全自动目标跟踪仪的伺服控制系统设计与实现.docx

分类号 密级 UDC注1 学 位 论 文全自动目标跟踪仪的伺服控制系统设计与实现杨 黎(作者姓名)指导教师姓名 杜国平 高级工程师 申请学位级别 硕士 专业名称 控制理论与控制工程 论文提交日期 2010.05 论文答辩日期 2010.06 学位授予单位和日期 南 京 理 工 大 学 答辩委员会主席 评阅人 2010 年 5 月 20 日注1：注明国际十进分类法UDC的类号I硕士论文 全自动目标跟踪仪的伺服系统设计与实现声 明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名： 年 月 日 学位论文使用授权声明。研究生签名： 年 月 日75硕士论文 全自动目标跟踪仪的伺服控制系统设计与实现摘 要目标跟踪技术是当前军事发展的一项核心技术和最为迫切的需求，一直以来都是军事研究的一个热点，对其研究有着积极的意义。本文以此为背景，拟设计一套全自动目标跟踪仪，该设备由伺服控制系统、图像采集系统和通信系统组成。本文主要完成伺服控制系统的设计。论文分析了伺服控制系统的功能需求，结合本系统的实际要求和系统特性给出了伺服系统的控制方案，并设计了位置、速度、电流调节器。伺服控制系统的硬件电路以LPC2368为主控芯片，分为数据采集、通信、信号检测、运动控制和电源五个功能模块。结合伺服控制系统的功能需求，给出了系统硬件设计，主要包括器件选型、电路设计、系统散热与电磁兼容设计。此外，考虑到伺服控制系统对快速性、精确性的要求及常规编码器在使用过程中的缺陷，系统选用了海德汉公司研制的EnDat2.2数字接口绝对式位置编码器。本文详细介绍了该编码器与微控制器SSP接口之间的通信电路设计以及软件实现流程。系统软件设计主要包括接口驱动程序和运动控制程序。其中接口驱动程序的设计包括UART、SSP、I2C、CAN和A/D五个模块；运动控制模块的软件设计包括位置、速度、电流调节器的算法实现，全数字式三闭环位置随动系统控制算法设计，PWM电机驱动程序设计，系统故障处理程序四个部分。在完成软、硬件设计的基础上，本文对通信模块、数据采集模块、信号检测模块和运动控制模块分别进行了调试，调试结果表明系统运行良好，达到了预期的设计目的。关键词： 目标跟踪，运动控制，ARM，EnDat数字编码器AbstractTarget Tracking Technology is one of the key technologies of military development, and has always been a hot point in the military research area, so it has a positive significance for such a research. Against this background, an automatic target tracker is designed. It can be divided into three subsystems, including image acquisition system, communication system and servo control system. This paper has finished the design of the servo control system.This paper gives the main control strategy of the servo control system and designs the location, speed and current regulator based on the analyses of the function requirement and features. The ARM microcontroller(LPC2368) is used as the main control