多掃描周期擺鏡伺服系統設計與實現

王志林，楊 帆，蔣 礫，羅志斌，朱光明

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多掃描周期擺鏡伺服系統設計與實現

王志林，楊 帆，蔣 礫，羅志斌，朱光明

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

掃描擺鏡伺服系統是掃描型熱像儀的核心部件之一，掃描擺鏡擺動周期需適應熱像儀視頻制式的要求。為了支持掃描型熱像不同速率視頻輸出的需求，基于雙向掃描擺動方式，設計并實現了多掃描周期擺鏡伺服系統。給出了基于FPGA、MCU構架的硬件方案、目標軌跡特性及控制算法的設計方法。實驗測試結果表明本掃描擺鏡伺服系統具有跟蹤精度高、頻率切換時間短和運行穩定等特點，具有很強的工程實踐性。

掃描擺動；雙向掃描；狀態反饋；前饋控制器

0 引言

基于凝視型焦平面探測器的熱像儀不采用復雜的光機掃描機構，簡化了系統設計[1]，但是凝視型探測器同時也具有成本較高、均勻性差[2-4]和盲元多[5-6]等缺點。掃描型探測器較之凝視型探測器由于探測元的大幅度減少，器件成本低，非均勻性處理和盲元替換易于實現，掃描型熱像儀仍是紅外夜視技術中極具性價比的解決方案。

掃描型探測器主要有線列（128×1）與帶TDI的N系列（288×4）兩類，必須采用“時間換空間”的策略，光機掃描器作為掃描型熱像的重要組成部分即完成該功能[7]。光機掃描器的類型主要有：擺動平面鏡、旋轉鏡鼓、旋轉折射棱鏡和旋轉折射光楔等[7]，其中以擺動平面鏡最為常見，也稱為掃描擺鏡。掃描擺鏡的擺動頻率和擺動方式與掃描型熱像的圖像幀頻相關。掃描擺鏡的運動軌跡主要有2種，鋸齒波與三角波，鋸齒波擺動即為單向掃描，三角波擺動方式也成為雙向掃描。兩者的特點是鋸齒波的帶寬較大，探測器積分區間線性度難以保證，系統設計難度大；三角波的帶寬較窄，但要求探測器具有雙向積分功能，并且支持積分方向的場周期切換。為了保證良好的擺動線性度，本文采用雙向擺動方式進行擺鏡伺服系統的設計。

區別于傳統單一掃描周期擺鏡伺服系統，本文設計實現多掃描周期擺鏡伺服系統，在低頻擺動階段可提供較大的擺動范圍，用于目標搜索；在高頻擺動階段，提供高速時間采樣頻率，用于追蹤快速運動目標，可有效降低目標在低頻采樣間隙內逃逸的風險。介紹了基于FPGA、MCU構架的多掃描周期擺鏡伺服組成與原理、詳細分析了被控對象的組成環節，建立了準確的被控對象線性模型，并基于狀態觀測器與前饋校正的復合控制手段完成了算法設計。系統的特點是擺動線性度高、擺動頻率切換迅速，同時可對外提供精確的擺鏡軌跡相位信號，便于系統集成。

1 掃描擺鏡伺服系統組成原理

1.1 系統組成

伺服系統主要由3部分組成：掃描器組件、驅動電路和運算控制電路，系統構成如圖1所示。

圖1 掃描擺鏡伺服系統框圖

掃描器組件的核心是永磁式有限擺角力矩電機和位置傳感電路，可實現擺鏡的驅動及位置測量并對外提供擺鏡位置數據傳輸接口，其構成原理如圖2所示。驅動電路屬于控制環路中的電流環，功能是完成控制電壓到控制電流的轉換，并將電流控制信號輸出到擺動電機，其輸入電壓控制信號來自運算控制電路。運算控制電路上的核心器件為FPGA與MCU，MCU內存中包含了擺鏡的目標軌跡，依據FPGA在中斷時刻提供的擺動頻率、目標索引與擺鏡的實際位置等信號，運行控制算法，輸出控制電壓。

1.2 軟件原理說明

軟件部分包含FPGA軟件與MCU軟件。FPGA采用低成本的Spartan6系列器件實現，時鐘管理模塊產生16.8MHz的工作時鐘，并向MCU及其他模塊提供16.8kHz周期信號；擺鏡接口模塊提供掃描組件接口的時鐘信號，并在在檢測到16.8kHz周期信號的上升沿后，產生掃描擺鏡位置采樣信號，進行一次位置采集與接收，將12bits的位置數據緩存，提供給MCU接口模塊；索引生成模塊根據擺動頻率選擇信號與16.8kHz脈沖信號生成目標軌跡查找表的索引號提供給MCU接口模塊，并對外提供場同步信號，軌跡索引為9bits的無符號數，可給出0～511的索引號，對16.8kHz脈沖信號進行計數，并在場同步信號開始處清零。索引生成模塊輸出場同步信號，便于與上位系統集成，同時將擺動頻率選擇信號與索引信號組成一個12bits的數據發給MCU接口模塊。圖3顯示了場同步信號、軌跡索引信號與擺動頻率選擇信號之間的關系以及擺鏡由高頻到低頻、低頻到高頻進行切換時的各個信號與數據之間的時序關系。

