双轴伺服系统设计

梁 爽，杨仲秋，刘萌萌

(1.黑龙江省科学院技术物理研究所，哈尔滨 150086;2.黑龙江省科学院北方辐射技术开发服务公司，哈尔滨 150010)



双轴伺服系统设计

梁 爽1，杨仲秋1，刘萌萌2

(1.黑龙江省科学院技术物理研究所，哈尔滨 150086;2.黑龙江省科学院北方辐射技术开发服务公司，哈尔滨 150010)

随着国家军事力量的强大，对于国防工业项目的要求也越来越高，双轴伺服控制系统在国防项目中的应用也越来越广泛。在本设计中，实现了对于实时移动目标光斑的扫描和跟踪，且精度达到万分之一度。本系统采用精密机械轴承，有较高的速率精度及平稳性，能通过上位计算机指令实现控制。转台价格合理，DSP控制箱内部结构精简，抗干扰能力强，具有广阔的市场前景和应用价值。

双轴；控制；DSP控制箱；高精度

随着国防工业的进步，对伺服系统的要求也逐步提高，在实际应用中，对于很多科研项目，单轴伺服系统往往不能满足需求，而三轴伺服系统的使用又非常有限，所以本文根据实际项目要求，设计了一套伺服系统，转台部分包括俯仰轴、方位轴，控制部分为伺服控制箱，外部给定信号为上位机控制指令和相机脱靶量及手柄模拟信号输入[1]。在本项目中，实现了如下几种模式：第一，使能模式。控制伺服系统上电使能[1]。第二，手动模式。双轴转台在手柄信号控制下转动——俯仰轴和方位轴的转动，实现手动控制。第三，指向模式。上位机以一定频率实时发送俯仰轴和方位轴指向位置信号作为俯仰轴和方位轴的目标位置，伺服控制系统控制转台转动到上位机发送的位置上。第四，扫描/跟踪模式。当跟踪相机视场内无光斑时，转台根据预设扫描轨迹进行扫描。如在扫描过程中相机视场内出现光斑，则伺服控制系统自动切换为跟踪模式，根据脱靶量信息将光斑跟踪到视场中心。如果执行完预设扫描轨迹之后还未发现光斑，则伺服控制系统自动将模式变为手动模式[2]。本套设备的优点在于：精度高、稳定性好、抗干扰能力强、价格合理，并且上位工控机与伺服控制系统实现了双向通信，方便使用者使用。

1 总体设计方案

1.1 系统框架

本系统由一个双轴转台，双轴伺服控制系统控制箱及连接电缆构成。其中，控制箱中包含两个变压器，两个力矩电机驱动器，两个电源，三个继电器和DSP控制系统，其中DSP控制系统内含一块底板和方位板、俯仰板、保护板、串口并口转换板。DSP控制箱的主要用途：用于连接上位机和转台，并根据上位机控制指令运行相应的模式，对转台进行手动控制。转台对上位机给出的指向位置信息的解析及转动到指向位置。对相机给出信息的解析及扫描/跟踪。同时，DSP控制系统内包含轴位置测量系统、轴位置及速率数字控制系统。另外，串口并口转换板内含RS232C接口，可以实现与上位机的双向收发。

本伺服控制系统扫描跟踪外部相机给出的光斑信号，是否跟踪及扫描由上位机给出指令。上位机操作界面给出控制指令，控制伺服系统处于什么模式。系统整体框架结构示意图如图1所示。

图1 系统整体框架结构示意图Fig.1 The overall structure of the system frame diagram

1.2 电机及相应驱动器的选择

在本系统中，考虑到对双轴转台的加速度并没有特殊要求，轴的转动惯量也属于正常范围之内，采用普通的有刷电机即可满足输出力矩的指标[3]。最大加速度、轴上的摩擦力矩都会影响输出力矩，其公式为：T-Tf=M=JΩmax，其中，Tf为摩擦力，Ωmax为俯仰轴和方位轴加速度的最大要求值。选定加速度为1 000°/s2(17.5 rad/s2)。轴的回转质量为40 kg，等效的惯性半径为0.064 m，所以转动惯量为J/kgm2=mR2=40×(0.064)2=0.164。输出力矩T/Nm=JΩmax=0.164×17.5=2.87。实际选择时参考上面的理论值，并考虑留有2倍的余量。故在此选择哈尔滨电机厂生产的J160LYX-04电机[4]。