chip. Hardware circuit can be divided into data acquisition module, communication module, signal detection module, motion control module and power module. The hardware design includes device selection，PCB design, electromagnetic compatibility design and system thermal design.Additionally, taking into account the requirements of the servo control system for speedy and accuracy and the defect of general encoder, this system has selected EnDat2.2 digital encoder which is manufactured by HEIDENHAIN. This paper introduces the communication circuit between the encoder and SSP of the main controller, and briefs the software process.System software design includes interface driver and motion control programs. The Interface drivers is divided into UART, SSP, I2C, CAN, A/D. And the motion control software includes regulator algorithm, three closed-loop digital control of position servo system algorithm, PWM motor driver design and failure processes program.Based on the hardware and software design, the communication module, data acquisition module, signal detection module and motor control module are carried out testing. The result shows that the system is running well, and achieved the anticipation.Key Words: target tracking, motion control, ARM, EnDat digital encoder目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 目标自动跟踪技术发展概况21.3 论文主要工作21.4 论文结构安排32 伺服控制系统总体设计52.1 伺服系统介绍52.2 伺服控制系统总体方案设计62.2.1 伺服控制系统设计要求62.2.2 伺服控制系统总方案概述62.2.3 控制方案设计72.3 伺服控制系统的组成环节及其数学模型72.4 三闭环位置随动系统调节器设计112.4.1 电流调节器设计122.4.2 速度调节器设计132.4.3 位置调节器设计142.5 本章小结153 伺服控制系统硬件设计173.1 硬件总结结构173.1.1 伺服控制系统功能需求173.1.2 微控制器选型183.1.3 硬件总体设计183.2 系统电源电路设计193.3 通信电路设计213.3.1 RS-232串行通信接口电路设计213.3.2 目标位置信息接收电路设计213.4 数据采集电路设计223.5 