结合，利用可编程逻辑器件记录输出脉冲数作为位置反馈，随动转台的控制方法与普通伺服系统相似，实现较为简便，同时基于该硬件架构非常容易实现更多步进电机的随动位置系统的控制。

附图说明

图1是本发明的基于步进驱动的指挥镜两维转台随动控制系统组成示意图。

图2是本发明的运动控制器组成示意图。

图3是本发明的微处理器中定时器三控制算法组成示意图。

图4是本发明的方位随动位置控制算法组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1基于步进驱动的指挥镜两维转台随动控制系统组成示意图所示，本发明是一种基于步进驱动的指挥镜两维转台随动控制系统，包括上位机接口、运动控制器、方位步进电机驱动器、方位步进电机、方位减速机、高低步进电机驱动器、高低步进电机、高低减速机、随动转台、指挥镜等。运动控制器接收上位机随动位置给定，分别产生方位、高低控制指令信号通过与方位步进电机驱动器、高低步进电机驱动器之间的连接电缆传输给方位步进电机驱动器、高低步进电机驱动器，完成方位步进电机、高低步进电机的位置控制；方位步进电机输出轴、高低步进电机输出轴分别与方位减速机输入转轴、高低减速机输入转轴相连，带动方位减速机、高低减速机转动；方位减速机输出轴、高低减速机输出轴分别与随动转台的方位、高低转轴相连，控制随动转台两维转动，指挥镜安装在随动转台上，跟随随动转台转动；所述方位步进电机驱动器、高低步进电机驱动器的控制信号形式为转动方向信号、频率信号。

如图2运动控制器组成示意图所示，所述运动控制器包括微处理器、和可编程逻辑器件等；所述微处理器使用的资源包括现场总线、定时器一、定时器二、定时器三、普通输出口一、普通输出口二、数据总线、地址总线等；所述可编程逻辑器件实现功能包括可逆计数器一、可逆计数器二、方位最大值、高低最大值等。所述的定时器一用于产生控制方位步进电机驱动器的方位脉冲输出信号，同时通过印制线连接到可编程逻辑器件的可逆计数器一的计数输入端；普通输出口一用于产生方位方向输出信号，同时通过印制线连接到可编程逻辑器件的可逆计数器一的计数方向输入端；所述的定时器二用于产生控制高低步进电机驱动器的高低脉冲输出信号，同时通过印制线连接到可编程逻辑器件的可逆计数器二的计数输入端；普通输出口二用于产生高低方向输出信号，同时通过印制线连接到可编程逻辑器件的可逆计数器二的计数方向输入端；微处理器通过数据总线和地址总线读取可逆计数器一、可逆计数器二的计数值；微处理器通过现场总线和上位机通讯，接收上位机方位、高低的随动位置值；方位脉冲输出信号、方位方向输出信号通过微处理器的连接器与方位步进电机驱动相连，控制方位步进电机转动；高低脉冲输出信号、高低方向输出信号通过微处理器的连接器与高低步进电机驱动相连，控制高低步进电机转动；所述的方位最大值用于限定可逆计数器一的计数最大值；所述的高低最大值用于限定可逆计数器二的计数最大值。

所述可编程逻辑器件中的可逆计数器一计数方法是当方位脉冲输出信号上升沿时,如果方位方向输出信号为高电平，首先判断可逆计数器一的计数值是否达到方位最大值，如达到方位最大值，可逆计数器一的计数值置零，如没有达到方位最大值，则增计数；如果方位方向输出信号为低电平，首先判断可逆计数器一的计数值是否为零，如为零，可逆计数器一的计数值置为方位最大值，如不为零，则减计数；方位最大值等于方位减速机速比乘以步进电机驱动系统细分数减去1，本实例中方位步进电机驱动系统细分为1200脉冲/转，方位减速机减速比10，则方位最大值等于 ；所述的可编程逻辑器件中的可逆计数器二计数方法与可逆计数器二方法相同。

如图3所述微处理器中定时器三控制算法组成示意图所示，所述定时器三用于产生定时中断，定时中断周期通常可选择为毫秒，与常规伺服系统位置控制定时中断方法相同，在此定时中断服务程序中，完成方位随动位置控制、高低随动位置控制的控制运算；

