基于直流力矩電機(jī)快速定位光電伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張恩東,李 焱,張玉東,陳 寧,李 珍

(1．長春工業(yè)大學(xué)，長春 130012; 2．中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033; 3.北京鼎漢技術(shù)有限公司，北京 100070)

基于直流力矩電機(jī)快速定位光電伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張恩東1,李 焱2,張玉東3,陳 寧2,李 珍2

(1．長春工業(yè)大學(xué)，長春 130012; 2．中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033; 3.北京鼎漢技術(shù)有限公司，北京 100070)

光電設(shè)備大角度失調(diào)時(shí)需要快速定位來重新捕獲跟蹤目標(biāo)。傳統(tǒng)的方法為Bang-Bang控制，單Bang-Bang控制在精確定位時(shí)，極易出現(xiàn)抖振現(xiàn)象，針對(duì)這一不足，基于直流力矩電機(jī)提出了一種雙模控制，即大角度調(diào)轉(zhuǎn)時(shí)采用非線性Bang-Bang控制，在精定位，且目標(biāo)滿足圖像提取閾值時(shí)，切換為線性控制，線性控制分為兩個(gè)階段，在紅外捕獲過程中，位置回路采用一階調(diào)節(jié)器，在紅外跟蹤環(huán)節(jié)，位置回路切換為二階調(diào)節(jié)器，并結(jié)合脫靶量信息完成紅外捕獲、跟蹤的閉環(huán)控制。通過試驗(yàn)，在給定的某直流力矩電機(jī)的基礎(chǔ)上，加以雙模控制和文章給定的切換準(zhǔn)則，光電設(shè)備180°快速定位在1.9 s左右，比傳統(tǒng)方法縮短了近0.5 s，快速性大大提高，同時(shí)利用激光測(cè)距機(jī)可以給出舷角相差180°的單目標(biāo)三維信息數(shù)據(jù)率為0.53 Hz，穩(wěn)定性達(dá)到設(shè)計(jì)要求，提高了快速定位時(shí)光電對(duì)抗能力。

快速定位；Bang-Bang控制；直流力矩電機(jī)；雙模控制；三維信息

0 引 言

光電設(shè)備大角度失調(diào)時(shí)需要快速定位來重新捕獲跟蹤目標(biāo)。傳統(tǒng)的控制方式是Bang-Bang控制，在系統(tǒng)偏差大時(shí)Bang-Bang控制可以加大對(duì)系統(tǒng)的控制力度，提高系統(tǒng)的快速性。文獻(xiàn)[1]將Bang-Bang控制應(yīng)用到雷達(dá)，利用相平面法分析了Bang-Bang控制的不足；文獻(xiàn)[2]針對(duì)光電設(shè)備的快速定位提出了一種非線性控制和線性控制結(jié)合的方法，但是對(duì)線性控制并沒有進(jìn)行詳細(xì)介紹，試驗(yàn)結(jié)果不盡人意。文獻(xiàn)[3]針對(duì)步進(jìn)電機(jī)，提出一種小偏差控制策略，但是具有很大的局限性。文獻(xiàn)[4]針對(duì)位置伺服系統(tǒng)提出了一種新的快速定位的方法，即在復(fù)合控制的基礎(chǔ)上，增加一自適應(yīng)前置濾波器以改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能,實(shí)現(xiàn)快速定位及跟蹤，但是僅僅停留在理論及仿真上，并未在實(shí)際工程中加以應(yīng)用。文獻(xiàn)[5]基于Bang-Bang控制原理，采用廉價(jià)編碼盤實(shí)現(xiàn)高性能快速定位最優(yōu)系統(tǒng)，但是定位精度低，不適用于光電跟蹤設(shè)備。