温度监控电路设计233.6 系统复位电路设计233.7 运动控制模块设计243.7.1 电机选型243.7.2 电机驱动电路设计253.7.3 电枢电流放大电路设计283.8 JTAG调试接口293.9 PCB板优化设计303.10 本章小结314 EnDat接口编码器数据采集设计334.1 编码器选型334.2 EnDat双向数字接口位置编码器介绍334.3 EnDat接口与SSP接口位置反馈信号采集电路344.4 编码器数据传输模式374.5 位置采集模块程序设计394.6 本章小结425 伺服控制系统软件设计435.1 软件总体设计435.1.1 软件开发环境介绍435.1.2 软件总体设计435.2 接口驱动程序设计455.2.1 串口驱动程序设计455.2.2 CAN总线驱动程序设计475.2.3 A/D转换器驱动程序设计495.2.4 温度采集单元程序设计505.2.5 I2C接口驱动程序设计515.3 运动控制系统设计535.3.1 数字PI算法实现535.3.2 PWM电机驱动程序设计565.3.3 定时器控制模块575.4 本章小结596 系统调试616.1 UART调试616.2 温度传感器测温模块调试616.3 I2C接口驱动程序调试626.4 CAN总线驱动程序调试636.5 电流环调试646.6 EnDat编码器位置值采集模块调试666.7 定时器2中断控制模块调试676.8 本章小结677 总结与展望697.1 研究工作总结697.2 后续工作与展望69致 谢71参考文献73附 录751 绪论1.1 课题研究背景及意义目标跟踪是指计算机根据一定的算法实现对目标的跟踪与定位，并根据目标的动向和位置采取相应的措施12。在实际应用中，运动目标跟踪技术不仅可以准确地定位目标并提供目标的运动轨迹，为下一步目标行为的理解与分析提供可靠的信息来源，而且也可以为运动目标检测提供帮助。如何精确地对运动目标进行定位跟踪，对于提高军事中的武器制导、武器打击的精确度等有着重要的影响3。在现代战争中，对实时战场信息的获取能力很大程度上决定了战争的胜负。全自动目标跟踪仪以其多样的传感器技术和灵活的使用方式，在现代战争中得到越来越多的应用，并迅速成为世界军事研究的热点4。应用全自动目标跟踪仪可以完成电子干扰，地面侦查甚至目标攻击，但目前研究最热门的是地面侦查。地面的军事目标，尤其是移动目标，是地面侦查中最有价值的目标之一。全自动目标跟踪仪通过对目标的跟踪，获取目标实时状态，并向控制总部发回信息，指导对跟踪目标的攻击，其发现和跟踪目标的性能很大程度上决定了情报的准确性，从而影响了战争的走势。在无人监控过程中，对目标的准确跟踪和分析会直接决定侦查的准确性和效率，因此，全自动目标跟踪技术是当前军事发展的一项核心技术和最为迫切的需求。从当今部队的使用情况来看，地面高炮防空部队、海军岸防部队、海军舰艇部队对于防空型光电跟踪产品都有不同程度的需求，以作为雷达设备的有效补充。这些需求有很多种，但就作战方式来讲可以分成手动跟踪和自动跟踪两类。而目前国内的手动跟踪市场已经基本趋近饱和，部分自动跟踪产品因为位置传感器技术限制，不能快速地反馈目标的位置值，影响跟踪系统的准确性。现在无论是从技术角度还是从需求角度来讲，都应该研制一个全自动跟踪产品。 因此本课题研究的目的是充分结合实际需求，特别是当前客观存在的舰载平台的潜在需求，研制一个多平台使用(既可以基于地面平台使用，也可以基于动基座使用)的全自动目标跟踪系统。该系统主要由伺服驱动、图像采集和通信三大模块构成。图像采集模块得到目标对象的基本信息，伺服驱动模块经由相应的控制程序驱动负载，实现对目标的实时跟踪。全自动目标跟踪仪一直以来都是军事研究的一个热点，同时其具有机动性好、成本低、生存能力强等特点，对提高军事效能，保存有生力量具有深远的意义，特别适用于恶劣环境下的作战。全自动目标跟踪仪在智能性，灵活性以及可携带等方面有较大的优势，因此全自动目标跟踪仪的研制有着积极的意义。1.2 目标自动跟踪技术发展概况目标跟踪技术作为科学技术发展的一个方面可以追溯到二战前夕，即世界上出现第一部跟踪雷达站SCR.28时。