激光跟蹤儀兩級雙軸聯動閉環控制系統研究

楊 艷，黃 劼，曾 力

（四川大學制造科學與工程學院，四川 成都 610065）

0引言

激光跟蹤儀是隨著現代科學技術發展而設計研發的高精度測量儀器，具有測量精度高，測量距離遠，可現場測量，動、靜態測量方式兼備等特點，在航空航天、重型機械、發電設備、船舶工業生產等領域有重要的應用價值[1]。但因其是隨動系統，要求轉動慣量小，保持高靈敏度的同時還要擁有很高的測量精度。為了滿足這些要求，在機械結構設計方面采用了兩級聯動控制方式[2]，在控制方面選擇了三環校正的閉環控制系統以及雙極性PWM控制方式。

1 兩級雙軸聯動系統

激光跟蹤儀測量系統要求定點跟蹤角度控制誤差不大于1″，動態跟蹤角度控制誤差不大于2″，并且因其運動控制測量系統是隨動系統，要求轉動慣量小，低速性能穩定，響應速度快。

該跟蹤控制系統所需的驅動機構輸出功率不大，但要求驅動機構有高的轉角精度和良好的動態響應，因此驅動機構第1級采用直流力矩電機，它能夠長期處于堵轉工作狀態，具有反應速度快、轉矩和轉速波動小、線性度好、能在很低轉速下穩定運行的優點[3]。該機構中的控制機構直流力矩電機是一種由伺服電動機和驅動電機相結合形成的特殊電機，可以不用齒輪的減速機構，使電機與負載軸直接耦合，消除了由于齒隙而引起的非線性因素，可使系統的放大倍數做得很高而保持系統的穩定，同時由于直接驅動縮短了傳動鏈，提高了裝置的機械耦合剛度，減少了傳動部件的彈性變形，因此具有高的速度、位置精度和快速動態響應性[4-5]。單獨使用力矩電機無法滿足儀器的精度要求，在設計時選擇音圈電機作為第2級控制，音圈電機的動子質量輕且機械慣性小，具有良好的動靜態性能和控制特性，與閉環控制系統相結合，可實現高精度的速度伺服控制，在光學測量系統、空間遙感儀器等方面都有著廣泛的應用[6]。如圖1所示，跟蹤測量時，水平轉軸和垂直轉軸都由各自的第1級控制機構粗調，當跟蹤角度控制精度達到30″后，再由第2級控制機構進行精調達到1″的控制精度。因為激光跟蹤儀控制系統跟蹤在三維空間移動的反射鏡，因此必須依靠水平轉軸和垂直轉軸聯合協作才能正常跟蹤，這種采用分級協作的跟蹤控制方法稱為兩級雙軸聯動控制系統。

圖1 兩級雙軸聯動控制總體方案圖

力矩電機和直線音圈電機安裝結構如圖2所示。力矩電機直接固定在轉軸上，轉軸隨力矩電機旋轉而旋轉。直線音圈電機通過彈簧片與電磁鐵相連接，電磁鐵與音圈電機驅動盤距離很近，音圈電機制動盤固定轉軸上。電磁鐵通電吸附在音圈制動盤上，音圈電機就可以通過對音圈電機制動盤的推動作用起到精確調節作用。

圖2 兩級驅動機構安裝結構圖

2 兩級雙軸聯動控制系統原理

2.1 三環校正閉環控制系統

當激光跟蹤儀測量系統處于動態跟蹤模式時，反射鏡隨測量目標運動時測量光的返回光產生位置偏差，PSD傳感器采集偏差量并處理輸入到控制系統中，輸入信號經位置環、速度環和電流環校正后進行PI調節，生成雙極性PWM控制執行機構完成閉環控制（定點位置跟蹤模式是以光電編碼器數據與需要定位的定點位置數據之差作為輸入信號）。控制流程圖如圖3所示。

