CN108983672B - 一种应用于高精度六自由度光学组件调整机构的控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于高精度六自由度光学组件调整机构的控制系统，属于大型光学望远镜光学组件精密调整技术领域，该系统包括主控计算机、运动控制器和六个与高精度六自由度光学组件调整机构的轴对应的电机驱动模块，电机驱动模块用于驱动高精度六自由度光学组件调整机构对应轴中的永磁同步电机，运动控制器包括DSP主处理器和与DSP主处理器进行数据交换的FPGA协处理器，电机驱动模块包括伺服驱动器和绝对式编码器。主控计算机与运动控制器之间通过CAN总线实现指令和数据的传输，运动控制器用于实现指令解析、指令缓存、轨迹规划、BISS协议解码、二自由度轨迹控制等功能，完成光学组件精密调整平台的高精度联动定位控制。

Description

一种应用于高精度六自由度光学组件调整机构的控制系统
技术领域
本发明涉及大型光学望远镜光学组件精密调整技术领域，特别是涉及一种应用于高精度六自由度光学组件调整机构的控制系统。
背景技术
大型光学望远镜对主镜与次镜的相对位置和姿态有严格的要求，主次镜相对位姿的变化会造成光路的偏差，导致成像质量的下降和像位置的漂移，影响望远镜的指向精度和跟踪精度。为了保证成像质量，需要对光学组件位姿变化量进行修正。通过校正次镜的位姿，将主镜和次镜的相对位姿偏差限制在允许的精度范围内。因此，设计高精度、高稳定性的调整机构控制系统是十分必要的。
发明内容
基于此，有必要针对需要设计一种高精度、高稳定性的调整机构控制系统的问题，提供一种应用于高精度六自由度光学组件调整机构的控制系统。
为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：
一种应用于高精度六自由度光学组件调整机构的控制系统，包括主控计算机、运动控制器和六个与高精度六自由度光学组件调整机构的轴对应的电机驱动模块，所述电机驱动模块用于驱动高精度六自由度光学组件调整机构对应轴中的永磁同步电机，所述运动控制器包括DSP主处理器和与所述DSP主处理器进行数据交换的FPGA协处理器，所述电机驱动模块包括伺服驱动器和绝对式编码器；
所述主控计算机通过CAN总线与所述DSP主处理器连接，所述DSP主处理器输出速度指令至所述伺服驱动器，所述伺服驱动器根据所述速度指令驱动所述永磁同步电机；
所述伺服驱动器输出编码器同步时钟信号分别至所述绝对式编码器和所述FPGA协处理器；
所述绝对式编码器与所述永磁同步电机连接，且所述绝对式编码器反馈位置数据信号分别至所述伺服驱动器和所述FPGA协处理器；
所述伺服驱动器包括DSP芯片、速度控制器、绝对式编码器接口和指令解析接口；
所述DSP芯片通过所述绝对式编码器接口向所述绝对式编码器发送所述编码器同步时钟信号和接收所述绝对式编码器反馈的所述位置数据信号；
所述DSP芯片通过所述速度控制器周期性采集所述永磁同步电机的A相和B相电流，通过磁场定向控制算法计算出相电压矢量，并将所述相电压矢量施加到三项半桥，以控制所述永磁同步电机运动；
所述DSP芯片通过所述指令解析接口接收所述速度指令，所述速度指令为单端PWM指令信号；
所述DSP主处理器进行轨迹规划、轨迹插补、二自由度位置回路控制器计算，并将二自由度位置回路控制器输出的控制量通过可变占空比数字PWM指令信号发送到伺服驱动器，所述DSP主处理器进行轨迹插补的过程如下：
采用归一化轨迹规划器将运动数据中的定位时间均分为加速、匀速、减速三个阶段，并以起点为0、终点为1计算当前采样周期的归一化位置，由运动数据的起点和终点信息计算当前绝对位置，实现六自由度联动运行。