传统的目标跟踪技术只能用来跟踪单目标，随着电子对抗技术的发展，目标的机动性能不断改善，被测目标的不确定性越来越复杂，单目标跟踪技术已不能满足要求。与此同时，随着传感器技术和数字处理技术的发展，多传感器多目标跟踪技术越来越受到重视。多目标跟踪的基本概念是Wax在1955年首次提出的。Sittler在1964年开创性地研究了多目标跟踪理论及相关的数据关联问题。70年代开始，机动目标跟踪理论开始得到广泛的关注。1975年，Bar-Shalom将Kalman滤波和数据融合结合起来应用于目标跟踪，这标志着多目标跟踪系统新的发展5。目前目标识别与跟踪技术已广泛运用于军事、交通以及导航等相关领域。自动跟踪技术能够加快反应速度、加强系统的自动化程度和提高装备的持续作战能力，是当前国内外装甲车辆火控系统的主要发展方向之一。我国在目标跟踪技术方面的研究也取得了可喜的成果，其中 “长白”舰载相控阵雷达能够实现360°目标跟踪和告警，目标指示精度可达1mrad，虚警率小于1次/h。美国是研制和使用目标控制技术最早的国家，不论在技术水平还是装备的品种均领先于其它国家，迄今为止最重要的工程研究工作是Martin Electronics and Missiles与前Hughes Electro-Optical Systems公司合作研制的舰载目标跟踪系统，该系统在导弹发射演习过程中能实时探测和跟踪反舰巡航导弹目标。另一种典型的红外搜索与目标跟踪系统是荷兰研制的IRSCAN系统，质量为100kg的IRSCA稳定传感器头以78r/min的速度扫描360°范围，俯仰角度为14.6°，能对32个目标进行跟踪和告警，对典型的来袭亚声速导弹的告警距离为12km。鉴于目标跟踪技术的快速发展，20世纪90年代初，西方在目标自动跟踪的基础上，又开始提出了目标信息融合技术，并已取得很大进展。近期国外公布的主战坦克在2008-2015年期间的发展思路，在火控系统和车载指挥控制系统方面提高了不少超常的战技指标，如提高对低空目标和地面上可视超远距离的射击精度与跟踪精度等。这些高性能的实现，均依赖于目标信息处理技术与目标自动跟踪技术的综合。这一发展动向表明，以目标信息处理和目标自动跟踪的综合为主要特征的自动跟踪技术的深化发展，己成为21世纪初推动装甲车辆指挥控制系统与火控系统高速发展的原动力之一6。自动目标跟踪技术的重要地位与作用已经引起了国内外专家学者的普遍重视。1.3 论文主要工作本课题主要研究内容是全自动目标跟踪仪的伺服控制系统设计，包括硬件电路设计和软件实现。硬件部分：伺服控制系统的硬件主要分为运动控制模块、通信模块、数据采集模块、信号检测模块和电源模块。在伺服系统的设计过程中，伺服控制器选择ARM7系列的LPC2368芯片搭建外围电路。硬件电路按模块进行设计，方便调试与功能扩展。运动控制模块包括PWM隔离电路以及双高端器件MC33486构建的驱动电路的设计；通信模块主要包括串行端口(UART)电路、CAN总线接口电路；数据采集模块设计了A/D接口电路、串行端口(SSP)与EnDat绝对式位置编码器的数据传输电路；电源模块设计了5V、3.3V电源转换电路；信号检测模块设计了温度传感器信号处理电路，系统复位电路。此外还分析了系统硬件电路的优化设计。软件部分：主要包括对UART、CAN、DS18B20四个模块的底层驱动程序的编写。此外还确立了伺服控制系统的电流、速度、位置调节器的数学模型，并通过MATLAB仿真得到PID控制的相关参数，设计了系统的三闭环控制程序，主要包括A/D电流采样、SSP位置信号采集程序、PWM电机驱动程序、数字PID算法设计和定时器控制程序。在硬件平台上加载软件驱动程序，实现跟踪运动目标的目的。此外，系统选用德国海德汉公司研制的EnDat绝对式位置编码器采集目标反馈位置值，克服了常规编码器不能快速反馈数据、体积大等缺陷，提高了目标跟踪系统的准确性和实时性。1.4 论文结构安排论文结构安排如下：第一章 绪论；主要阐述了国内外课题研究意义，介绍了国内外发展概况，并概括了本文主要的研究内容。