如图4为述方位随动位置控制算法组成示意图所示，所述方位随动位置控制包括位置给定、位置校正、频率控制函数、方向输出信号、频率输出、位置反馈等；所述的位置给定通过现场总线接收上位机方位随动位置给定值，位置给定值需要根据实际情况转换成脉冲数量，本应用实例中，步进电机驱动系统细分为1200脉冲/转，方位减速机减速比10，则位置给定值个脉冲对应随动转台转动360度；所述的位置校正采用比例积分调节器或比例调节器等位置校正控制算法，实现随动转台的方位位置控制；位置校正输出即期望方位步进电机转动速度值，期望方位步进电机转动速度值与方位脉冲频率成线性关系，期望方位步进电机转动速度值传输给频率控制函数；频率控制函数输出给定时器一，由定时器一产生方位脉冲输出信号，同时频率控制函数输出控制方位方向输出信号；所述的位置反馈是通过数据总线和地址总线读取可逆计数器一的计数值。所述的高低随动位置控制与方位随动位置控制原理相同，不再赘述。

所述的频率控制函数，计算方法及步骤如下：

1)设期望方位步进电机转动速度值对应的脉冲频率为（位置校正输出值），上次采样周期实际输出脉冲频率为（的初始值为0）；计算期望输出频率增量如式（1），（物理意义对应方位步进电机的角加速度）；

                                    （1）

2)依据式（2）对式（1）的计算结果进行约束计算：

式（2）中：

----上次采样周期实际脉冲频率增量；

----指挥镜随动转台系统的运行角加速度最大变化量（对应的脉冲频率变化量的变化量），此值在实际系统中以不损害指挥镜为原则测试确定，为常数；

式（2）中为角加速度的变化量，式（2）限制角加速度的变化量，即限制步进电机角加速度突变对指挥镜的冲击；

3)为防止步进电机失步，对依据式（3）对进一步约束计算，

    (3)

式（3）中，为方位随动转台允许的最大角加速度对应的脉冲频率变化量，根据实际系统确定，为常数；

4)实际输出脉冲频率依据式（4）计算；

式（4）中，为方位脉冲输出信号的最大频率，对应方位步进电机的最高转速，依据实际系统确定，是常数；

5)如果，将普通输出口一置为高电平，否则将普通输出口一置为低电平；

6)更新变量：；更新变量：；

7)取绝对值传输给定时器一，由定时器一产生对应频率的方位脉冲输出信号；

8)本次采样周期计算结束，下一采样周期从步骤（1）开始执行。

Claims (4)

1.基于步进驱动的指挥镜两维转台随动控制系统，其特征在于：包括上位机接口、运动控制器、方位步进电机驱动器、方位步进电机、方位减速机、高低步进电机驱动器、高低步进电机、高低减速机、随动转台、指挥镜，运动控制器接收上位机随动位置给定，分别产生方位、高低控制指令信号通过与方位步进电机驱动器、高低步进电机驱动器之间的连接电缆传输给方位步进电机驱动器、高低步进电机驱动器，完成方位步进电机、高低步进电机的位置控制；方位步进电机输出轴、高低步进电机输出轴分别与方位减速机输入转轴、高低减速机输入转轴相连，带动方位减速机、高低减速机转动，方位减速机输出轴、高低减速机输出轴分别与随动转台的方位、高低转轴相连，控制随动转台两维转动，指挥镜安装在随动转台上，跟随随动转台转动，所述方位步进电机驱动器、高低步进电机驱动器的控制信号形式为转动方向信号、频率信号，所述运动控制器包括微处理器、和可编程逻辑器件；所述微处理器使用的资源包括现场总线、定时器一、定时器二、定时器三、普通输出口一、普通输出口二、数据总线、地址总线；所述可编程逻辑器件实现功能包括可逆计数器一、可逆计数器二、方位最大值、高低最大值，所述定时器一用于产生控制方位步进电机驱动器的方位脉冲输出信号，同时通过印制线连接到可编程逻辑器件的可逆计数器一的计数输入端，普通输出口一用于产生方位方向输出信号，同时通过印制线连接到可编程逻辑器件的可逆计数器一的计数方向输入端，所述定时器二用于产生控制高低步进电机驱动器的高低脉冲输出信号，同时通过印制线连接到可编程逻辑器件的可逆计数器二的计数输入端，普通输出口二用于产生高低方向输出信号，同时通过印制线连接到可编程逻辑器件的可逆计数器二的计数方向输入端；微处理器通过数据总线和地址总线读取可逆计数器一、可逆计数器二的计数值，微处理器通过现场总线和上位机通讯，接收上位机方位、高低的随动位置值，方位脉冲输出信号、方位方向输出信号通过微处理器的连接器与方位步进电机驱动相连，控制方位步进电机转动，高低脉冲输出信号、高低方向输出信号通过微处理器的连接器与高低步进电机驱动相连，控制高低步进电机转动，所述方位最大值用于限定可逆计数器一的计数最大值，所述高低最大值用于限定可逆计数器二的计数最大值，所述可编程逻辑器件中的可逆计数器一计数方法是当方位脉冲输出信号上升沿时,如果方位方向输出信号为高电平，首先判断可逆计数器一的计数值是否达到方位最大值，如达到方位最大值，可逆计数器一的计数值置零，如没有达到方位最大值，则增计数，如果方位方向输出信号为低电平，首先判断可逆计数器一的计数值是否为零，如为零，可逆计数器一的计数值置为方位最大值，如不为零，则减计数；方位最大值等于方位减速机速比乘以步进电机驱动系统细分数减去1。

