于丹，陳娟 ,2，王威立 ，梁偉

（1.長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，吉林 長春130012； 2.長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 光電對(duì)抗部，吉林 長春130033；3.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州450015； 4.空軍航空大學(xué)，吉林 長春130022）

1 引言

光電跟蹤系統(tǒng)是一種跟蹤空間機(jī)動(dòng)目標(biāo)的現(xiàn)代化測控設(shè)備，隨著對(duì)其捕獲跟蹤能力要求的不斷提高，對(duì)其子系統(tǒng)——伺服控制系統(tǒng)控制能力的要求也越來越高，而伺服控制器是伺服控制系統(tǒng)的核心，因此光電跟蹤系統(tǒng)對(duì)伺服控制器的要求越來越高。 目前國內(nèi)的伺服控制器主要有基于DSP 和CPLD 構(gòu)成的伺服控制器和基于工控機(jī)PC104 構(gòu)成的伺服控制器兩類。 這兩類伺服控制器雖能完成現(xiàn)有大部分任務(wù)的基本要求，但是還存在許多缺點(diǎn)。 因此本文將Compax3 伺服控制器應(yīng)用到光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)中來提高系統(tǒng)的跟蹤精度和增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 為工程應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

2 光電跟蹤伺服系統(tǒng)組成

光電跟蹤系統(tǒng)具有方位和俯仰兩套獨(dú)立的跟蹤伺服系統(tǒng)，除了方位跟蹤系統(tǒng)有正割補(bǔ)償環(huán)節(jié)以外，兩套系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基本相同[1]。因此本文僅以方位系統(tǒng)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)?；贑ompax3 伺服控制器和300STK 直流無刷直驅(qū)伺服電機(jī)建立光電跟蹤伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)，其方位系統(tǒng)采用Compax3 伺服控制器。 系統(tǒng)硬件關(guān)系圖如圖1所示。

圖1 伺服控制系統(tǒng)硬件關(guān)系圖Fig.1 The hardware relationship graph of servo control system

光電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤方式主要有電視跟蹤、數(shù)引跟蹤和單桿跟蹤。 其中電視自動(dòng)跟蹤是比較常用的跟蹤方式[2]。 當(dāng)跟蹤方式為數(shù)引跟蹤時(shí)，Compax3 在相應(yīng)的伺服控制程序中將采用絕對(duì)位置運(yùn)動(dòng)模塊構(gòu)成絕對(duì)位置運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)跟蹤方式為單桿跟蹤以及電視跟蹤時(shí)，Compax3 在相應(yīng)的伺服控制程序中將采用相對(duì)位置運(yùn)動(dòng)模塊構(gòu)成相對(duì)位置運(yùn)動(dòng)。

伺服電機(jī)和軸系采用直接耦合的連接方式。 軸系上安裝了光電軸角編碼器，并通過串口將其輸出信號(hào)直接送到Compax3 中進(jìn)行讀取和處理。 Compax3 和主控機(jī)通過串口RS485 進(jìn)行雙向通信，主控機(jī)不但能完成Compax3 的程序調(diào)試和下載，還能通過接收Compax3 傳送來的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析和顯示。

3 Compax3 伺服控制器

Compax3 是由Parker 公司生產(chǎn)的高端伺服控制器。Compax3 自帶功率放大器，具有模塊化設(shè)計(jì)和參數(shù)自整定功能。

Compax3 采用模塊化設(shè)計(jì)，在絕對(duì)位置運(yùn)動(dòng)模塊和相對(duì)位置運(yùn)動(dòng)模塊中，Compax3 伺服控制器采用了電流環(huán)、 速度環(huán)和位置環(huán)3 個(gè)閉環(huán)回路進(jìn)行控制。 控制原理如圖2所示。 控制器自身帶有閉環(huán)校正系數(shù)自整定功能。 在對(duì)基于Compax3 伺服控制器的光電跟蹤伺服系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不需要測試被控對(duì)象的傳遞函數(shù)。只需運(yùn)行前對(duì)Compax3 進(jìn)行初始化，Compax3在進(jìn)行初始化時(shí)，電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一下，系統(tǒng)進(jìn)而能測試出負(fù)載的慣量。 控制器根據(jù)系統(tǒng)初始化時(shí)得到的驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)參數(shù)，并結(jié)合負(fù)載的慣量得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，然后根據(jù)傳遞函數(shù)生成各個(gè)環(huán)節(jié)的校正系數(shù)。

圖2 Compax3 位置回路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The position loop structure diagram of Compax3

4 基于Compax3 光電跟蹤伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 總體設(shè)計(jì)流程

Compax3 的軟件編程基于CoDeSys（可編程邏輯控制PLC 的完整開發(fā)環(huán)境）。Compax3 會(huì)根據(jù)跟蹤方式的不同采用相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模塊，通過編碼器讀取電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并通過串口傳送到PC 機(jī)中，程序流程圖如圖3所示。

圖3 伺服系統(tǒng)程序流程圖Fig.3 The program flow diagram of the servo system

4.2 控制器設(shè)計(jì)

基于Matlab 仿真軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。 在控制器設(shè)計(jì)中，跟蹤方式采用數(shù)引跟蹤方式。系統(tǒng)模型依據(jù)圖2，其中直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)如下：Ce=0.132 V·min/r，電氣時(shí)間常數(shù)Tl=0.03 s，機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.18 s，電樞回路總電阻R=0.5 Ω，功率放大器放大倍數(shù)Ks=40，延遲時(shí)間Ts=0.003 7 s。