第二章 伺服控制系统总体设计；介绍了伺服控制系统的总体设计方案和控制方案，同时研究了控制系统的组成环节和各个组成模块的数学模型，并在此基础上设计了伺服控制系统的三个调节器。第三章 伺服控制系统硬件设计；分析了系统的功能需求，并根据系统的功能需求设计了伺服控制系统各个模块的硬件电路，同时介绍了系统对硬件电路板的优化措施。第四章EnDat接口编码器数据采集设计；首先研究了常规设计中使用的增量式编码器的弊端，结合伺服控制系统对快速性的要求，选用EnDat2.2数字接口绝对式位置编码器。本章重点介绍了编码器通信电路的硬件设计和软件实现流程。第五章 伺服控制系统软件设计；首先给出了系统的软件总体设计流程，详细介绍了各个模块的驱动程序和实现流程，确定了数字PID的实现算法，并在此基础上设计了控制程序。第六章 系统调试；本章对系统的各个底层驱动模块和上层控制模块进行了调试，并给出了调试结果。第七章 总结与展望；对全文的工作进行总结，并提出系统需要进一步完善的工作。2 伺服控制系统总体设计伺服控制系统就是用来控制被控对象的某种状态，使其能连续地、精确地、自动地复现输入信号的变化规律，通常称为闭环控制系统6。本课题中的伺服控制系统是以跟踪目标的位置作为控制对象的自动控制系统，属于位置随动系统。被控量(输出量)是负载机械空间位置的角位移，该系统的主要任务就是当位置给定量(输入量)变化时，使输出量快速而准确地复现给定量的变化。2.1 伺服系统介绍伺服系统是全自动目标跟踪仪的驱动模块，通过对信息的综合处理，能跟随输入信号的变化，驱动负载到给定的坐标值，完成跟踪目标的过程。伺服系统主要包括运动控制模块、通信模块、数据采集模块、信号检测模块和电源模块五大部分，其中运动控制模块是整个系统的核心。系统模块结构如图2.1所示。图2.1 伺服系统模块组成运动控制模块主要综合反馈信号和外部系统传输的目标初始信号，通过数字PID调节器，解算出控制信号，以PWM的形式传输给外部功率放大电路，驱动负载到给定的输入值，达到跟踪目标的目的。通信模块主要实现系统与上位机、系统外部模块之间的通信功能，用于向外部系统传输参数和系统状态，同时可以接收外部模块给出的相关指令。通信模块是伺服控制系统与外部系统的通信接口。数据采集模块主要完成电枢电流和负载位置值的采集，得到电流环和位置环的反馈信息；同时采集系统电压值(24V)，用于监控系统的供电电压。信号检测模块主要采集温度传感器的数据，检测硬件电路上功率放大模块的温度，防止温度过高，烧坏芯片；同时检测I2C总线上数据线(SDA)的状态，监控系统程序的正常运行，防止程序跑飞。电源模块是系统的能量来源，给系统中的电机、微控制器以及外围相关芯片提供电压，保证系统稳定地运行。2.2 伺服控制系统总体方案设计2.2.1 伺服控制系统设计要求根据全自动目标跟踪仪的作战使命，伺服控制系统需要具备以下三个方面的性能7：(1)稳定性在伺服系统的控制过程中要求系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后达到新的或恢复到原有的平衡状态。(2)准确性准确性是指伺服控制系统的控制精度，必须要求系统具有一定精度的位置传感器，能精确而可靠地反馈位置信息并检测被控对象的位置。伺服控制系统的准确性是全自动目标跟踪仪正常工作的前提。(3)快速性伺服控制系统中，要求输出量能快速地复现输入信号的变化规律，及时响应跟踪指令信号，具备快速的数据处理和数据交互能力。在保证系统稳定的基础上，更需要突出快速响应，主要表现为一方面要求调节过程要快；另一方面要求被调量的上升率要大。2.2.2 伺服控制系统总方案概述根据控制系统设计要求，伺服控制系统涉及方位向和俯仰向双路直流力矩电机控制。拟设计“一控一”(一个微控制器控制一个电机)的伺服控制器，安装在方向平台上。供电电压26V，最大电流20A。由于两个控制系统相同，本文只对一个进行介绍。