紅外熱成像系統中高速掃描器的伺服控制設計

李凌杰，陳菲菲，易文軒

(華北光電技術研究所，北京100015)

1 引言

近年來掃描型紅外焦平面探測器技術的發展和器件的產品化及國產化進程引人注目，在熱像儀市場中占有不小的份額。目前的掃描型紅外焦平面熱成像系統大多采用焦平面探測器結合一維光機掃描的方式，掃描器是整個光機掃描中的核心組件。

以國外GSI公司的G120掃描器為例，該掃描器是通用型掃描器，體積大、功耗大、成本和維修維護費用高，并且由于是標準貨架產品，不利于熱成像系統的集成。而國產掃描器主要針對激光打標市場，同樣存在體積、功耗、環境適應性達不到要求，成本較高等一系列問題。為了降低成本，減小功耗、體積，提高產品本身功能、外型的可塑性，提高環境適應性，本文設計完成了采用雙閉環反饋的高速掃描控制伺服系統，并在較低功耗下達到了掃描頻率50 Hz、機械角度 ±10°、掃描效率85%的性能要求。

2 伺服控制原理

整個伺服控制系統的原理框圖如圖1所示。

圖1 控制原理框圖

整個伺服控制系統共完成了四個閉環反饋，包括角度信號的反饋、AGC電流分量的反饋、電機電流信號反饋和電機速度信號反饋［1］。其中角度信號的反饋及AGC電流分量的反饋屬于功能性反饋，是完成閉環控制和電機內部電路要求所必須的，而電機電流信號和電機速度信號的雙閉環控制引入有利于提高整個系統的性能。這種雙閉環控制配合經典PID的控制方法在很大程度上保證了伺服系統的穩態精度和動態響應特性［2］。

2.1 角度位置信號檢測

由于從振鏡電機內部的光電式位置傳感器返回的是微弱電流信號，因而需要經過角度檢測模塊電路做信號調理，將其轉換為真實的角度位置信號。同時將角度位置信號一分為二，一路與輸入信號進行差分放大并將結果做為PID控制模塊的輸入;另一路則經過AGC控制模塊變為電流信號反饋回振鏡電機，與光電式位置傳感器輸出的微弱電流信號形成一個小的閉環。

2.2 信號調理電路

對誤差信號采用PID控制方法，即由比例放大、積分和微分三部分構成。比例放大部分直接作用于誤差信號，將其放大或縮小后送入后端，直接對電機的偏差大小產生作用;積分部分則對過去一段時間內的整體全局性偏差做出反應;微分部分對突然出現的瞬態快速錯誤做出快速響應。實際調試時給伺服控制系統加入階躍信號或周期較長的方波信號，根據反饋波形的變化確定PID三部分的參數，及在整個控制信號中各自所占比例的大小，排除飽和失真等原因引起的振蕩，確保系統平穩快速運行。對于整個控制系統而言，P和D的影響較I要更為迅速明顯［3］。

雙閉環控制的來源是對實際流過電機的電流進行采樣后得來的，分為轉速反饋和電流環反饋兩部分［4］。

轉速微分反饋校正電路。在電機中由于電機電流與電機轉軸的加速度成正比，在控制中首先要對實際流過電機的電流進行采樣，然后用積分電路對電機電流的采樣信號進行運算，從而得到電機的速度信號，在經過一定的轉換就得到了表征電機轉動速度微分量的信號，將其反饋至增益放大模塊的輸入端，做為系統的高頻阻尼源;同時由PID控制模塊中的誤差微分電路為系統提供低頻阻尼源［5］。調節高、低頻阻尼源使伺服控制系統工作于臨界阻尼狀態，進而獲得良好的穩態及動態性能。其次由于轉速微分反饋校正電路的帶寬正比與系統的響應速度，帶寬約大響應速度越快，調節這部分電路的帶寬就可以相應地改善系統的響應速度。

電流環反饋校正電路。將流過電機的電流采樣信號經過一個近似微分電路后，反饋至功率放大模塊電路的輸入端，由其給系統提供反映電機電流的變化趨勢，并使反饋電流超前一定的相位，以補償電機線圈電感對電流的滯后作用。保證控制信號對功率放大器輸出電流的線性控制。