如圖2所示從A 點(diǎn)到B 點(diǎn)為電流開環(huán)回路，從A 點(diǎn)到C 點(diǎn)為電流閉環(huán)回路，電流控制器采用PI 控制算法將被控對(duì)象校正成Ⅰ型系統(tǒng)。經(jīng)公式計(jì)算[3]和仿真驗(yàn)證，電流環(huán)校正參數(shù)為0.055 7（0.03s+1）/（0.03s）。 從圖4a 可以看出，其剪切頻率為133 rad/s，相位裕度Pm=63.8°，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定要求[4]。 從圖4b 可以看出，校正后的電流閉環(huán)傳遞函數(shù)可以等效為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，拐點(diǎn)為84.8 rad/s，即電流閉環(huán)可等效為1/（0.011 8s+1）。

圖4 波特圖Fig.4 Bode diagram

速度回路的設(shè)計(jì)與電流回路基本相同，如圖2所示，從D 點(diǎn)到E 點(diǎn)為速度開環(huán)回路，從D 點(diǎn)到F 點(diǎn)為速度閉環(huán)回路。 電流閉環(huán)后等效的慣性環(huán)節(jié)作為速度開環(huán)回路的一部分，速度控制器采用PID 控制算法，校正后的速度回路為Ⅱ型系統(tǒng)，經(jīng)公式計(jì)算和仿真驗(yàn)證，速度環(huán)校正參數(shù)為40.95（0.059s+1）/s。 其剪切頻率為53.5 rad/s，相位裕度Pm=51.2°，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定要求。 校正后的速度閉環(huán)傳遞函數(shù)可以等效為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，拐點(diǎn)為70.1 rad/s，即速度閉環(huán)可等效為1/（0.014 3s+1）。

位置環(huán)的設(shè)計(jì)同理，見圖2，從G 點(diǎn)到H 點(diǎn)為位置開環(huán)回路，從G 點(diǎn)到I 點(diǎn)為位置閉環(huán)回路，速度閉環(huán)后等效的慣性環(huán)節(jié)作為位置開環(huán)回路的一部分，位置控制器采用P 控制算法，校正后位置回路為Ⅰ型系統(tǒng)。 經(jīng)計(jì)算和仿真驗(yàn)證，位置環(huán)校正參數(shù)為18。 其剪切頻率為22.9 rad/s，相位裕度Pm=71.1°，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定條件。

5 實(shí)驗(yàn)與分析

基于某型光電跟蹤伺服系統(tǒng)的方位軸進(jìn)行了數(shù)字引導(dǎo)閉環(huán)控制跟蹤實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。Compax3 伺服控制器為控制核心，完成電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)3 個(gè)閉環(huán)控制，光電軸角編碼器用來完成速度，位置反饋。 實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)?shù)刃д逸斎氲淖畲笏俣葹?0(°)/s、最大加速度為30(°)/s2時(shí)，實(shí)時(shí)跟蹤誤差曲線如圖5所示，從圖5中可以看出，該實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)具有3.45′的跟蹤精度。

當(dāng)?shù)刃д逸斎氲淖畲笏俣葹?(°)/s、 最大加速度為2(°)/s2時(shí)，實(shí)時(shí)跟蹤誤差曲線如圖6所示，從圖6中可以看出，該實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)具有0.048′的跟蹤精度。 當(dāng)輸入為0.1(°)/s 到0.5(°)/s 的階躍函數(shù)時(shí)，該系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖7所示，可以看出，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間為0.3 s，超調(diào)量為15.24%，穩(wěn)態(tài)絕對(duì)誤差為0.005 5，穩(wěn)態(tài)相對(duì)誤差為1.31%。

圖5 目標(biāo)速度為50(°)/s，加速度為30(°)/s2 的跟蹤誤差曲線Fig.5 Tracking error curve of target speed is 50(°)/s，acceleration is 30(°)/s2

圖6 目標(biāo)速度為2(°)/s，加速度為2(°)/s2 的跟蹤誤差曲線Fig.6 Tracking error curve of target speed is 2(°)/s，acceleration is 2(°)/s2

圖7 階躍響應(yīng)曲線Fig.7 Step response curve

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于Compax3 的光電跟蹤伺服系統(tǒng)在高速和低速的情況下都能穩(wěn)定運(yùn)行。

6 結(jié)論

本文基于Compax3 伺服控制器建立了一個(gè)光電跟蹤伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，并在此轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行了簡單的閉環(huán)控制跟蹤實(shí)驗(yàn)，當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)最大速度為50(°)/s、最大加速度為30(°)/s2時(shí)，該系統(tǒng)的最大跟蹤誤差為3.45′。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明將Compax3 伺服控制器應(yīng)用到光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)中能有效提高系統(tǒng)的跟蹤精度和增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

[1] 王建立．光電經(jīng)緯儀電視跟蹤、捕獲快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)技術(shù)的研究[D].長春：中國科學(xué)院，2003．

[2] 杜杰．基于加速度計(jì)的光電伺服跟蹤系統(tǒng)前饋控制[D]．長春：中國科學(xué)院，2011．

[3] 陳伯時(shí)．電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009．

[4] 胡壽松．自動(dòng)控制原理[M]．北京：科學(xué)出版社，2001．