红外热成像系统中高速扫描器的伺服控制设计

李凌杰，陈菲菲，易文轩

(华北光电技术研究所，北京100015)

1 引言

近年来扫描型红外焦平面探测器技术的发展和器件的产品化及国产化进程引人注目，在热像仪市场中占有不小的份额。目前的扫描型红外焦平面热成像系统大多采用焦平面探测器结合一维光机扫描的方式，扫描器是整个光机扫描中的核心组件。

以国外GSI公司的G120扫描器为例，该扫描器是通用型扫描器，体积大、功耗大、成本和维修维护费用高，并且由于是标准货架产品，不利于热成像系统的集成。而国产扫描器主要针对激光打标市场，同样存在体积、功耗、环境适应性达不到要求，成本较高等一系列问题。为了降低成本，减小功耗、体积，提高产品本身功能、外型的可塑性，提高环境适应性，本文设计完成了采用双闭环反馈的高速扫描控制伺服系统，并在较低功耗下达到了扫描频率50 Hz、机械角度 ±10°、扫描效率85%的性能要求。

2 伺服控制原理

整个伺服控制系统的原理框图如图1所示。

图1 控制原理框图

整个伺服控制系统共完成了四个闭环反馈，包括角度信号的反馈、AGC电流分量的反馈、电机电流信号反馈和电机速度信号反馈［1］。其中角度信号的反馈及AGC电流分量的反馈属于功能性反馈，是完成闭环控制和电机内部电路要求所必须的，而电机电流信号和电机速度信号的双闭环控制引入有利于提高整个系统的性能。这种双闭环控制配合经典PID的控制方法在很大程度上保证了伺服系统的稳态精度和动态响应特性［2］。

2.1 角度位置信号检测

由于从振镜电机内部的光电式位置传感器返回的是微弱电流信号，因而需要经过角度检测模块电路做信号调理，将其转换为真实的角度位置信号。同时将角度位置信号一分为二，一路与输入信号进行差分放大并将结果做为PID控制模块的输入;另一路则经过AGC控制模块变为电流信号反馈回振镜电机，与光电式位置传感器输出的微弱电流信号形成一个小的闭环。

2.2 信号调理电路

对误差信号采用PID控制方法，即由比例放大、积分和微分三部分构成。比例放大部分直接作用于误差信号，将其放大或缩小后送入后端，直接对电机的偏差大小产生作用;积分部分则对过去一段时间内的整体全局性偏差做出反应;微分部分对突然出现的瞬态快速错误做出快速响应。实际调试时给伺服控制系统加入阶跃信号或周期较长的方波信号，根据反馈波形的变化确定PID三部分的参数，及在整个控制信号中各自所占比例的大小，排除饱和失真等原因引起的振荡，确保系统平稳快速运行。对于整个控制系统而言，P和D的影响较I要更为迅速明显［3］。

双闭环控制的来源是对实际流过电机的电流进行采样后得来的，分为转速反馈和电流环反馈两部分［4］。

转速微分反馈校正电路。在电机中由于电机电流与电机转轴的加速度成正比，在控制中首先要对实际流过电机的电流进行采样，然后用积分电路对电机电流的采样信号进行运算，从而得到电机的速度信号，在经过一定的转换就得到了表征电机转动速度微分量的信号，将其反馈至增益放大模块的输入端，做为系统的高频阻尼源;同时由PID控制模块中的误差微分电路为系统提供低频阻尼源［5］。调节高、低频阻尼源使伺服控制系统工作于临界阻尼状态，进而获得良好的稳态及动态性能。其次由于转速微分反馈校正电路的带宽正比与系统的响应速度，带宽约大响应速度越快，调节这部分电路的带宽就可以相应地改善系统的响应速度。

电流环反馈校正电路。将流过电机的电流采样信号经过一个近似微分电路后，反馈至功率放大模块电路的输入端，由其给系统提供反映电机电流的变化趋势，并使反馈电流超前一定的相位，以补偿电机线圈电感对电流的滞后作用。保证控制信号对功率放大器输出电流的线性控制。