上述应用于高精度六自由度光学组件调整机构的控制系统是一种基于DSP和FPGA的用于光学组件位姿调整平台的运动控制系统，该控制系统中的主控计算机发送目标运动相关数据和系统命令到运动控制器，如目标位置和姿态、设定运动时间等以及开启伺服、关闭伺服、清除报警、查询目标位姿、查询当前位姿等命令，运动控制器应用逆运动学算法求解目标位姿在各轴空间的广义坐标，轨迹插补算法生成当前位姿和目标位姿之间的轨迹，二自由度控制器实现轨迹的反馈控制，控制平台运动到目标位姿，从而完成高精度六自由度光学组件调整机构或者光学组件精密调整平台的高精度联动定位控制。
附图说明
图1为本发明一种应用于高精度六自由度光学组件调整机构的控制系统的结构示意图；
图2为DSP主处理器的功能模块示意图；
图3为FPGA协处理器的功能模块示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
如图1所示，本发明公开一种应用于高精度六自由度光学组件调整机构的控制系统，该系统包括主控计算机1、运动控制器2和六个与高精度六自由度光学组件调整机构的轴对应的电机驱动模块3，其中电机驱动模块3用于驱动高精度六自由度光学组件调整机构对应轴中的永磁同步电机4，图1仅给出其中一个电机驱动模块3与运动控制器2的连接关系。运动控制器2包括DSP主处理器2-1和与DSP主处理器2-1进行数据交换的FPGA协处理器2-2，电机驱动模块3包括伺服驱动器3-1和绝对式编码器3-2。主控计算机1通过CAN总线与DSP主处理器2-1连接，DSP主处理器2-1输出速度指令至伺服驱动器3-1，伺服驱动器3-1根据速度指令驱动永磁同步电机4。伺服驱动器3-1输出编码器同步时钟信号分别至绝对式编码器3-2和FPGA协处理器2-2。绝对式编码器3-2与永磁同步电机4连接，且绝对式编码器3-2反馈位置数据信号分别至伺服驱动器3-1和FPGA协处理器2-2。
具体地，本发明一种应用于高精度六自由度光学组件调整机构的控制系统包括独立设置的主控计算机1，还包括用于接收主控计算机1控制命令和运动数据的运动控制器2；主控计算机1与运动控制器2之间通过CAN总线实现数据的传输，运动控制器2用于运动控制以及将目标位姿、当前位姿以及状态等信息通过CAN总线传输到主控计算机1；运动控制器2主要包括DSP主处理器2-1和FPGA协处理器2-2，外围模块包括电源模块、电机驱动模块3。
本发明包括六个与高精度六自由度光学组件调整机构的轴对应的电机驱动模块3，电机驱动模块3用于驱动高精度六自由度光学组件调整机构对应轴中的永磁同步电机4，实现电机电流和转速的反馈控制。每一个电机驱动模块3均包括用于驱动对应轴中的永磁同步电机4的伺服驱动器3-1和绝对式编码器3-2。各个轴的伺服驱动器3-1采用独立运行的方式，不需要主控系统同步，以此提高系统的可靠性和易维护性。
进一步地，伺服驱动器3-1内部包括DSP芯片、实现速度反馈的速度控制器、实现位置采集的绝对式编码器接口和接收控制指令的指令解析接口。绝对式编码器接口采用BISS协议，伺服驱动器3-1产生编码器同步时钟信号MA，DSP芯片通过绝对式编码器接口向绝对式编码器3-2发送同步时钟信号MA，并接收绝对式编码器3-2反馈的位置数据信号SLO，通过数据循环冗余（CRC）校验确定编码器数据是否正常。如果接收编码器数据异常，伺服驱动器切断功率输出，并输出编码器故障信号。运动控制器2向伺服驱动器发送速度指令，DSP芯片通过指令解析接口接收速度指令，其中速度指令采用单端PWM信号，单端PWM信号50%占空比表示零速度指令，此时伺服驱动器3-1以零速度驱动所述永磁同步电机4；单端PWM信号95%占空比表示正向最大转速指令此时伺服驱动器3-1以正向最大转速驱动所述永磁同步电机4；单端PWM信号5%占空比表示负向最大速度指令，此时伺服驱动器3-1以负向最大转速驱动所述永磁同步电机4。当检测到单端PWM信号0%或100%占空比的情况下，伺服驱动器3-1切断功率输出，并输出错误报警信号。
