用于激光反射鏡面調節的雙電機控制系統設計

關鍵詞： 反射鏡面調節; 水平旋轉和俯仰角度調節; PID控制; 雙電機控制

中圖分類號： TB9; TP23 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2025）02–0112–06

0 引言

從制造出第一束激光到目前為止，激光已逐步與生物學、醫學、藥學相結合，在激光治療、激光手術、激光診斷、激光制導等方面取得重大成果，并逐步滲透到日常生活中，而在這些研究中，激光光束方向控制是這些應用中非常關鍵的部分[1]。在云臺、機械臂等領域中，往往需要采用雙電機控制技術，實現在兩個方向甚至多個方向的控制[2-4]。Kim等[5]通過在垂直和水平兩個方向安裝8個音圈電機實現六自由度控制，進而設計出一種新型的高精度六自由度磁懸浮雙伺服工作臺。高躍等[6] 基于雙電機伺服驅動關節，設計了一款雙電機伺服驅動的7 自由度協作機械臂，利用遺傳算法對D-H參數公差優化分配，減小了機械臂末端執行器的幾何定位精度誤差。程楊和潘尚峰[7] 采用3個電機來擬合人體肩關節、一個旋轉電機擬合肘關節及腕關節，利用虛擬分解控制理論，將復雜的康復外骨骼機械臂分解為幾個簡單的子系統進行分析及控制。吳偉等[8]也是通過在垂直和水平兩個方向共配置6臺電機，搭建能夠實現六自由度運動的水下機器人模型。

以上研究表明，雙電機控制系統通過將負載均勻地分配到兩個電機上，可以減少系統的震動和擺動，從而提高系統的穩定性和運動精度，雙電機通過控制兩個電機的速度和方向，可以實現多種不同的運動模式。例如，兩個電機可以同步運動，也可以異步運動，實現不同的軌跡和路徑。針對激光反射鏡面水平旋轉和俯仰調節的角度控制需求，設計出一種俯仰角度和水平旋轉角度控制的雙電機控制系統。

1水平與俯仰角度控制模型

雙電機控制系統模型由電機、舵機、鏡面和激光指示器組成，通過各部分之間的聯系實現對激光光束反射調節。系統結構示意圖如圖1 所示。

系統主要通過控制鏡面在水平和俯仰方向的轉動實現對激光光束的反射。水平方向上，系統通過控制電機的旋轉角度D₁，控制反射光束的水平角度α，水平方向的旋轉結示意圖如圖2 所示；俯仰方向上，系統通過控制舵機的轉動角度D₀，控制鏡面俯仰方向的轉動，進而控制反射光路的俯仰角度γ，俯仰方向的轉動示意圖如圖3所示。

在用于激光反射鏡面調節的雙電機控制系統中，反射光束與水平方向的夾角α 與輸入電機角度D₁關系如式（1）所示，反射光束與俯仰方向的夾角γ與輸入舵機角度D₀ 關系如式（2）所示。

雙電機控制系統使激光能夠更快更好的指向目標位置，調節電機內部合適的PID參數，使系統擁有足夠小的系統誤差。

2系統硬件

為設計一個高精度、快速響應的雙電機控制激光鏡面反射系統，需選用一個傳輸數據穩定、性價比高的主控芯片，兩個能夠實現位置控制且需滿足在水平旋轉角度最小分辨率0.03°、俯仰轉動角度最小分辨率0.1°的兩個電機。電機HT-S-4315作為一款內部集成驅動器以及能夠實現位置閉環控制的高可靠性直流無刷電機，控制精度為0.022°同時支持RS485 通信和CAN 通信，適用于系統水平旋轉角度的執行機構；而舵機SM40BL 作為具有位置伺服控制模式的小型直流無刷智能總線伺服電機，最小分辨角度0.088°同時支持USART 通信，適用于系統俯仰轉動角度的執行機構。因此，雙電機控制的激光鏡面反射系統選用舵機SM40BL、電機HTS-4315 作為執行機構，電源模塊、STM32 主控模塊、URT-1 驅動電路模塊作為輔助模塊。

