CN109799762B - 面阵摆扫成像的控制系统 - Google Patents

Abstract

面阵摆扫成像的控制系统，涉及一种面阵摆扫成像的控制系统，解决现有力矩电机的应用中，可能存在继电器控制失败以及伺服电机干扰其它器件正常工作等问题，采用多组DCDC电源模块来产生相关的供电电源，并采用组合的EMI滤波器来滤除开关电源和力矩电机的开关脉冲干扰；针对各部分的特点，采取了不同的接地方式；根据控制过程中所需要的带宽，对压电陶瓷驱动的拓扑结构和应变片的采样电路增益进行了限定。对于信号互联的底台背板，对进行了分区独立走线避免干扰，包含一次电源区、伺服功率区、快反功率区、数字信号区、模拟小信号区、继电器控制区。本发明通过多级放大来降低单级放大倍数，从而获得更宽的控制带宽。

Description

面阵摆扫成像的控制系统

技术领域

本发明涉及一种面阵摆扫成像的控制系统，具体涉及一种使用大功率力矩电机及压电陶瓷进行像移补偿的控制系统。

背景技术

在无力矩电机的应用环境中，通常将卫星提供的一次电源作为继电器线圈的供电电源。而在大功率力矩电机的应用环境下，伺服电机容易对与之相连接的部分如控制器造成较大的干扰。

如图1所示，当三极管KG25A的发射级管脚接一次地时，控制信号的电流必须经三极管KG25A的发射级再经一次电源回线(一次地)才能返回二次地；由于伺服电机DCDC部分的强干扰，可能会在三极管KG25A和二次地之间形成幅度较高的干扰，导致三极管KG25A无法正常进行开关操作。

如图2所示，当三极管KG25A的地管脚接二次地时，和图1的方式比会有改进，给继电器线圈供电的一次电源电流必须要经过三极管KG25A的集射级然而经二次地后返回到一次电源回线(一次地)。但由于伺服电机DCDC部分的强干扰，一次电源上还是会有较大的干扰，可能导致继电器线圈两端加的电压幅度变化过大，有继电器线圈电压不足而不动作的风险；另外的一个问题就是一次电源通过继电器的线圈被送到了主控板上，若处理不慎也会对主控部分形成耦合干扰。

上述的两种方式下，都存在一次地和二次地电流交叠部分，在公共电阻部分形成噪声电压；一次电源和控制信号间还存在微弱的通路；而且上述是在理想单点接地方式下分析的，实际应用中由于存在多个负载，很难实现理论上的单点接地，无意中容易形成地环或额外形成公共电阻，引入更大的干扰。

发明内容

本发明为解决现有力矩电机的应用中，可能存在继电器控制失败以及伺服电机干扰其它器件正常工作等问题，提供一种面阵摆扫成像的控制系统。

面阵摆扫成像的控制系统，包括主控单元、编码器单元、伺服单元、快反单元、成像单元、供配电单元和底台背板；主控单元通过422通信总线A以菊花链的方式连接编码器单元、伺服单元和快反单元；主控单元通过422通信B以点对点的方式连接成像单元；

所述快反单元包含快反控制器和快反驱动器；

编码器单元通过MCBSP总线与伺服单元连接，所述伺服单元向编码器单元发出控制信号，编码器单元向伺服单元发出应答信号；主控单元和伺服单元通过SPI总线通信，所述主控单元发出的摆扫开始和摆扫结束信号，伺服单元发出的摆扫匀速的信号；快反控制器通过MCBSP总线与主控单元连接，快反控制器通过SPI控制信号控制快反驱动器，主控单元通过控制信号对成像单元进行控制；

陀螺单元通过两组独立的422通信总线分别连接伺服单元和快反单元。

所述供配电单元为主控单元供电；所述供配电单元由三组一次电源及电源回线组成，所述三组一次电源及电源回线分别用于产生伺服驱动电源，压电陶瓷驱动电源以及小功率的数字、模拟和继电器电源，单独采用小功率DCDC模块产生继电器线圈的供电电源；所述伺服驱动电源，采用两组EMI滤波器进行组合滤波；