运动控制器2包括带浮点计算单元的DSP主处理器2-1和FPGA协处理器2-2，其中DSP主处理器2-1主要用于与主控计算机1通讯、接收运动指令和数据、正运动学解算、逆运动学解算、轨迹插补、轨迹控制、状态反馈以及与FPGA协处理器2-2的通讯。FPGA协处理器2-2主要用于接收来自伺服驱动器3-1的编码器同步时钟信号MA和来自绝对式编码器3-2的位置数据信号SLO，并采用异步解码的方式实现绝对式编码器3-2的位置数据解析，还用于编码器数据的CRC校验以及SPI从机通讯接口。FPGA协处理器2-2将解析到的位置数据和校验结果存储在内部寄存器中，DSP主处理器2-1按照位置回路的控制周期定期发起SPI通讯，从FPGA协处理器2-2的内部寄存器中读取绝对式编码器3-2的位置数据和校验结果。
DSP主处理器2-1与FPGA协处理器2-2通过SPI串行通讯协议进行数据交换，DSP主处理器2-1进行轨迹规划、轨迹插补、二自由度位置回路控制器计算，并将二自由度位置回路控制器输出的控制量通过可变占空比数字PWM指令信号发送到伺服驱动器3-1。
主控计算机1通过协议查询命令，实时查询当前运动控制器2各个轴的工作状态、目标位姿和实际位姿以及警报信息，以便于监控。
运动控制器2通过CAN总线接收主控计算机1发送的命令，对其进行解析，通过逆运动学解算得到各永磁同步电机4需要运动到的目标位置；DSP主处理器2-1应用轨迹插补算法在起始位置和目标位置之间插补出多个点，经过轨迹插补算法后生成每个插补周期的各个轴需要运动的位置、速度、加速度，上述运动信息送入二自由度控制结构的位置回路控制器。位置控制器输出数字PWM速度指令至对应的伺服驱动器3-1，以控制相应的永磁同步电机运动，同时通过绝对式编码器3-2读取各个轴的位置显示轴坐标，由正运动学计算位置和姿态显示笛卡尔坐标。
下面结合DSP主处理器2-1和FPGA协处理器2-2的具体处理过程对本发明的控制系统进行详细说明。如图1所示，本发明一种应用于高精度六自由度光学组件调整机构的控制系统包括运动控制器2、伺服驱动器3-1和绝对式编码器3-2，其中高精度六自由度光学组件调整机构在图1中未示出。
运动控制器2以DSP、FPGA芯片为核心，DSP主处理器2-1采用主频150MHz带有浮点计算单元的DSP芯片TMS320F28335，FPGA协处理器2-2采用FPGA芯片Cyclone III EP3CE25，运动控制器2负责控制系统与主控计算机1的CAN总线通信、调整机构正向和逆向运动学解算、轨迹规划、编码器数据采集、运动控制等工作。
伺服驱动器3以DSP芯片为核心，DSP芯片采用主频90MHz带有浮点计算单元的DSP芯片TMS320F28069，负责实现绝对式编码器的数据采集和永磁同步电机的实现正弦波换向的磁场定向控制（FOC）算法。DSP芯片以4KHz的频率向绝对式编码器3-2发送2.5MHz的编码器同步时钟信号MA，绝对式编码器3-2返回位置数据、错误报警标志和校验数据。DSP芯片以4KHz的频率采集永磁同步电机4的A相和B相电流，通过FOC算法计算出相电压矢量，并将相电压矢量施加到三项半桥，以控制电机运动。运动控制器2向伺服驱动器3发送频率为3.75KHz的可变占空比数字PWM指令信号，50%占空比表示零速度指令，95%占空比表示正向最大转速指令，5%占空比表示负向最大速度指令。当检测到0%或100%占空比的情况下，伺服驱动器3切断功率输出，并输出错误报警信号。此外，MA和SLO信号通过缓冲器送入运动控制器2的FPGA协处理2-2接口。
绝对式编码器采用Hengstler绝对式编码器AD36，单圈分辨率17位，多圈分辨率12位，通讯协议为BISS-C。