伺服控制系统总体构架如图2.2所示，伺服控制组件包括控制器和功率放大器两部分，控制器负责接收由图象处理模块提供的目标偏差信息，将其作为输入信号引入伺服控制回路，同时通过同步串口(SSP)反馈回路读取EnDat位置编码器采集到的位置信息，得到位置反馈信号，位置值经微分作用后得到速度反馈信号，通过A/D通道读取电枢反馈电流值。综合反馈回路中的角度值、速度值、电流值，嵌入合适的PID算法解算出执行电机所需要的PWM控制信号，传递给功率放大电路。功率放大电路直接驱动电机，带动负载运动。图2.2 伺服控制系统的总体构架图2.2.3 控制方案设计当伺服控制系统正常工作时，即处于自动跟踪模式时，为典型的位置随动系统。基于上述伺服控制系统的设计要求，为了使系统能实现快速起制动，迅速响应输入信号的变化，可在系统中设计三个调节器，分别调节位置环、速度环和电流环，即分别引入位置负反馈、转速负反馈和电流负反馈，形成三个闭环通道。另外在本方案中三个调节器均采用的是混合型模糊PID调节器，既发挥了模糊控制器鲁棒性好、抗干扰能力强、动态性能好的优点，又可以发挥PID调节器稳态精度高的优点8。PID调节器的输入为位置偏差值，由于在二维模糊控制器中已经包含了微分作用，因此可以把PID调节器设计为PI控制，而在普通的PI控制中，引入积分的作用是消除系统静差，提高精度，但在系统的启动、停止时由于系统输出的偏差会造成积分的累积甚至饱和，从而引起超调，严重时会引起振荡9。因此在本方案中采用积分分离策略，即人为设定一个偏差阈值，当时，只采用P控制，以快速减少偏差；当时，采用PI控制，从而保证了系统精度。即 (2.1)其中，2.3 伺服控制系统的组成环节及其数学模型对控制系统的数学描述，首先需要建立系统中各个环节的传递函数，然后求出整个系统的传递函数。本系统中由PWM变换器控制直流伺服电机，并选用EnDat位置编码器作为位置检测元件，属于典型的三闭环伺服控制系统，系统结构框图如图2.3所示。图2.3 伺服控制系统的结构框图该系统的各组成环节的数学模型分析如下：1检测环节在闭环控制系统中，检测环节通常有两方面的作用：一个是检测出被测信号的大小；另一个是把被测信号转化成可以和初始信号进行比较的物理量，从而构成反馈通道10。在本系统中共有电流检测、电压检测、位置检测三个环节。2校正环节调节器在设计位置随动系统时，常常会遇到稳态性与动态稳定性能指标发生矛盾的情况，因此必须设计合适的动态校正装置来改造系统，使其同时满足稳态性能和动态稳定性能两方面的指标要求。本系统中运用了电流、转速和位置调节器。电流调节器作为内环调节器，主要作用是使电流紧随电压调节器输出量的变化而变化，同时当电机过载堵转时，能够限制电枢电流过大，起到快速自动保护的作用。转速调节器对负载变化起到抗扰动的作用，同时使转速n能很快地跟随位置调节器的输出而变化。一般速度调节以动态稳定性和稳态精度为主，对快速性的要求可以差一些，所以转速调节器采用PI调节器，即可以实现转速无静差。位置调节器是位置随动系统的主导调节器，其参数和类型决定了位置随动系统的动态跟随性能和稳态误差。位置调节器使输出信号紧随给定量的变化，其输出限幅决定了电机的最高转速。由于位置随动系统中，快速性是主要要求，因此本系统中的位置调节器需要采用PID调节器，可以实现滞后超前校正，全面提高系统的控制性能和响应时间，满足随动控制系统的要求。3 PWM调速装置控制直流电机的可逆开关型放大电路有T型和H型。T型电路要求双极性电源供电，晶闸管需要承受两倍的电源电压。H型桥式电路只需要单极性电源，对晶闸管的耐压要求相对较低。H型变换器由四个续流二极管和四个大功率晶闸管组成桥式电路11。由于双极式PWM变换器能使电流连续，不会出现断流的情况。电机低速运转时，每个晶闸管的驱动脉冲较宽，有利于晶闸管的导通性，电机的低速平稳性较好；电机停止时，有微电流，有助于消除静摩擦死区。因此本系统中采用H型双极式PWM变换器。图2.4所示为H型双极式PWM变换器的电路。四个大功率晶闸管分为两组，每次都只有两个同时导通，其余两个关断。当VT1和VT4同时导通时Ub1=Ub4；VT2和VT3同时导通时Ub2=Ub3。