对所述底台背板进行分区独立走线，包括一次电源区、伺服功率区、快反功率区、数字信号区、模拟小信号区以及继电器控制区，各个区在物理空间上独立；

伺服单元部分的陀螺地使用0欧电阻与数字地进行单点接地；伺服驱动器辅助电源功率地使用0欧电阻与伺服驱动器功率地进行单点接地；ADC的数字地和模拟地在ADC底部使用0欧电阻进行单点接地；

编码器单元部分的ADC的数字地和模拟地在ADC的底部使用0欧电阻进行单点接地；模拟地用0欧电阻与数字地进行单点接地；

主控单元部分的继电器地在继电器驱动器的发射级使用0欧电阻与数字地进行单点接地，将多个继电器驱动器的发射级连接在一起形成继电器地，再通过0欧电阻与数字地进行单点连接；

快反单元的快反控制器部分的模拟地使用0欧电阻与数字地进行单点接地，ADC的数字地和模拟地在ADC底部使用0欧电阻进行单点接地；

快反单元的快反驱动器部分的正功率地和负功率地作为一个地直接相连形成模拟功率地，所述模拟功率地使用0欧电阻在DAC底部与数字地进行单点接地。

本发明的有益效果：

1、本发明所述的面阵摆扫成像的控制系统采用三组一次电源及回线分别产生伺服驱动电源，压电陶瓷驱动电源，小功率的数字、模拟和继电器电源，减少各部分的相互干扰；单独采用一个小功率的DCDC模块来产生继电器线圈的供电电源，可提高继电器的控制可靠性；伺服驱动电源，采用两组EMI滤波器进行组合滤波，可降低伺服电机对其余部分的干扰。

2、本发明中，对于信号互联的底台背板，进行了分区独立走线，可避免干扰。

3、快反驱动器的驱动信号和快反控制器中的传感器信号，通过多级放大来降低单级放大倍数，从而获得更宽的控制带宽。

附图说明

图1为现有KG25A的地管脚接一次地原理图；

图2为现有KG25A的地管脚接二次地原理图；

图3为本发明所述的面阵的摆扫成像的控制系统结构框图；

图4为本发明所述的面阵的摆扫成像的控制系统中供配单元中电源产生拓扑图；

图5为本发明所述的面阵摆扫成像的控制系统中快反单元的驱动信号产生的流程图；

图6为本发明所述的面阵摆扫成像的控制系统中快反单元的传感器信号产生流程图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图3至图6说明本实施方式，面阵摆扫成像的控制系统，包括主控单元、编码器单元、伺服单元、快反单元、成像单元、供配电单元和底台；主控单元通过422通信总线A以菊花链的方式连接编码器单元、伺服单元和快反单元；主控单元通过422通信B以点对点的方式连接成像单元；所述快反单元包含快反控制器和快反驱动器；编码器单元通过MCBSP总线与伺服单元连接，所述伺服单元向编码器单元发出控制信号，编码器单元向伺服单元发出应答信号的硬信号；主控单元和伺服单元通过SPI总线通信，并增加了主控发出的摆扫开始、摆扫结束信号，和伺服单元发出的摆扫匀速的硬信号；所述主控单元向伺服单元发磅摆扫开始的信号，伺服单元向主控单元发送摆扫结束以及摆扫匀速的硬信号；陀螺单元通过两组独立的422通信总线分别连接到伺服单元和快反单元。

所述供配电单元为主控单元供电；所述供配电单元由三组一次电源及电源回线组成，所述三组一次电源及电源回线分别用于产生伺服驱动电源，压电陶瓷驱动电源以及小功率的数字、模拟和继电器电源，