如图2所示，DSP主处理器2-1通过CAN总线接口接收主控计算机1发送的指令数据并存储在接收缓冲中，定时器1的中断服务程序定期将接收缓冲中的数据读入环形队列。空闲循环执行指令解析模块不断的从环形队列读出指令数据，如果是运动指令，调用运动指令处理模块将运动数据经过逆运动学解算后发送至环形运动数据缓冲；否则，调用系统指令处理模块，完成目标位置、当前位置、当前状态等系统信息的查询以及使能伺服、禁用伺服、清除报警等系统操作。发送缓冲用于缓冲运动控制器2发送到主控计算机1的消息，防止运动控制器2反馈的消息丢失。数字IO用于控制电机驱动模块3、读取电机驱动模块3的故障信息。定时器2的中断服务程序完成位置闭环控制。SPI主接口从FPGA协处理器2-2读取绝对式编码器3-2的位置数据用于二自由度控制器的反馈值。归一化轨迹规划器将运动数据中的定位时间均分为加速、匀速、减速三个阶段，并以起点为0、终点为1计算当前采样周期的归一化位置p，由运动数据的起点和终点信息计算当前绝对位置，实现六自由度联动运行。当前的目标轨迹值curPos与起始轨迹值startPos和最终目标轨迹值targetPos的关系为：
curPos = startPos + p(targetPos – startPos)
当前目标轨迹值作为二自由度控制器的指令值，二自由度控制器的输出值作为伺服驱动器3-1的速度指令以PWM输出的方式发送至伺服驱动器3-1，实现电机的位置闭环控制。
如图3所示，FPGA协处理器2-2主要完成BISS协议的解码和校验。BISS接口的MA信号是由伺服驱动器3-1发送的编码器同步时钟信号，SLO是由绝对式编码器3-2发送的位置数据信号，两路信号进入FPGA协处理器2-2的路径不同，相位补偿模块用于补偿编码器同步时钟信号MA与位置数据信号SLO因传输距离不同而产生的相位差。异步BISS协议解码模块解析绝对式编码器3-2的位置数据并进行CRC校验，将位置数据存储在6个29bit的寄存器中，将状态数据和校验结果存储至6个8bit的寄存器中。30个8bit数据寄存器用于存储六个轴的位置、状态和校验结果。控制寄存器的地址为0x1F，当向此寄存器写入任意数据时立即将BISS协议解码模块中的寄存器值更新到数据寄存器。DSP由SPI从接口读取轴的位置、状态和校验结果。
本发明的应用于高精度六自由度光学组件调整机构的控制系统是一种基于DSP和FPGA的用于光学组件位姿调整平台的运动控制系统，该控制系统中的主控计算机发送目标运动相关数据和系统命令到运动控制器，如目标位置和姿态、设定运动时间等以及开启伺服、关闭伺服、清除报警、查询目标位姿、查询当前位姿等命令，运动控制器应用逆运动学算法求解目标位姿在各轴空间的广义坐标，轨迹插补算法生成当前位姿和目标位姿之间的轨迹，二自由度控制器实现轨迹的反馈控制，控制平台运动到目标位姿，从而完成高精度六自由度光学组件调整机构或者光学组件精密调整平台的高精度联动定位控制。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种应用于高精度六自由度光学组件调整机构的控制系统，其特征在于，包括主控计算机(1)、运动控制器(2)和六个与高精度六自由度光学组件调整机构的轴对应的电机驱动模块(3)，所述电机驱动模块(3)用于驱动高精度六自由度光学组件调整机构对应轴中的永磁同步电机(4)，所述运动控制器(2)包括DSP主处理器(2-1)和与所述DSP主处理器(2-1)进行数据交换的FPGA协处理器(2-2)，所述电机驱动模块(3)包括伺服驱动器(3-1)和绝对式编码器(3-2)；
所述主控计算机(1)通过CAN总线与所述DSP主处理器(2-1)连接，所述DSP主处理器(2-1)输出速度指令至所述伺服驱动器(3-1)，所述伺服驱动器(3-1)根据所述速度指令驱动所述永磁同步电机(4)；