上位機輸出角度控制信息（水平旋轉角度及俯仰轉動角度），控制信息經過STM32模塊處理并傳輸，URT-1 驅動模塊和電機的內置驅動模塊接收控制信息，并將控制信息發送至執行機構（HT-S-4315和SM40BL），系統做出響應，使激光指向目標點[9]。雙電機控制的激光鏡面反射系統結構框圖如圖4所示。

2.1電源模塊

電源模塊主要是保證各個模塊能夠正常工作。為防止電機或舵機中的其中一個電流突然增大，造成另一個出現抖動現象，因此選用兩個電源模塊分別供電。電源模塊1 通過URT-1 驅動模塊給舵機SM40BL 供電；電源模塊2通過電機的內置驅動電路給電機HT-S-4315供電。

2.2主控模塊電路

雙電機控制系統主控芯片包括以下任務：程序下載、程序測試和數據傳輸，其主要包括STM32F103ZET6主控芯片、JTAG 接口、USART、LED電路和內部晶振電路等。STM32F103ZET6 作為主控芯片，為主控模塊提供了豐富的外設[10]，JTAG 作為系統程序的下載接口，LED 電路作為測試程序是否正常運行，內部晶振作為系統的時鐘電路，USART 為系統的數據傳輸提供便利。主控芯片電路框圖如圖5所示。

2.3數據傳輸模塊

2.3.1電機數據傳輸模塊

電機采用RS485 通信進行數據傳輸，控制模式采用電機絕對位置閉環控制，以實現對激光水平方向的角度控制。傳輸的數據格式為11 個字節，同時采用CRC16-MODEBUS 校驗方式，保證數據在傳輸過程中的完整性。當電機轉動360°時，對應電機步長（counts）值為16 384，改變counts 值以控制電機的轉動角度?？刂菩畔⑼ㄟ^RS485 傳輸至電機內置驅動模塊，進而控制電機轉動使激光通過鏡面進行反射。電機的數據傳輸框圖如圖6 所示。

2.3.2舵機SM40BL數據傳輸模塊

舵機SM40BL 采用STM32的USART數據傳輸，控制模式采用恒速模式，以實現對激光光路俯仰角度的控制?？刂菩畔⑾韧ㄟ^主控的USART數據傳輸模塊發送至舵機URT-1驅動模塊，經過驅動模塊的信號轉化電路發送至舵機內部，進而致使舵機轉動。USART數據傳輸模塊如圖7所示。

2.4上位機模塊

LabVIEW 作為上位機的開發軟件，創建一個上位機監測平臺，該平臺包含了讀寫區、USART名稱區、波特率、數據位、奇偶校驗位、舵機控制面板、電機控制面板等區域，實現了對系統的便捷控制。同時，讀取區域還可以實時獲取舵機和電機的實時位置，以方便數據的監測與控制。

3系統控制算法

3.1系統主程序

系統將人為設定的控制信息通過USART3的中斷進行接收，分別處理接收數組中的數據，得到舵機的控制信息position 和電機的控制信息counts值， 進而將position和counts值分別通過USART1和RS485 發送至舵機和電機，使激光光束通過鏡面反射至指定位置。主程序流程圖如圖8 所示。

3.2控制算法設計

在雙電機控制系統，為保證激光在水平和俯仰方向上分別能夠在0.6s，0.17s內指向目標位置的同時保證系統結構在運行過程中的穩定性，設定舵機SM40BL的轉動速度為12700步/s，電機HT-S-4315的轉動速度為100r/min（即約為27307步/s）。

