基于DSP的主动光学力促动器控制系统设计

孔令波，张　斌，孟浩然，吴庆林，李玉霞

(1.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033；2.中国科学院大学，北京 101400)

基于DSP的主动光学力促动器控制系统设计

孔令波1,2，张斌1，孟浩然1，吴庆林1，李玉霞1

(1.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033；2.中国科学院大学，北京 101400)

摘要:针对步进电机型力促动器，设计了一种基于DSP的力促动器控制系统，并进行了测试。系统以TMS320F28069型DSP作为主控制器，采用ADS1259高精度A/D转换器采集传感器LoadCell输出力信号，通过DSP片上PWM模块输出电机控制脉冲给电机细分驱动芯片TMC389，驱动步进电机转动，形成力控制闭环。系统软件采用PID控制算法来校正力促动器输出偏差，并给出了控制程序流程图。实验测试结果表明：该控制系统具有良好的响应特性和较强的抗干扰能力，满足主动光学实验系统的要求。

关键词：主动光学；力促动器；控制系统；力传感器

0引言

主动光学技术是现代大口径望远镜系统中的关键技术之一。主动光学系统是一个以实时校正望远镜重力变形和热变形为目的的光学闭环系统，主要由波前传感器、计算机系统和力促动器控制系统组成[1,2]。

力促动器作为主动光学系统的施力元件，要求其出力精度要达到mN级，且在几分钟甚至十几分钟的时间内具有很高的稳定性。电机+丝杠结构的力促动器具有结构简单、控制方便等优点，在国内外望远镜系统中均已有成功应用，如欧洲南方天文台的VLT望远镜[3]和国内的LAMOST望远镜[4]等。一般直流电机型力促动器需要配置位置传感器，这种方式便于系统控制，但增加了系统的复杂度；步进电机型力促动器充分利用步距角固定的特点，无需外部位置传感器即可实现力的平稳调节[5]。

为了满足面形校正力的高精度、高稳定性要求，针对步进电机型力促动器，本文设计了以DSP为主控芯片的力促动器闭环控制系统，并进行了力促动器输出力控制实验，得到了较理想的实验结果。

1系统组成与工作原理

力促动器由步进电机、机械传动机构、弹簧单元和LoadCell传感器组成，机械传动机构主要由谐波减速器和丝杠组成，它将电机的旋转运动转换为直线运动，压缩或拉伸弹簧单元产生校正力。如图1所示，力促动器控制系统采用DSP作为主控芯片，产生电机需要的控制信号，信号经过驱动器功率放大后输出给步进电机，控制电机转动。为了实现校正力的精确控制，用力传感器将力促动器的实际出力值采集回控制器，形成力闭环控制。

图1　力促动器控制系统Fig 1　Force actuator control system

2系统硬件设计

力促动器的电控系统以TI公司的TMS320F28069型DSP为核心，通过外扩高精度A/D芯片采集力信号，然后经过算法校正输出控制信号给电机驱动器，控制电机转动。

2.1电机控制+驱动电路设计

步进电机控制驱动电路如图2所示。系统以TMS320F28069型DSP为控制核心，该控制器集成了丰富的片上外设，能够满足电机控制和通信等系统需求。电机驱动采用TMC389+MOSFET三相桥电路的方案[6]，TMC389是三相步进电机细分驱动芯片，它最多可细分为256微步，TMC389集成有SPI接口，可用来与DSP通信。当TMC389接收到一个脉冲信号时，就控制电机向前转动一个微步，控制脉冲信号频率便可控制电机转动速度。TMC389的控制脉冲由DSP的PWM模块产生，除此之外，控制器还将产生驱动器使能信号和电机旋转方向信号。

图2　步进电机控制驱动电路Fig 2　Driving circuit of stepper motor

2.2力信号采集电路设计

力促动器中应用的测力单元为美国Celtron公司生产的高精度测力元件LoadCell，通过柔性杆和弹簧部分相连，其型号为STC—50KgAL。

由于传感器输出电信号很小，且耦合有高频噪声，传感器信号必须经放大滤波后才能送给A/D转换器[7,8]，如图3所示。A/D转换芯片选用ADS1259，具有24 bit分辨率，通过SPI总线与DSP通信。

图3　力信号采集电路Fig 3　Force signal acquisition circuit

3系统软件设计

3.1PID控制算法设计

力促动器控制系统是一个力闭环控制系统，系统控制算法采用PID控制算法。PID控制器由于其结构简单、参数整定方便，是目前技术最成熟、应用最广泛地调节器[9,10]。在数字系统中，PID控制算法可表示为

e(k-1)]}

(1)

式中u(k)为控制器输出，KP,KI,KD为控制器参数，T为系统采样周期，e(k)为第k次采样时偏差信号。

在力促动器控制系统中，采集力促动器实际输出力值，将其与力设定值的差值作为PID控制器的输入偏差信号，控制器输出u(k)作为PWM输出脉冲频率控制电机转动。系统采样周期设定为1 ms。

3.2系统程序设计

系统程序设计主要分为两部分：AD采集程序设计，主目标是让DSP能够控制ADS1259进行力信号采集，并读取采集数据；电机控制程序设计，主要目标是根据AD采集数据计算出电机控制脉冲频率，驱动电机转动，矫正力促动器输出误差。

3.2.1AD采集程序设计

A/D转换器ADS1259通过SPI总线与DSP控制器相连，接收控制器的配置指令并上传AD采集数据。AD采集程序流程图如图4(a)所示，首先对时钟、定时器、SPI总线接口、串口等外设进行初始化，然后根据工作需要配置ADS1259的工作模式，并启动测量。当ADS1259完成一次测量后发出中断请求，控制器进入SPI中断读取测量数据，并根据测量数据解算出校正力值，等待控制程序读取。