本实施方式中，电源的产生方式为：采用三组一次电源及回线分别产生伺服驱动电源，压电陶瓷驱动电源，小功率的数字、模拟和继电器电源；单独采用一个小功率的DCDC模块来产生继电器线圈的供电电源；对于伺服驱动电源，采用两组EMI滤波器进行组合滤波，EMI滤波器11在开关电源的主频率处及20倍频率范围内插入损耗不低于40dB，EMI滤波器12在伺服电机的PWM频率处及20倍频率范围内插入损耗不低于40dB。

本实施方式中，对于信号互联的底台背板，对进行了分区独立走线避免干扰，包含一次电源区、伺服功率区、快反功率区、数字信号区、模拟小信号区、继电器控制区，各部分在物理空间上独立，不相互重叠。各部分的接地特点：

(1)伺服单元部分上陀螺地需要使用0欧电阻与数字地进行单点接地；伺服驱动器辅助电源功率地需要使用0欧电阻与伺服驱动器功率地进行单点接地；ADC的数字地和模拟地在ADC近使用0欧电阻进行单点接地。

(2)编码器单元部分上ADC的数字地和模拟地在ADC附近使用0欧电阻进行单点接地；模拟地用0欧电阻与数字地进行单点接地。

(3)主控单元部分的继电器地在继电器驱动器使用0欧电阻与数字地进行单点接地，将多个继电器驱动器的发射级连接在一起形成继电器地，再通过0欧电阻与数字地进行单点连接。

(4)快反单元的控制部分上模拟地用0欧电阻与数字地进行单点接地，ADC的数字地和模拟地在ADC附近使用0欧电阻进行单点接地。

(5)快反单元的驱动部分上正功率地和负功率地作为一个地直接相连形成模拟功率地；此模拟功率地使用0欧电阻在DAC附近与数字地进行单点接地。

本实施方式中，快反单元的驱动信号产生流程如图5，控制器产生的数字控制信号送入数模转换器，转换为随输入控制信号变换的模拟信号，经小信号放大器进行放大后，再经高功率放大器放大，最后送入压电陶瓷。

小信号放大器和高功率放大器的总放大倍数为：

式中V_outmax为压电陶瓷工作时所需的最高电压，V_ref为数模转化器的参考源电压。高功率放大器的放大倍数为：

式中GBP_{high_power}为高功率放大器的增益带宽积，B_{high_power}为高压放大器实际应用的带宽。小信号放大器的带宽大于B_{high_power}，放大倍数为：

本实施方式中，快反单元的传感器信号产生流程如图6所示，应变片的电阻值随压电陶瓷的不同位置表现为不同的电阻值，经电阻电压转换电路后形成微弱的电压信号，经差分放大器进行差模放大后，再经单端信号放大器组进一步放大，然后送入模数转换器，最后送入控制器。单端信号放大器组和差分放大器的总放大倍数为：

式中V_inmax为模数转换器的最高输入电压，V_{ybp_max}为应变片及电阻电压转换电路输出的最大电压值。差分放大器的放大倍数为：

式中GBP_diff为差分放大器的增益带宽积，B_{high_power}为高压放大器实际应用的带宽。小信号放大器的带宽大于B_{high_power}，放大倍数为：

本实施方式中，采用多组DCDC电源模块来产生相关的供电电源，并采用组合的EMI滤波器来滤除开关电源和力矩电机的开关脉冲干扰；针对各部分的特点，采取了不同的接地方式；根据控制过程中所需要的带宽，对压电陶瓷驱动的拓扑结构和应变片的采样电路增益进行了限定。对于信号互联的底台背板，对进行了分区独立走线避免干扰，包含一次电源区、伺服功率区、快反功率区、数字信号区、模拟小信号区、继电器控制区。所述主控单元、编码器单元、伺服单元、快反单元都采用DSP芯片tms320f2812作为主控制器，伺服单元采用力矩电机进行摆扫，快反单元采用基于压电陶瓷的摆镜进行像移补偿；所述的成像单元选用Xilinx公司的FPGA芯片XQR4VSX55_1148来进行控制；供配电单元采用VPT公司的DCDC模块及相关产品；底台背板采用单块线路板上连接多个连接器来实现。

Claims (1)