四个电压之间的关系式为(2.2)图2.4 H型双极式PWM变换器电路四个晶闸管的驱动电压、电流波形如图2.5所示。由图中可以看出，双极式PWM变换器的特征就是在一个周期内电压UAB从US变为US，加在电机电枢两端的电压正负交替，即可以实现电机的正反转，这也是本系统在控制电机的过程中使用双极式可逆PWM变换器的原因所在。图2.5 双极式可逆PWM变换器的电压、电流波形由图2.5可以导出H型双极式PWM变换器电枢平均端电压的表达式为 (2.3)定义占空比= Ud/US，则与ton的关系为(2.4)调速过程中，的变化范围为11。当0时，电机正转；当0时，电机反转；当=0时电机停转。图2.5所示为电机正转的波形图。晶闸管在控制过程中，通过控制占空比来实现对电机的控制。由式(2.3)可以看出晶闸管的输出电压和控制电压呈线性关系，但由于晶闸管的控制电压发生变化时输出电压并不会瞬时发生变化，响应中存在一个延时。因此可以把PWM装置看做一个带有滞后的放大环节。根据拉氏变换的滞后定理，PWM装置的传递函数可以写成(2.5)式中 KS为PWM装置的放大系数；TS为PWM模型的延迟时间，最大的时延是一个开关周期T。在电力拖动自动控制系统中，这个时延往往很小，时间常数很小的滞后环节可以近似看做一个一阶惯性环节11，因此(2.6)上式即为PWM装置的传递函数。4直流伺服电机直流伺服电机的工作原理如图2.6所示12。图2.6 直流伺服电机工作原理图根据基尔霍夫电路定律，电机电枢回路的电压、电流的方程式为13(2.7)(2.8)式中TC为电枢回路电磁时间常数，Tm为电力拖动系数机电时间常数。将式(2.7)和(2.8)拉式变换分别得到电压与电流和电动势与电流之间的传递函数为(2.9) (2.10)由式(2.9)、(2.10)得出直流伺服电机的数学模型如下图2.7所示。图2.7 直流伺服电机模型2.4 三闭环位置随动系统调节器设计三闭环位置随动系统的动态结构框图如图2.8所示，APR、ASR、ACR分别为位置、速度、电流调节器。电枢电流Id经放大系数作用后，以电压形式作为反馈信号，和速度调节器的输出信号构成一个完整的闭环电流环，和系统的硬件相关。速度环作为三闭环的中间环节，以电机的转速作为反馈信号，以位置调节器的输出值作为初始给定信号。位置环是本系统的核心环节，初始信号由图像处理系统通过CAN总线传输给伺服控制系统，反馈信号为微控制器的SSP接口采集编码器所测量的数据。三环嵌套连接，形成位置随动系统的闭环控制系统。工程上设计调节器时首先需要满足实际系统的应用需求，结合2.2节伺服控制系统的设计要求，位置随动系统的三个调节器的参数要能满足系统的稳定性和快速跟随性。在设计多环调节器时，要按照先内后外的原则，先设计电流环调节器，然后把电流环看做一个整体设计速度环的调节器1415；同理，再把速度环、电流环看做一个整体，设计位置环的调节器。图2.8 三闭环位置随动系统的动态结构图2.4.1 电流调节器设计图2.8所示的电流环中，电机的反电动势和反馈电流的作用相互交叉，使得设计工作比较麻烦。由于反电动势与速度成正比，一般情况下电流的变化比速度的变化快得多，也即反电动势对电流环而言是一个变化较慢的扰动。在电流变化的瞬间，可以认为反电动势基本不变1516，设计电流环的过程中可以暂时不考虑反电动势的动态影响。结合PWM控制器的传递函数和伺服电机的模型，得到本系统电流环的结构框图如图2.9所示。图2.9 电流环的结构框图其中为反馈电流放大倍数，电机反馈电流值通过A/D通道转换以后和实际电流存在一个放大系数；TW+1为PWM装置的传递函数；ACR为电流调节器；电流环的开环传递函数为T1=(2.11)电流环是整个控制系统的最内环，动态特性上要求电枢电流不能有太大的超调，稳态特性上要求电流无静差，因此采用PI型调节器即可以满足要求17。其传递函数的形式为(2.12)其中为调节器的超前时间常数，Kpi为电流调节器的比例系数。为了满足设计要求，工程上要求取TW与TC中较大的值，与控制环节的大惯性环节对消。