所述伺服驱动器(3-1)输出编码器同步时钟信号分别至所述绝对式编码器(3-2)和所述FPGA协处理器(2-2)；
所述绝对式编码器(3-2)与所述永磁同步电机(4)连接，且所述绝对式编码器(3-2)反馈位置数据信号分别至所述伺服驱动器(3-1)和所述FPGA协处理器(2-2)；
所述伺服驱动器(3-1)包括DSP芯片、速度控制器、绝对式编码器接口和指令解析接口；
所述DSP芯片通过所述绝对式编码器接口向所述绝对式编码器(3-2)发送所述编码器同步时钟信号和接收所述绝对式编码器(3-2)反馈的所述位置数据信号；
所述DSP芯片通过所述速度控制器周期性采集所述永磁同步电机(4)的A相和B相电流，通过磁场定向控制算法计算出相电压矢量，并将所述相电压矢量施加到三项半桥，以控制所述永磁同步电机(4)运动；
所述DSP芯片通过所述指令解析接口接收所述速度指令，所述速度指令为单端PWM指令信号；
所述DSP主处理器(2-1)进行轨迹规划、轨迹插补、二自由度位置回路控制器计算，并将二自由度位置回路控制器输出的控制量通过可变占空比数字PWM指令信号发送到伺服驱动器(3-1)，所述DSP主处理器(2-1)进行轨迹插补的过程如下：
采用归一化轨迹规划器将运动数据中的定位时间均分为加速、匀速、减速三个阶段，并以起点为0、终点为1计算当前采样周期的归一化位置，由运动数据的起点和终点信息计算当前绝对位置，实现六自由度联动运行。
2.根据权利要求1所述的一种应用于高精度六自由度光学组件调整机构的控制系统，其特征在于，
当所述单端PWM指令信号的占空比为50％时，所述伺服驱动器(3-1)以零速度驱动所述永磁同步电机(4)；
当所述单端PWM指令信号的占空比为95％时，所述伺服驱动器(3-1)以正向最大转速驱动所述永磁同步电机(4)；
当所述单端PWM指令信号的占空比为5％时，所述伺服驱动器(3-1)以负向最大转速驱动所述永磁同步电机(4)。
3.根据权利要求1或2所述的一种应用于高精度六自由度光学组件调整机构的控制系统，其特征在于，
当所述单端PWM指令信号的占空比为0％或者100％时，所述伺服驱动器(3-1)切断功率输出，并输出错误报警信号。
4.根据权利要求1所述的一种应用于高精度六自由度光学组件调整机构的控制系统，其特征在于，
所述绝对式编码器接口采用BISS协议。
5.根据权利要求1或2所述的一种应用于高精度六自由度光学组件调整机构的控制系统，其特征在于，
所述FPGA协处理器(2-2)通过数字逻辑补偿接收到的所述编码器同步时钟信号与所述位置数据信号之间的相位差，采用异步解码的方式实现所述绝对式编码器(3-2)的位置数据解析以及数据循环冗余校验，并将解析到的位置数据和校验结果存储在内部寄存器中。
6.根据权利要求5所述的一种应用于高精度六自由度光学组件调整机构的控制系统，其特征在于，
所述DSP主处理器(2-1)与所述FPGA协处理器(2-2)通过SPI串行通讯协议进行数据交换，所述DSP主处理器(2-1)按照位置回路控制周期定期发起SPI通讯，从所述FPGA协处理器(2-2)的所述内部寄存器中读取所述绝对式编码器(3-2)的位置数据和校验结果。
7.根据权利要求1所述的一种应用于高精度六自由度光学组件调整机构的控制系统，其特征在于，
所述DSP主处理器(2-1)采用主频150MHz带有浮点计算单元的DSP芯片TMS320F28335；
所述FPGA协处理器(2-2)采用FPGA芯片Cyclone III EP3CE25；
所述绝对式编码器(3-2)采用Hengstler绝对式编码器AD36。
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