本文首先分析了Bang-Bang控制的原理和不足，在此基礎(chǔ)上基于直流力矩電機(jī)提出了一種雙模控制，即大角度調(diào)轉(zhuǎn)時(shí)采用非線性Bang-Bang控制，在精定位，且目標(biāo)滿足圖像提取閾值時(shí)，切換為線性控制，線性控制分為兩個(gè)階段，在紅外捕獲過程中，位置回路采用一階調(diào)節(jié)器，在紅外跟蹤環(huán)節(jié)，位置回路切換為二階調(diào)節(jié)器，并結(jié)合脫靶量信息完成紅外捕獲、跟蹤的閉環(huán)控制。本文同時(shí)給出了非線性Bang-Bang控制和線性控制的最優(yōu)切換準(zhǔn)則，紅外捕獲階段和紅外跟蹤階段的切換準(zhǔn)則，在工程試驗(yàn)中，取得了良好的試驗(yàn)效果，提高了光電設(shè)備大角度快速定位時(shí)光電對(duì)抗能力。

1 雙模控制的控制方法

1.1Bang-Bang控制原理及不足

Bang-Bang控制是最優(yōu)控制中極小值原理的一個(gè)特列。本文首先分析了Bang-Bang控制的原理和其應(yīng)用于光電設(shè)備大角度失調(diào)時(shí)快速定位時(shí)的不足，在此基礎(chǔ)上提出了雙模控制的控制方法，原理圖如圖1所示。

圖1 雙模控制原理圖

設(shè)電機(jī)及跟蹤架的傳遞函數(shù)：

T為速度回路等效時(shí)間常數(shù)。

由Bang-Bang控制的狀態(tài)可知，u=+1時(shí)：

u=-1時(shí)：

歸納式(4)、式(5)可得如下切換方程：

其中：

本系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，所以Δθ=θi-θ，設(shè)θi=0，則Δθ=-θ，將Δθ=-θ帶入式(6)可得：

由式(3)可得開關(guān)線方程：

1.2線性控制的數(shù)字實(shí)現(xiàn)

光電設(shè)備快速定位伺服系統(tǒng)是一個(gè)位置跟隨系統(tǒng)，直流力矩電機(jī)因其力矩大、響應(yīng)快、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)廣泛作為光電設(shè)備的執(zhí)行元件。光電設(shè)備由方位和俯仰兩套獨(dú)立的子系統(tǒng)構(gòu)成，采用速度和位置雙閉環(huán)回路控制，本文數(shù)學(xué)模型的建立以重點(diǎn)研究方位直流力矩電機(jī)為例。光電設(shè)備快速定位伺服系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 光電設(shè)備快速定位伺服系統(tǒng)原理圖

速度回路的作用是減小電機(jī)時(shí)間滯后，提高系統(tǒng)的快速性，通過閉環(huán)，降低力矩等干擾誤差。圖3是速度回路閉環(huán)后的Bode圖-3db處W要大于100即滿足系統(tǒng)穩(wěn)定條件。

圖3 速度回路閉環(huán)波特圖

位置回路的設(shè)計(jì)是要滿足一定速度、加速度下的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。圖4是位置回路閉環(huán)后的Bode圖，閉環(huán)帶寬ωbp=20.2 rad/s。

圖4 位置回路閉環(huán)波特圖

圖5 ark=1 900時(shí)電機(jī)加速曲線

1.4硬件構(gòu)成

控制器采用DSP2812作為CPU核心，該芯片運(yùn)算速度為150 MIPS，使用DSP作為中心處理單元和控制單元大大提高了系統(tǒng)的集成度。通過利用處理器自身資源和擴(kuò)展外圍器件，系統(tǒng)具有4路異步通訊串行接口、24路通用輸入輸出接口、8路PWM輸出接口。其伺服系統(tǒng)硬件原理圖如圖6所示。激光測(cè)距系統(tǒng)采用1.06 μm波長的光源，紅外系統(tǒng)采用像元數(shù)為 的中波紅外焦平面探測(cè)器組件一套，光學(xué)系統(tǒng)的視場均為 ，可實(shí)現(xiàn)跟蹤功能。

圖6 伺服系統(tǒng)硬件原理圖

2 試驗(yàn)與分析

圖7 三種狀態(tài)階躍響應(yīng)