2.3 陷波滤波电路

滤波模块电路是为了在必要的时候削弱由电机转子和所装载镜片引起的扭转共振影响，提高整个系统的响应速度。扫描器振镜系统的扭转共振频率可以理解为一种电机转子的扭曲、翘曲，当整个系统工作在足够大的带宽或足够快的速度时，这种扭曲将使伺服系统处于不稳定的工作状态，甚至振荡，这就是需要采用滤波模块电路的原因，也是该部分电路所要完成的功能。

2.4 功率放大电路

功率放大模块电路图如图2所示，设计中使用了国家半导体公司的高性能功率放大器LM3886TF，采用负反馈、单端驱动电机的方式，功放的输出端接到电机正极，电机负极直接接地［6］。在功放输出端和电机正极之间串连一个5 A的快速熔断保险丝，防止异常情况下电流过大损坏电机。

图2 功率放大模块电路

3 扫描器性能测试与比较

3.1 传统的大小信号性能测试

利用幅值不同的50 Hz方波信号做为输入信号，主要测试扫描器的响应速度及准确度和角度较大时的SOF(安全工作区域)。

3.1.1 小信号测试

系统引入频率50 Hz，峰峰值1 V，以0 V为中心的方波信号。调节控制系统中的P、I、D、带宽及高频阻尼源电位器，使系统处于临界阻尼状态，如图3所示。

图3 小信号测试

图3中ch3和ch1分别是输入和输出信号，示波器显示两路信号Scale均为500 mv/div，时间轴为4 ms/div。从波形上观察，响应时间约为1.6 ms，波形的上升沿、下降沿平滑，没有超调现象，系统处于临界阻尼状态，达到小信号设计要求。

3.1.2 大信号测试

系统引入频率50 Hz，峰峰值10 V，以0 V为中心的方波信号。调节控制系统中的P、I、D、带宽及高频阻尼源电位器，使系统处于临界阻尼状态，如图4。图4中ch3和ch1分别是输入和输出信号，示波器显示两路信号 Scale均为5 v/div，时间轴为4 ms/div。从波形上观察，响应时间约为1.6 ms，波形的上升沿、下降沿平滑，没有超调现象，系统处于临界阻尼状态，达到大信号设计要求。

图4 大信号测试

3.2 同类产品比较测试

在比较测试中，比较对象选用目前帧频为50 Hz的热像仪中普遍用到的GSI公司G 120扫描器。将实际热像仪应用的锯齿波信号输入到 GSI公司的G 120扫描器和自研的扫描器中，主要从响应时间、线性度、功耗等方面比较。输入信号为50 Hz的锯齿波，由于两个扫描器的输入输出增益比例不同，故G 120输入波形的峰峰值为3 V，自研扫描器输入波形的峰峰值为20 V，但两个扫描器实际摆动机械角度相同，均为±10°。图5、图6中横轴方向均为4 ms/div。对比两幅波形图可以发现，两个扫描器在线性度方面都很不错，但是图6中回程时间明显为一格即4 ms，而图5中的回程时间仅为2.6 ms。参数对比如表1所示。

图5 自研扫描器

图6 G120扫描器

表1 参数对比

图7为使用了自研扫描器的实际红外图像，图像稳定，整个画面线性度良好。图8是为了与图7做对比，仔细观察可以发现图8右侧的电烙铁处有明显锯齿，其原因就是扫描器在该处的扫描线性不好所致，因而对于成像质量来说扫描线性是非常重要的。

图7 自研扫描器实际扫描成像

图8 线性较差图像

具体控制电路及电机体积大小的比较如图9所示。自研的扫描器在这两方面均优于G120扫描器，而实际成本仅为G120扫描器的1/4。

图9 实物大小比较

3 总结

综上所述，通过扫描器自身性能的纵向比较即大小信号测试，以及与同类产品在各方面的横向比较，证明采用了双闭环反馈结合PID控制模式和动磁式光电振镜电机的自研扫描器各项指标完全满足设计要求。在扫描型热成像领域，做为一款高速、大角度扫描的自研扫描器，在降低成本，减小功耗、体积，提高产品本身功能、外型的可塑性，提高环境适应性等方面填补了空白。

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