一种船载光电稳定跟踪伺服系统的设计与实现

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介绍了一种船载光电稳定跟踪伺服系统,着重介绍了功率驱动器与基于TMS320F28335 DSP的数字伺服控制器的设计与实现,简单介绍了系统软件设计和电磁兼容设计。工程实践结果表明:该系统具有较快的动态响应和较强的抗干扰性,能有效地隔离船体摇摆扰动,对类似的工程设计具有一定的参考意义。


船载光电稳定跟踪伺服系统的主要任务是隔离浪涌引起的船体摇摆,同时完成对目标的精确跟踪。本系统通过光纤速率陀螺反馈构成速率稳定环路,敏感船体角速率变化,反方向补偿该速率的变化,保证光电负载瞄准线稳定;同时接收上位机或者光电传感器发送的位置偏差指令,控制负载框架使光电设备准确跟踪目标,实现稳定跟踪功能。

1 系统组成

系统由伺服控制机箱和光电转台两大部分组成,其中伺服控制机箱由箱体、电源及保护电路、DSP伺服控制器、电流调节器、功率驱动器组成;光电转台为两轴系,无刷直流力矩电机、测角编码器分别套轴安装在光电转台上,方位轴系、高低轴系分别独立安装一套光纤速率陀螺,感应本轴系的角速率。系统组成框图如图1所示。

 

 

 

2 系统的设计与实现

2.1 系统控制结构
为了实现系统的高精度和高可靠性,系统控制结构采用多环路串级控制方案,其系统单轴(方位轴、高低轴)控制结构图如图2所示,位置调节器和稳定调节器由DSP伺服控制器实现数字调节,采用该设计方案既能充分发挥DSP伺服控制器的高速数据处理能力,又能简化电路,增加系统设计灵活性。
2.2 功率驱动器设计与实现
作为无刷直流力矩电机的直接驱动部件,功率驱动器的性能对整个伺服系统的性能具有决定性作用。功率驱动器是将电流调节器的控制误差信号进行功率放大,以驱动电机带动负载转动。本系统功率驱动器主要由基于MC33035的无刷电机控制模块、基于高速光耦HCPLA504的光电隔离电路、基于三菱PM25RAL120的功率放大模块和电流采样电路、逻辑组合电路组成,具有抗干扰性强、可靠性高、稳定性好等优点。功率驱动器工作流程图如图3所示,虚框内为功率驱动器。

 


控制模块接收外部控制信号(包括无刷电

机转子位置传感器信号、控制模块使能信号、刹车控制信号、电机旋转方向信号和误差控制信号等),产生驱动模块需要的6路原始驱动控制信号。6路原始驱动控制信号经过光耦隔离由功率放大模块进行功率放大,驱动无刷直流力矩电机。

无刷直流力矩电机的电流采样由功率驱动器中的霍尔电流传感器完成,逻辑组合电路对三路电流采样信号进行逻辑组合,输出与电机电枢电流成正比的电流信号,此信号作为电流环路的电流反馈信号。令无刷直流力矩电机位置传感器的转子位置信号分别为Sa、Sb和Sc,无刷电机三相绕组上的电流传感器的输出信号分别为ia、ib和ic,则电机的工作电流Id与三相绕组位置信号的逻辑运算关系如下:
 


2.3 电流调节器的设计与实现
由于电流环超调量越小越好,电流调节器采用PI调节器,把电流环校正成I型系统,其传递函数为:



式中Ki为电流调节器的比例系数,τi为电流调节器的超前时间常数。

 

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