當(dāng)紅外從捕獲階段切換為跟蹤階段時(shí)，開啟激光測(cè)距機(jī)，對(duì)于往返調(diào)轉(zhuǎn)，為了保證激光測(cè)距的準(zhǔn)確性，我們保持4幀，其中激光測(cè)距機(jī)前4幀距離信息中有3幀以上為激光探測(cè)值則激光測(cè)距視為有效。圖8為目標(biāo)跟蹤時(shí)的模擬圖像。

圖8 目標(biāo)跟蹤時(shí)的模擬圖像

圖9是雙模控制時(shí)90°往返定位的錄取報(bào)文的截取片段，讀取報(bào)文可知方位角、俯仰角的位置信息，分析激光測(cè)距反饋的距離信息是否為探測(cè)值可知激光測(cè)距機(jī)反饋距離信息是否穩(wěn)定。

圖9 雙模控制錄取報(bào)文圖

系統(tǒng)要求單180°定位時(shí)，定位時(shí)間不超過3s。對(duì)本系統(tǒng)典型大角度定位能力做出以下統(tǒng)計(jì)，如表1所示。由試驗(yàn)可知，雙模控制下，快速定位能力完全滿足系統(tǒng)要求。

表1 典型定位角度所用實(shí)際時(shí)間

3 結(jié) 語

本文基于直流力矩電機(jī)提出了一種雙模控制，即大角度調(diào)轉(zhuǎn)時(shí)采用非線性Bang-Bang控制，在精定位，且目標(biāo)滿足圖像提取閾值時(shí)，切換為線性控制，線性控制分為兩個(gè)階段，在紅外捕獲過程中，位置回路采用一階調(diào)節(jié)器，在紅外跟蹤環(huán)節(jié)，位置回路切換為二階調(diào)節(jié)器，并結(jié)合脫靶量信息完成紅外捕獲、跟蹤的閉環(huán)控制。通過試驗(yàn)，在給定的某直流力矩電機(jī)的基礎(chǔ)上，加以雙模控制和文章給定的切換準(zhǔn)則，光電設(shè)備180°快速定位在1.9s左右，比傳統(tǒng)方法縮短了近0.5s，快速性大大提高，同時(shí)利用激光測(cè)距機(jī)可以給出舷角相差180°的雙目標(biāo)三維信息數(shù)據(jù)率為0.53Hz，穩(wěn)定性達(dá)到設(shè)計(jì)要求，提高了快速定位時(shí)光電對(duì)抗能力。

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DesignofPhotoelectricFastPositioningServoSystemBasedonDCTorqueMotor

ZHANGEn-dong1，LIYan2，ZHANGYu-dong3，CHENNing2，LIZhen2

(1.Changchun University of Technology,Changchun 130012,China; 2.Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics,CAS,Changchun 130033,China;3.Beijing Dinghan Technology Co.，Ltd.，Beijing 100070，China)

Large angle misalignment of optoelectronic devices need to quickly locate to recapture tracking target. traditional method is using Bang-Bang control, when the Bang-Bang control is precise positioning, the system is not easy to be stable . For this deficiency, this paper presents a kinds of double model control, namely the coarse tracking uses Bang-Bang control, when the extraction threshold of the image satisfied for thecontrast of the target, it switches linear control into the small deviation range, and during the linear control, it puts forward the strategy of infrared an order capturing and infrared second-order tracking depending on the characteristics of different regulators, and combines the IR information to accomplish the closed-loop control of IR tracking. Using this method and the switching criteria what the paper has given, it achieved good results in the experiment, which makes the photoelectric device spend around 1.9 s in 180° position, it is shorter nearly 0.5 s than traditional method, at the same time, the laser rangefinder gives the rate of three-dimensional information about 0.53 Hz, meet the design requirements of stability and improve the optoelectric count measure ability.

fast positioning; Bang-Bang control; DC torque motor; double model control; three-dimensional information

2015-07-23

TM33;TM359.6

：A

：1004-7018(2016)11-0054-03

張恩東(1989-)，男，碩士研究生，主要從事電力電子與電氣傳動(dòng)、艦載光電設(shè)備伺服控制、快速定位伺服控制等研究。