在本系统中，采用ISF20DA250型驱动器作为方位轴电机驱动器，采用ISF20DA60型驱动器作为俯仰轴电机驱动器。二者的特点是：驱动器的伺服功率驱动单元以开关速度快、压降小的新型IGBT功率模块构成双路四相限全桥电路，以PMW方式工作。功率驱动单元的特点是体积小、重量轻、效率高。由于方位轴转台质量比较大，转动过程中有较大的惯性，利用ISF20DA250型驱动器的过流保护功能可有效防止电流过大时对驱动器的损害[5]。

1.3 测角系统方案选择

由于在本系统中，测角精度±0.0001°的要求，是方位轴和俯仰轴单回转的前提条件，故选用基于旋转变压器及感应同步器的鉴幅式双通道测角方案。其中，双通道角位置测量是指在0°～359.9°大角度、低精度测量时，使用单对极旋转变压器。另外，对于0.0001°～0.9999°的小角度、高精度测量则采用360对极的感应同步器。两个通道是互相独立的，只是安装在同一轴之上。将两个通道测得的值按一定规律耦合，则可以实现大范围、高精度角度测量。基于旋转变压器及感应同步器的鉴幅式双通道测角方案的工作原理为：两相输出信号连接信号变换器，两相输出信号按可以知道的角度变量Φ做相应的正弦或余弦转换后相减，得到一个直流电压信号，它的值与sin(αD)-Φ成正比。当Φ被调整为零时，即可得到当前的角位置。速率信号可以从两次测角的差分速率中直接获得，故本系统设计中省略了专用于测速的测速机。本系统中采用美国AD公司生产的芯片AD2S80A作为轴角变换芯片，其封装原理图及相应部分电路原理图如图2所示。

图2 AD2S80A相应部分电路Fig.2 AD2S80A corresponding part of the circuit

最后，给出伺服控制系统硬件包括：两个变压器，三个继电器，两个电源，两个电源滤波器，小控制箱内包含双轴控制板、保护板、串口并口转换板、底板。

2 结论

随着伺服控制系统在工业、国防控制方面的应用普遍化，对伺服控制系统的各方面要求也越来越高。本设计中完成了以下设计：伺服控制系统与上位工控机的双向通信，伺服控制系统根据上位工控机指令运行启动、停止、手柄、指向、扫描/跟踪模式。速率平稳性高，精度达到万分之一度，扫描与跟踪可自动切换，满足了用户对于系统的要求，价格合理，有广阔的市场价值。

[1] 夏洁. 计算机控制系统[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2] 戴文进，张景明.电机设计[M].北京：清华大学出版社，2010.

[3] 谢青红，张筱荔.TMS320F2812 DSP 原理及其在运动控制系统中的应用[M]. 北京：电子工业出版社，2009.

[4] 黄坚.自动控制原理及其应用[M].北京：高等教育出版社，2009.

[5] 张嵩.双轴伺服转台控制系统设计及实现[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

Dualaxis servo system design

LIANG Shuang1，YANG Zhong-qiu1，LIU Meng-meng2

(1.Technical Physics Institute, Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150086, China;2.Northern Radiation Technology Development and Service Company, Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150010, China)

The enhancement of our country’s military strength caused the higher requirement of defending industry project. And dual axis servo system has been used in defending industry more widely. In this system, two purposes are achieved firstly is the scanning and tracking of the target, and secondly is the precision of the system has reached to one hundred in a million. Precision mechanical bearings are used in this system with high velocity precision and stability, which can be controlled by host computer through sending message. The price of the axis is reasonable. The structure of the DSP control box is downsizing with anti-jamming capacity, which has broad market prospects and value.

Dual axis; Control; DSP control box; High precision

2017-01-20

梁爽(1983-)，女，助理研究员，硕士。

TM383.4

A

1674-8646(2017)04-0034-02