2.根据权利要求1所述基于步进驱动的指挥镜两维转台随动控制系统的运动控制器，其特征在于：所述微处理器中定时器三用于产生定时中断，定时中断周期选择为4～20毫秒，完成方位随动位置控制、高低随动位置控制的控制运算。

3.根据权利要求2所述基于步进驱动的指挥镜两维转台随动控制系统的运动控制器其特征在于：所述方位随动位置控制包括位置给定、位置校正、频率控制函数、方向输出信号、频率输出、位置反馈，所述位置给定通过现场总线接收上位机方位随动位置给定值，位置给定值需要根据实际情况转换成脉冲数量，所述位置校正采用比例积分调节器或比例调节器等位置校正控制算法，实现随动转台的方位位置控制，位置校正输出即期望方位步进电机转动速度值，期望方位步进电机转动速度值与方位脉冲频率成线性关系，期望方位步进电机转动速度值传输给频率控制函数，频率控制函数输出给定时器一，由定时器一产生方位脉冲输出信号，同时频率控制函数输出控制方位方向输出信号，所述位置反馈是通过数据总线和地址总线读取可逆计数器一的计数值。

4.根据权利要求3所述基于步进驱动的指挥镜两维转台随动控制系统的运动控制器，其特征在于：所述频率控制函数计算方法及步骤如下：

1)设期望方位步进电机转动速度值对应的脉冲频率为f(位置校正输出值)，上次采样周期实际输出脉冲频率为f₀(f₀的初始值为0)；计算期望输出频率增量Δf₁如式(1)，(Δf₁物理意义对应方位步进电机的角加速度)；

Δf₁＝f-f₀                             (1)

2)依据式(2)对式(1)的计算结果Δf₁进行约束计算：

式(2)中：

Δf₀----上次采样周期实际脉冲频率增量；

Δf_max----指挥镜随动转台系统的运行角加速度最大变化量(对应的脉冲频率变化量的变化量)，此值在实际系统中以不损害指挥镜为原则测试确定，为常数；

式(2)中Δf₁-Δf₀为角加速度的变化量，式(2)限制角加速度的变化量，即限制步进电机角加速度突变对指挥镜的冲击；

3)为防止步进电机失步，对依据式(3)对Δf₁进一步约束计算，

式(3)中，f_Δ为方位随动转台允许的最大角加速度对应的脉冲频率变化量，根据实际系统确定，为常数；

4)实际输出脉冲频率f₁依据式(4)计算；

式(4)中，f_max为方位脉冲输出信号的最大频率，对应方位步进电机的最高转速，依据实际系统确定，是常数；

5)如果f₁≥0，将普通输出口一置为高电平，否则将普通输出口一置为低电平；

6)更新变量f₀：f₀＝f₁；更新变量Δf₀：Δf₀＝Δf₁；

7)取f₁绝对值传输给定时器一，由定时器一产生对应频率的方位脉冲输出信号；

8)本次采样周期计算结束，下一采样周期从步骤(1)开始执行。

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