1.面阵摆扫成像的控制系统，包括主控单元、编码器单元、伺服单元、快反单元、成像单元、供配电单元和底台背板；主控单元通过422通信总线A以菊花链的方式连接编码器单元、伺服单元和快反单元；主控单元通过422通信B以点对点的方式连接成像单元；

所述快反单元包含快反控制器和快反驱动器；

编码器单元通过MCBSP总线与伺服单元连接，所述伺服单元向编码器单元发出控制信号，编码器单元向伺服单元发出应答信号；主控单元和伺服单元通过SPI总线通信，所述主控单元发出的摆扫开始和摆扫结束信号，伺服单元发出的摆扫匀速的信号；快反控制器通过MCBSP总线与主控单元连接，快反控制器通过SPI控制信号控制快反驱动器，主控单元通过控制信号对成像单元进行控制；

陀螺单元通过两组独立的422通信总线分别连接伺服单元和快反单元；

所述供配电单元为主控单元供电；所述供配电单元由三组一次电源及电源回线组成，所述三组一次电源及电源回线分别用于产生伺服驱动电源，压电陶瓷驱动电源以及小功率的数字、模拟和继电器电源，单独采用小功率DCDC模块产生继电器线圈的供电电源；所述伺服驱动电源，采用两组EMI滤波器进行组合滤波；

对所述底台背板进行分区独立走线，包括一次电源区、伺服功率区、快反功率区、数字信号区、模拟小信号区以及继电器控制区，各个区在物理空间上独立；

伺服单元部分的陀螺地使用0欧电阻与数字地进行单点接地；伺服驱动器辅助电源功率地使用0欧电阻与伺服驱动器功率地进行单点接地；ADC的数字地和模拟地在ADC底部使用0欧电阻进行单点接地；

编码器单元部分的ADC的数字地和模拟地在ADC的底部使用0欧电阻进行单点接地；模拟地用0欧电阻与数字地进行单点接地；

主控单元部分的继电器地在继电器驱动器的发射级使用0欧电阻与数字地进行单点接地，将多个继电器驱动器的发射级连接在一起形成继电器地，再通过0欧电阻与数字地进行单点连接；

快反单元的快反控制器部分的模拟地使用0欧电阻与数字地进行单点接地，ADC的数字地和模拟地在ADC底部使用0欧电阻进行单点接地；

快反单元的快反驱动器部分的正功率地和负功率地作为一个地直接相连形成模拟功率地，所述模拟功率地使用0欧电阻在DAC底部与数字地进行单点接地；

所述快反驱动器的驱动信号产生过程为：

控制器产生的数字控制信号送入数模转换器，转换为随输入控制信号变换的模拟信号，经小信号放大器进行放大后，再经高功率放大器放大，最后送入压电陶瓷；

所述小信号放大器和高功率放大器的总放大倍数k_yd为：

式中，V_outmax为压电陶瓷工作时的最高电压，V_ref为数模转换器的参考源电压；

所述高功率放大器的放大倍数k_{high_power}为：

式中，GBP_{high_power}为高功率放大器的增益带宽积，B_{high_power}为高功率放大器实际应用的带宽；

所述小信号放大器的带宽大于高功率放大器实际应用的带宽B_{high_power}，小信号放大器放大倍数k_{small_signal}为：

快反控制器中的传感器信号产生过程为：应变片的电阻值随压电陶瓷的不同位置表现为不同的电阻值，经电阻电压转换电路后形成电压信号，经差分放大器进行差模放大后，再经单端信号放大器组进一步放大，然后送入模数转换器，最后送入控制器；

所述单端信号放大器组和差分放大器的总放大倍数k_ybp为：

式中，V_inmax为模数转换器的最高输入电压，V_{ybp_max}为应变片及电阻电压转换电路输出的最大电压值；

差分放大器的放大倍数k_diff为：

式中，GBP_diff为差分放大器的增益带宽积，B_{high_power}为小信号放大器的带宽大于高功率放大器实际应用的带宽B_{high_power}，小信号放大器的放大倍数为：

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