在系統中舵機和電機的步長position和counts與角度之間的轉化關系分別如式（3）、（4）所示。

為實現高精度的控制，伺服電機通常采用三環控制結構，三環控制即三閉環負反饋PID調節器[9]。電壓映射電流變化，電流映射轉矩大小，轉矩大小映射轉速的變化，轉速同時又映射了位置的變化，三環控制是考慮電氣與物理融合。以實現更精準、更可靠控制[10]。三環控制的第一個環路為電流環，此環全部發生在伺服驅動器中，由霍爾元件對每一相的輸出電流進行檢測，并對電流的設定進行負反饋，使輸出電流盡可能地與設定的電流相等，電流環對電動機的轉矩進行控制。因此，在轉矩模式下，驅動器的計算量最少，并且具有最快速的動態特性[11]。第二個環路為速度環，對被測得的電機編碼器的信號進行負反饋PID調整，其回路中的PID輸出與電流環的設置直接相關，因此速度環中既有電流環，又有速度環，也就是說，每一種工作方式，都需要電流環，而電流環則是最基礎的，除了速度和位置的控制外，還需要進行電流（扭矩）的控制，從而實現對轉速和位置的對應控制[12]。第三個環路為位置環，為最外環，可建于驅動器與電機編碼器之間，亦可建于外接控制器與電機編碼器之間，亦或終端負載之間，視具體情形而定。在位置控制回路的內部輸出為轉速回路，因此在位置控制方式下，整個三個回路的計算都要完成，計算量最大，動態響應最慢[13]。伺服電機的電流環的PID常數一般都是在驅動器內部設定好的，速度環主要進行PI（比例和積分）控制，位置環主要進行P（比例）調節[14-15]。

雙電機控制系統中，電機HT-S-4315采用伺服電機的三環控制，舵機SM40BL采用PID控制。PID控制微分方程如式（5）所示。

4實驗驗證

4.1實驗平臺搭建

為了能夠更加方便的實現系統功能，使激光達到目標位置，搭建了由上位機、主控模塊、電機、舵機等組成的實驗平臺。實驗臺實物圖如圖9所示。

4.2實驗測試

對上位機實驗平臺進行測試，電機和舵機正常運行，數據返回正常，上位機實驗平臺通信正常。測試結果如圖10所示。

為滿足反射光束在空間中俯仰方向轉動，設定舵機在俯仰方向轉動角度限制為0°～90°。系統俯仰方向隨角度變化的誤差曲線如圖11 所示，俯仰方向上的誤差整體上隨著角度的增大而減小。

圖11 表明：當PID 參數K_p=10、K_i=0、K_d=5，誤差曲線如圖11藍色曲線所示，最大誤差為23%，當K_p 增大至30、K_d增大至30時，舵機響應速度變快、穩定性增強、誤差減??；當增大K_i為5時，誤差相比之前明顯減小，最大誤差為3.3%，隨著角度的增大，誤差明顯降低。

為了使激光反射鏡面調節的雙電機控制系統能夠在水平方向任意旋轉，設定電機轉動角度限制0°～360°。系統水平方向隨角度變化的誤差曲線如圖12所示，水平方向上的誤差整體上隨著角度的增大而減小。

圖12表明： 當位置環K_p=0.5、速度環K_p=5、K_i=3時，水平方向的旋轉角度最大誤差為3.3%；減小速度環K_i=1后，最大角度誤差為1.1%，誤差相比之下明顯降低；當位置環K_p增大為1時，電機的響應時間減小，且處于穩定狀態，隨著角度的增大，誤差明顯減小。

5結束語

針對激光反射鏡面調節設計的雙電機控制系統采用USART、RS485通信和PID控制算法，經實驗驗證運用PID控制算法會很大程度減小舵機和電機的角度誤差較小，進而降低系統在水平和俯仰方向的角度誤差，同時，使激光束快速到達指定位置，實現激光光束的反射。在云臺、機械臂等多角度轉動系統中，雙電機甚至多電機的運用將極大簡化機械結構復雜程度，更加便利的實現多角度控制，因此，雙電機系統對多角度控制具有重要研究意義。