3.2.2电机控制程序设计

电机控制程序的主要工作是根据力偏差信号计算出电机控制脉冲频率，驱动电机转动，矫正力促动器输出误差，电机控制程序流程图如图4(b)所示。电机控制程序在定时器中断中实现，定时器进入中断的周期为系统采样周期T=1 ms。系统进入中断后，首先读取SPI寄存器中的力测量值，求出力偏差信号，并将其作为PID控制器的输入，计算电机控制量。得到PID控制器输出后，据此改变PWM模块的配置，从而控制PWM输出脉冲频率。

图4　AD采集和控制程序流程图Fig 4　Flow chart of AD acquisition and control program

4系统测试与结果

为了验证所设计控制系统的性能，针对一种步进电机型力促动器进行了一系列的参数整定与测试，主要包括基于阶跃响应的PID控制器参数整定、系统抗干扰能力测试。在实验过程中，DSP控制板通过串口与上位机连接，以20 Hz的频率将力促动器输出力值上传到上位机保存显示。

4.1基于阶跃响应的参数整定

首先根据10 N输出力阶跃响应对PID控制器参数进行了整定，确定PID控制器参数如下：KP=10，KI=1，KD=0。10 N输出力阶跃响应测试结果如图5所示，结果表明，10 N阶跃输出力上升时间不超过1.25 s，且具有很小的超调。

图5　10 N阶跃响应Fig 5　10 N step response

PID控制器参数整定完成后，分别进行了系统大输出力和小输出力步进实验。10 N和50 mN步进实验曲线如图6所示。实验结果表明：当校正力变化较大时，该系统具有响应快、超调小的优点；而当校正力在很小范围内变化时，该系统也能对其进行很好的跟踪控制。

图6　输出力步进控制实验Fig 6　Experiments of output force stepper control

4.2抗干扰能力测试

在力促动器的实际工作中，不可避免地存在许多扰动，如风载力矩和力促动器本身存在的非线性等。因此，为了保证系统可靠的工作，力促动器控制系统必须具备一定的抗干扰能力。在力促动器稳定输出100 N校正力的情况下，对其突加阶跃扰动，力促动器并没有出现震荡等不稳定情况，而是快速地恢复100 N稳定输出。再次对力促动器施加连续扰动，其输出仍能在扰动消失后快速稳定在设定输出，如图7所示。实验表明，该力促动器控制系统具有较强的抗干扰能力。

图7　系统抗干扰测试结果Fig 7　Test result of system anti-interference

5结论

基于DSP的力促动器控制系统，利用外扩高精度A/D转换芯片采集力信号，并通过PID控制算法校正输出控制信号给电机驱动器，控制电机转动，矫正力促动器输出偏差。实验证明:该控制系统具有良好的响应特性，对于10 N阶跃输出上升时间不超过1.25 s，并且具有很小的超调。当校正力在很小范围内(50 mN)变化时，系统也能对其进行很好的跟踪控制。此外，该控制系统还具有较强的抗干扰能力，满足主动光学实验系统的要求。

参考文献:

[1]李宏壮，林旭东，刘欣悦，等.400 mm薄镜面主动光学试验系统[J].光学精密工程，2009,17(9)：2076-2083.

[2]苏定强，崔向群.主动光学—新一代大望远镜的关键技术[J].天文学进展，1999,17(1)：1-14.

[3]Thierry Hovsepian,Jean-Marc Michelin,Stephano Stanghellini.Design and tests of the VLT M1 mirror passive and active supporting system[C]∥Int’l Conf on Astronomical Telescopes &Instrumentation.International Society for Optics and Photonics，1998:424-435．

[4]Ma Lisheng,Zhang Zhenchao,Cui Xiangqun.Control and network system of position actuators in LAMOST[C]∥Int’l Conf on Large Ground-based Telescopes,2003：659-666.

[5]王帅，阴玉梅，杨晓霞，等.直流电机型力促动器的控制系统设计[J].电子测量与仪器学报，2014,28(1)：48-55.

[6]王鸿钰.步进电机控制技术入门[M].上海：同济大学出版社，1989：71-95.

[7]王金全，王小鹏，于挥.基于STM32的高精度扭矩测量系统设计[J].传感器与微系统，2015,34(4)：99-101.

[8]李伟，张庭，姜力.基于FPGA的仿人假手控制系统设计[J].传感器与微系统，2015,34(2)：122-125.

[9]李宏壮，刘欣悦，王建立.基于LabVIEW的主动光学力促动器系统[J].自动化与仪器仪表，2010,(2)：38-40.

[10] 段英宏，杨硕.步进电机的模糊PID控制[J].计算机仿真，2006,23(2)：290-293.

Design of active optics force actuator control system based on DSP

KONG Ling-bo1,2，ZHANG Bin1，MENG Hao-ran1，WU Qing-lin1，LI Yu-xia1

(1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 101400,China)

Abstract:A control system based on DSP is designed for stepper motor type force actuator.In this control system,TMS320F28069 DSP is employed as main controller,while high precision ADC ADS1259 is used to collect output force signal of sensor,by DSP output motor control pulse to micro-stepping driver TMC389,driving stepper motor to rotate and form force control close-loop.System software uses PID control algorithm to correct output deviation of force actuator,and control program flow chart is given.Experimental test results show that this control system has good response characteristic and strong interference anti-interference capability,and meets requirements of active optics experimental system.

Key words:active optics;force actuator;control system;force sensor

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0074—03

收稿日期：2015—09—21

中图分类号：TP 241.3

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)05—0074—03

作者简介:

孔令波(1990-)，男，四川遂宁人，硕士研究生，主要研究方向为电子电路设计和伺服控制。