本系统中TC大于TW，取TC，从而(2.13)令，T1为典型的I型系统，根据I型系统调节器的参数设计规则18，应使系统的超调量，此时KITW=0.5，从而可以计算出Kpi。至此电流环的PI调节器设计完成，电流环的闭环传递函数为(2.14)由于TW/KI是一个近乎于零的值，Td的高次项可以忽略。2.4.2 速度调节器设计结合式(2.14)所示的电流环闭环传递函数和图2.7所示的电机模型等效框图得到速度环的动态结构框图，如图2.10所示。图2.10 速度环结构框图ASR为速度调节器，由于速度环中已经包含了一个积分环节，为了实现动态抗干扰性能好，转速无静差的要求，速度环的调节器应采用PI调节器，其传递函数为(2.15)结合式(2.15)和图2.10所示的速度环的结构框图得到速度环的开环传递函数为(2.16)令，则(2.17)TS为典型的II型系统，按照工程上II型系统调节器的参数设计规则19，即=(2.18)(2.19)其中h为中频宽，按跟随性和抗干扰性都较好的原则，取h=5。从而计算出速度调节器的参数，至此速度环的PI调节器设计完成。实际控制过程中，在系统的启动、停止时速度环的积分环节很容易达到饱和而不能快速的退饱和，从而引起速度环调节滞后，电流环超调，严重时会引起系统振荡20，因此要在积分环节中根据系统要求增加限幅，保证系统的稳定性。2.4.3 位置调节器设计快速性是位置随动系统的主要要求，因此位置环主要以跟随性为主，而PI调节器是以对快速性的限制来换取系统的稳态精度的，因此位置环不能用PI调节器。由于PID调节器兼具超前滞后的优点，可以在满足系统稳定性的前提下，提高响应时间15。因此位置环采用PID调节器，其传递函数为(2.20)由速度环的开环传递函数可以得出位置环的简化结构框图，如图2.11所示。图2.11 位置环简化结构框图其中为图像处理系统传给伺服控制系统的目标位置值，为负载反馈位置值，由EnDat编码器测量得到。由图2.11可以得到位置环的开环传递函数为(2.21)为一个近乎于零的值，所以可以忽略高次项，同时将分母分解，得到近似开环传递函数为(2.22)其中、，()。由TP的数学结构可以看出在位置环校正前已经包含一个微分环节，为了保证系统的稳定精度，令=0，=KP1，使(S+1)与控制环节中的大惯性环节对消。校正后，系统的开环传递函数为(2.23)此结构形式和速度环的开环传递函数结构(2.17)一样，用同样的方法计算出，至此位置环的PID调节器设计完成。由于=0，所以位置环的调节器其实属于PI调节器。简化后的三闭环位置随动系统的动态结构框图如图2.12所示。图2.12 简化后的伺服系统动态结构框图按照工程设计要求，设计出了本系统三个调节器，提高了系统的抗干扰能力和响应速度，满足伺服控制系统的动态性能和稳态性能要求。2.5 本章小结本章首先介绍了系统组成结构，结合系统要实现的功能要求设计了控制系统总体设计方案。分析了电机的数学模型和PWM控制原理，在此基础上根据系统要求设计了位置、速度、电流调节器，阐述了三闭环控制系统的PI控制方法。3 伺服控制系统硬件设计伺服控制系统在全自动目标跟踪仪中担任着至关重要的作用，是目标跟踪仪的执行部件，因此其性能的好坏直接决定了目标跟踪仪的运行效果。伺服系统的硬件设计是整个系统的基础。本章在上一章伺服控制系统总体设计的基础之上给出了硬件电路的详细设计。3.1 硬件总结结构3.1.1 伺服控制系统功能需求全自动目标跟踪仪主要用于军事、导航、国防等相关领域。伺服控制系统是目标跟踪仪的核心，结合全自动目标跟踪仪特殊的应用环境和伺服系统要实现的功能，总结出伺服控制系统的功能需求如下：Ø 伺服控制系统属于位置随动系统，系统的输入信号是随机变化的，要求输出量能准确、快速地跟随输入信号的变化，及时地对采集到的反馈信号进行分析和处理，同时还能够实时响应外设的请求，因此需要微控制器有较高的处理频率，能满足系统的快速性要求。Ø 主控制器要实现与图像处理系统的通信功能，通过CAN总线接收图像处理模块传送的位置信息，同时主控制器还能向通信系