2.3 陷波濾波電路

濾波模塊電路是為了在必要的時候削弱由電機轉子和所裝載鏡片引起的扭轉共振影響，提高整個系統的響應速度。掃描器振鏡系統的扭轉共振頻率可以理解為一種電機轉子的扭曲、翹曲，當整個系統工作在足夠大的帶寬或足夠快的速度時，這種扭曲將使伺服系統處于不穩定的工作狀態，甚至振蕩，這就是需要采用濾波模塊電路的原因，也是該部分電路所要完成的功能。

2.4 功率放大電路

功率放大模塊電路圖如圖2所示，設計中使用了國家半導體公司的高性能功率放大器LM3886TF，采用負反饋、單端驅動電機的方式，功放的輸出端接到電機正極，電機負極直接接地［6］。在功放輸出端和電機正極之間串連一個5 A的快速熔斷保險絲，防止異常情況下電流過大損壞電機。

圖2 功率放大模塊電路

3 掃描器性能測試與比較

3.1 傳統的大小信號性能測試

利用幅值不同的50 Hz方波信號做為輸入信號，主要測試掃描器的響應速度及準確度和角度較大時的SOF(安全工作區域)。

3.1.1 小信號測試

系統引入頻率50 Hz，峰峰值1 V，以0 V為中心的方波信號。調節控制系統中的P、I、D、帶寬及高頻阻尼源電位器，使系統處于臨界阻尼狀態，如圖3所示。

圖3 小信號測試

圖3中ch3和ch1分別是輸入和輸出信號，示波器顯示兩路信號Scale均為500 mv/div，時間軸為4 ms/div。從波形上觀察，響應時間約為1.6 ms，波形的上升沿、下降沿平滑，沒有超調現象，系統處于臨界阻尼狀態，達到小信號設計要求。

3.1.2 大信號測試

系統引入頻率50 Hz，峰峰值10 V，以0 V為中心的方波信號。調節控制系統中的P、I、D、帶寬及高頻阻尼源電位器，使系統處于臨界阻尼狀態，如圖4。圖4中ch3和ch1分別是輸入和輸出信號，示波器顯示兩路信號 Scale均為5 v/div，時間軸為4 ms/div。從波形上觀察，響應時間約為1.6 ms，波形的上升沿、下降沿平滑，沒有超調現象，系統處于臨界阻尼狀態，達到大信號設計要求。

圖4 大信號測試

3.2 同類產品比較測試

在比較測試中，比較對象選用目前幀頻為50 Hz的熱像儀中普遍用到的GSI公司G 120掃描器。將實際熱像儀應用的鋸齒波信號輸入到 GSI公司的G 120掃描器和自研的掃描器中，主要從響應時間、線性度、功耗等方面比較。輸入信號為50 Hz的鋸齒波，由于兩個掃描器的輸入輸出增益比例不同，故G 120輸入波形的峰峰值為3 V，自研掃描器輸入波形的峰峰值為20 V，但兩個掃描器實際擺動機械角度相同，均為±10°。圖5、圖6中橫軸方向均為4 ms/div。對比兩幅波形圖可以發現，兩個掃描器在線性度方面都很不錯，但是圖6中回程時間明顯為一格即4 ms，而圖5中的回程時間僅為2.6 ms。參數對比如表1所示。

圖5 自研掃描器

圖6 G120掃描器

表1 參數對比

圖7為使用了自研掃描器的實際紅外圖像，圖像穩定，整個畫面線性度良好。圖8是為了與圖7做對比，仔細觀察可以發現圖8右側的電烙鐵處有明顯鋸齒，其原因就是掃描器在該處的掃描線性不好所致，因而對于成像質量來說掃描線性是非常重要的。

圖7 自研掃描器實際掃描成像

圖8 線性較差圖像

具體控制電路及電機體積大小的比較如圖9所示。自研的掃描器在這兩方面均優于G120掃描器，而實際成本僅為G120掃描器的1/4。

圖9 實物大小比較

3 總結

綜上所述，通過掃描器自身性能的縱向比較即大小信號測試，以及與同類產品在各方面的橫向比較，證明采用了雙閉環反饋結合PID控制模式和動磁式光電振鏡電機的自研掃描器各項指標完全滿足設計要求。在掃描型熱成像領域，做為一款高速、大角度掃描的自研掃描器，在降低成本，減小功耗、體積，提高產品本身功能、外型的可塑性，提高環境適應性等方面填補了空白。

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