圖2 掃描擺鏡組件原理

圖3 索引生成模塊的各信號時序關系

MCU接口模塊負責FPGA與MCU之間的數據傳遞，包含的引線有：輸出到MCU的12bits的數據信號、1bit中斷信號；由MCU輸入的1bit數據選擇信號。MCU接口模塊在檢測到16.8kHz的上升沿后，將索引生成模塊的12bits數據掛接在MCU的數據接口上，同時向MCU發送中斷信號，之后檢測到數據選擇信號置高后，再將擺鏡接口模塊提供的12bits位置數據掛接在數據接口上。

運算控制電路的MCU采用德州儀器piccolo系列的F28035實現，該型號MCU兼有小封裝高性能特點，時鐘上限為60MHz，支持浮點運算。MCU采用的外部時鐘源頻率為16.8MHz，采用控制芯片內部鎖相環倍頻3倍得到50.4MHz時鐘作為MCU的運行時鐘。中斷運算頻率為16.8kHz，當擺動頻率為25Hz時，每個擺動周期包含的中斷周期數為672，同時該數值也是25Hz目標軌跡的離散化樣點數。進入到中斷服務程序后，MCU首先讀取FPGA發送的掃描頻率與目標值索引數據，根據掃描頻率信號，確定目標軌跡查找表，依據9bits的索引數據，找到查找表中的當前時刻的目標值；之后設定數據選擇IO為高電平，通知FPGA輸入位置反饋數據，MCU在獲取了位置反饋數據后即可運行掃描控制算法，計算出控制量，發送到驅動電路；最后，程序設置數據選擇IO為低電平，并清除中斷標志，退出中斷。

2 掃描擺鏡目標軌跡與控制系統帶寬

目標軌跡是掃描擺鏡的跟蹤軌跡，也就是在時間軸上，掃描擺鏡位置傳感器的位置測量數值需與目標軌跡保持一致，誤差越小，則跟蹤的性能越好。設計目標軌跡主要用到3個重要參數：線性區掃描速度line、線性區最大角度line以及掃描周期cyc。目標軌跡的設計原則是盡可能占據少的帶寬，一方面，目標軌跡的帶寬制約閉環控制系統的設計帶寬b，b越小，則進入到系統的噪聲越小，可提高系統抑制噪聲的能力；另一方面，目標軌跡的變化越平緩，則掃描電機所需的電壓與電流就越小，可有效降低功耗。本文僅給出25Hz與75Hz目標軌跡特性，具體參數如下，掃描速度：0.38°/ms；25Hz線性區最大擺角：±3.42°；75Hz線性區最大擺角：±0.95°?？梢杂嬎愠鰭呙栊剩?/p>

設計得到的掃描軌跡如圖4。

對25Hz目標軌跡進行傅里葉級數分解[8]，得到的頻譜圖如圖5所示。

可見隨著頻率的增加，幅度迅速衰減，功率集中于低頻區域。仿真得出采用16（包含直流分量）條譜線即可復現25Hz目標軌跡，因此25Hz目標軌跡帶寬為：

b 25 Hz＝2p×25×(16－1)＝2356rad/s

采用同樣的方法可以得出采用9條譜線可復現75Hz目標軌跡，其帶寬為：

b 75 Hz＝2p×75×(9－1)＝3770rad/s

閉環控制系統的帶寬在滿足各個目標軌跡的最大帶寬需求，同時又不能過寬，否則一方面設計難度大，另一方面過大的帶寬易受噪聲的影響，不利于系統線性度與穩定性。

3 控制算法設計

3.1 被控對象模型

電壓平衡方程表述了擺動電機輸入電壓到繞組電流的轉換關系，由于采用了驅動電路完成電壓到電流的控制，其作用相當于一個壓控電流源，可以采用一階慣性環節進行描述，如下：

式中：d為電壓到電流轉換增益；d描述了轉換的延時。繞組電流到輸出角度之間的關系由力矩平衡方程為[9-10]：

式中：為擺鏡角度，rad；為轉動部件總轉動慣量，kg×m2；f為速度阻尼系數，N×m×s×rad－1；t為撓性樞軸扭轉剛度，N×m×rad－1；為電磁轉矩，N×m。

＝Ki(5)

式中：T為電機轉矩常數，N×m×A－1；為繞組電流，A。力矩方程的拉式變化如下：

可以得到被控對象的總體方程為：

即：

被控對象的階躍響應特性如圖6。

圖5 25Hz目標軌跡頻譜

圖6 被控對象時域特性

3.2 控制器設計

在進行控制器設計時，分別嘗試了PID與串聯超前、滯后校正等手段[11]，但由于系統對帶寬與穩定性有較高的要求，以上幾種方法的設計難度較大，效果不明顯。考慮到被控對象滿足可控可觀的要求，因此采用狀態反饋的方式，對被控對象的極點進行重新分配[11-13]，之后根據穩態誤差的要求設計開環增益，在滿足相位裕量的前提下，盡可能取較大的開環增益。將傳遞函數模型轉化為標準可控型狀態方程：