激光跟蹤儀控制系統是基于三環校正的閉環控制系統，即電流環、位置環和速度環的閉環控制系統。電流環是檢測電機電樞電流，通過對電流的監控達到監控電機力矩的反饋回路，電流環一般作為控制系統的內環，這對轉動慣量大的電機來說非常有用，可以使電機一直以固定或期望的電流進行運轉，驅動電流不會因為負載的變化而變化。電流環主要由霍爾器件組成，通過有源運算放大電路將電流信號轉換成電壓信號，某些電路中由于電流方向可能會改變，一般再通過加法電路將電壓信號轉換成可以測量的正電壓信號。速度環是通過檢測電機轉速達到調節作用的反饋回路，通過速度環的監控，可以實現無靜差調速，對負載變化引起的速度變化具有較強的抑制作用等。速度環采用絕對式光電編碼器來檢測轉速變化，絕對式光電編碼器具有精度較高、斷電后有數據保持功能等特點。位置環是高精度伺服控制中比較重要的反饋環節，主要實現對目標指令的快速、準確跟蹤定位，通過設計適當的位置環調節，可改善系統的頻率響應特性，達到要求的動、靜態性能。

圖3 控制流程圖

2.2 基于數字PI調節的閉環控制

PID控制是指在系統控制中按偏差的比例、積分和微分運算來進行控制的方法，由于PID控制結構簡單，參數調節方便，是成熟且應用廣泛的調節技術，并可以根據經驗進行在線調試，以得到滿意的控制效果。通常依據控制器的輸出與執行機構的對應關系，將標準的數字PID算法分為位置PID和增量式PID兩種[6-9]。

激光跟蹤儀跟蹤控制系統輸入量為PSD偏差信號或定點位置數據，控制算法采用增量式PI調節，比例調節環節能對偏差做出瞬間快速反應，偏差一旦產生，調節器產生控制作用使控制量向著減小偏差的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數Kp。積分調節環節把偏差累積的結果作為輸出，只要偏差存在，積分器的輸出就會不斷增大，直至偏差為零時才停止作用。因此，積分環節能消除系統的靜差，但會降低系統的響應速度，增加系統輸出的超調。

2.3 雙極性PWM控制方式

跟蹤控制系統應具有動態跟蹤和靜態保持的能力，同時還必須具有較高的跟蹤精度，用一般的模擬控制方案很難達到精度要求。隨著電子技術的發展，電機控制技術發展到現在已經有很多技術，數字式控制是基于微處理器或微控制器通過算法生成PWM脈沖，利用PWM脈沖輸出對執行機構進行控制，控制信號皆以數字方式傳輸，受外界干擾較小，且配合位置、速度反饋回路可以實現高精度的動態控制[10-11]。

激光跟蹤儀跟蹤控制系統采用雙極性PWM控制方式H形結構。該方式的優點是電流一定連續，可使電機正轉和反轉，電動機停轉時仍有電流通過，電機處于高頻微振動狀態，這種狀態能消除摩擦死區；低速時每個IGBT管的驅動脈沖仍較寬，有利于保證IGBT管可靠導通；低速平穩性好，調速范圍很寬[12]。H型雙極模式PWM控制的功率轉換電路原理圖如圖4所示。它由4個大功率晶體管（V1、V2、V3、V4）和 4 個續流二級管（VD1、VD2、VD3、VD4）組成。4個晶體管分成2組，V1和V4為一組、V2和V3為另一組。同一組的2個晶體管同時導通、關斷，2組晶體管交替導通和截止信號。

圖4 H型雙極性PWM控制工作原理圖

激光跟蹤儀軸系部分的負載較小，電機工作在輕載模式下，對H型雙極模式PWM控制的工作過程進行描述，其中電動機的電壓和電流波形變化如圖5 所示。當 0≤tEg）時，電樞電流 is沿回路 1（經 V1和 V4）從 a 流向 b，電動機工作在電動狀態。當 t1≤t

圖5 電動機電壓、電流波形圖

在實驗室環境下，對所研制的激光跟蹤系統進行了靜態跟蹤精度的測量，實驗數據如表1所示。

表1 靜態跟蹤精度的測量結果

通過實驗驗證，該控制方式下的激光跟蹤儀的精度已經達到預期要求。

3 結束語

激光跟蹤儀測量系統具有測量精度高、測量速度快、方便移動等特點，在航空航天、汽車制造、電子工業、高能粒子加速器工程以及大尺寸計算等行業中，均有廣泛應用。隨著科學技術的進步，激光跟蹤儀測量系統向尺寸小型化、精度更高方向發展，具有非常好的發展前景。

軸系控制精度是激光跟蹤儀測距系統測量精度的主要影響因素，該系統兩級雙軸聯動控制方案設計激光跟蹤儀跟蹤控制系統，通過先粗調再精調的方式以達到測量精度，控制算法采用加入三環校正的PI調節算法。激光跟蹤儀測距系統雖然達到了預期的效果，但動態時測量速度仍有待提高。

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