利用全維狀態觀測器提供的狀態變量，對被控對象的極點進行重新配置：

完成極點重配的被控對象稱為被控系統，得到重配極點后被控系統狀態方程：

(－)的特征根即為期望的新極點位置。極點位置決定了被控對象的頻譜特性，極點重配的原則是使低頻增益盡量大，以保證穩態誤差的要求，中頻段對數幅頻特性的斜率一般為－20dB/dec，并占據充分的帶寬，以保證具備充裕的相角裕度，高頻段迅速衰減，以減小噪聲的影響。較為合適的新極點位置如圖7所示。

圖7 極點重配

相應的開環傳遞函數伯德圖如圖8所示。

圖8 開環傳遞函數的頻率特性

最終得到的系統控制參數如表1。

表1 控制系統參數

可見系統的幅值裕度與相角裕度充分，能保證閉環系統的穩定性，同時帶寬也覆蓋了25Hz與75Hz目標軌跡的最大帶寬要求。開環增益與系統的穩態誤差相關，開環增益越大誤差越小，同時也對系統穩定性造成影響，故不宜過大。有效的方法是采用前饋校正器進一步減小誤差[14]，所采用前饋校正器原理如圖9所示。

圖9 前饋校正器

可以計算出輸入到誤差的傳遞函數為：

使右側為零，則有：

前饋傳遞函數實際上是被控系統的逆系統，而被控系統由被控對象極點重配得到，仍然為三階傳遞函數，即()包含了常數項、一次微分項至三次微分項。由于()逆系統中常數項與三次微分項的比重很小，則簡化得到前饋控制器的傳遞函數為：

(s)＝s＋s2(14)

式中：s相主要用于補償軌跡線性區的誤差；s2主要用于補償軌跡非線性區誤差。圖10顯示了被控系統有無前饋下的仿真效果對比。

圖10 前饋校正的作用

4 實現效果

將整個控制算法離散化處理后，采用C語言重新描述算法，在CCS環境下完成編譯鏈接，生成可執行程序，并移植到MCU芯片flash中。采用示波器測量同步信號與位置測試信號，得到擺鏡跟蹤目標軌跡的實際效果圖，圖11、圖12為示波器顯示的25Hz、75Hz掃描模式時的擺鏡位置信息與場同步信號，擺鏡的跟蹤特性較好，跟蹤軌跡無畸變，線性區跟蹤角度誤差控制在（－0.005°, 0.005°）內。

圖13、圖14顯示了擺動頻率切換過程，示波器顯示了切換命令信號線、擺鏡位置反饋與場同步信號的變化情況。

可以看到擺鏡頻率切換時間極短，自收到切換命令起，會在一個當前周期時間內完成切換任務，同時，頻率切換未對掃描擺鏡線性度造成沖擊，在切換完畢后的第一個周期即保持了良好的線性性能。

圖11 25Hz擺鏡位置反饋與場同步信號

圖12 75Hz擺鏡位置反饋與場同步信號

圖13 25Hz掃描頻率向75Hz掃描頻率切換

圖14 75Hz掃描頻率向25Hz掃描頻率切換

5 結論

本文根據熱像系統的實際需求，進行了多擺動周期掃描伺服系統的設計與實現，采用FPGA、MCU構架完成了接口與控制功能，結構緊湊，便于嵌入熱像系統中，并且測試效果表明在跟蹤精度、切換速度及抗干擾性方面表現良好。但是由于掃描器組件所提供的擺鏡位置頻率是固定的，進而決定了控制算法的離散化周期，粒度過粗的控制、位置采樣周期不利于更高頻率與更大擺角控制系統的設計與實現，因此基于更高位置采樣頻率的掃描器組件，依據不同的擺動頻率開發變中斷周期控制系統是后續研究的重點。

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Design and Implement of a Multi-swing Cycle Scanning Servo System

WANG Zhilin，YANG Fan，JIANG Li，LUO Zhibin，ZHU Guangming

(,650223,)

Scanning servo system is one of the core components of the scanning thermal imager. Scanning mirror swing cycle needs to adapt to the imager video system requirements. In order to meet the needs of multi-rate scanning thermal imaging video output, a multi-swing cycle scanning servo system is designed and achieved based on bi-directional swing scanning mode. This paper presents the hardware components of the servo system, characteristics of the target trajectory and the method of designing the control algorithm. With FPGA-MCU architecture, the servo system is implemented. The test results show that the servo system has the characteristics of high tracking accuracy, short frequency switching time, good stability characteristics and high practical value.

scan swing，bi-directional scanning，state feedback，feed-forward controller

TN216

A

1001-8891(2016)01-0071-06

2015-07-04；

2015-10-26.

王志林（1986-），男，滿族，河北省承德，碩士，主要研究方向：光電伺服系統控制，E-mail：kwzx_wzl@sina.cn。