空間伺服掃描機構驅動控制技術研究

蔡華祥，吳興校，陳 強，李 彬

( 1. 國家精密微特電機工程技術研究中心，貴陽 550081；2. 貴州航天林泉電機有限公司，貴陽 550081；3. 中國科學院國家空間科學院中心，北京 100190 )

0 引 言

隨著航空航天領域各方面技術的快速發展，人們對空間領域的探測需求不斷增加，探測的難度也在逐漸加大[1-2]。在探測任務中，常用的探測方式通常是通過衛星或者飛船搭載不同的載荷，如雷達、天線、微波輻射計、光學儀器等[3-4]。通過控制衛星上搭載的伺服掃描機構其運行的轉速、角度來調節雷達、光學儀器的姿態，從而實現準確的定位及對地觀測。此外，由于空間伺服掃描機構通常執行的是周期性的掃描任務，在執行過程中，要求嚴格控制每個周期的掃描時間、掃描轉速等。因此，在實現高質量的探測任務時，需要保證高響應、高精度、高穩定的驅動控制性能[5-6]。

本文針對空間機構變速掃描任務的需求，開展了掃描機構驅動控制系統的硬件設計、軟件設計。同時針對機構不同的掃描方式，研究了系統路徑規劃算法。通過實驗測試發現，系統速度控制精度在1%以內，定位精度在0.02度以內，整個掃描周期控制誤差在3 ms左右，表明所設計的系統及算法能夠滿足空間掃描任務對伺服驅動機構的要求。

1 伺服掃描機構組成及功能需求

1.1 掃描機構組成

整個掃描機構由三大部分組成包含：伺服驅動器、執行機構和掃描負載。如圖1所示，各部分功能描述如下。

圖1 掃描機構

掃描負載是一個接收鏡，其主要功能是完成黑體定標、冷空定標和對地觀測。

執行機構由一個低轉矩波動的永磁同步電機，和兩臺高精度的雷尼紹光柵尺組成。兩個光柵尺的分辨率最高可以到32位，以互成180°的位置差安裝。伺服掃描機構工作時，以其中一臺光柵尺作為位置傳感器，另外一臺傳感器作為備份。當其中一路傳感器出現問題時，切換另外一路傳感器作為位置傳感器。

伺服驅動器以主控DSP2812為核心處理器，搭載雙光柵尺信號解碼電路、串口通信電路、信號采樣電路、驅動電路以及功率逆變電路等。

1.2 功能需求

根據掃描機構需要完成的任務，伺服系統需要具備三個功能：高精度定位工作模式，勻速工作模式和變速掃描工作模式。

高精度定位工作模式：系統根據給定的指令，定位到所給的位置角度，且定位精度要求在0.02°以內。

勻速工作模式：伺服機構以66°/s的速度作勻速掃描，轉速控制精度在1°/s以內。

變速掃描工作模式：機構以2°為轉動起始位置，逆時針轉動，整個掃描周期2.8 s。有效觀測區間有兩個。(1)黑體定標：358°～2°，角度區間4°，勻速掃描，觀測時間0.2 s；(2)冷空定標和對地觀測：106°～238°，角度區間132°，勻速掃描，觀測時間2 s；其余角度區間都是數據無效觀測區間。伺服機構做周期性變速掃描，每個掃描周期誤差小于±5 ms。

2 伺服掃描機構控制原理

掃描機構需要完成角度定位、勻速掃描、周期性變速掃描三種工作模式，因此伺服系統控制結構采用常規的三環控制結構。內環為電流環，實現電流和轉矩的快速響應控制控制。中間環為速度環，實現機構速度的快速穩定控制。外環為位置環，實現角度的精準定位[7]?？刂平Y構框圖如圖2所示。

圖2 控制結構框圖

圖中,Gi(s)、Gv(s)、Gp(s)分別為電流環、速度環和位置環的控制器。位置給定和速度給定分別為系統給定，根據不同的工作模式來選擇執行給定速度還是給定位置。位置反饋信號選用32位的雷尼紹光柵尺來獲取，速度信號根據得到的位置信號，通過差分的方式來得到。電流反饋信號通過電流傳感器采集得到。

永磁同步電機采用空間矢量控制方式，由于所設計的電機為表貼式永磁同步電機，其兩相旋轉坐標系下電磁學方程為

(1)

其中,ud,uq分別為dq坐標下的q軸、d軸電樞電壓分量；iq,id分別為dq坐標下的q軸、d軸電樞電流；Rs為電樞繞組電阻；ψq,ψd分別為dq坐標下定子磁鏈分量；φ是轉子磁鋼在定子繞組上的耦合磁鏈；Ld,Lq分別為dq坐標下的q軸、d軸等效電樞電感分量[8]。

同步電機運動學方程如式(2)所示。

(2)

表貼式同步電機中，Lq≈Ld，進而有如下關系：

(3)

因此，對于表貼式同步電機而言，通常采用id=0的控制方式。通過控制直軸電流iq就可以間接地控制同步電機電磁轉矩，進而控制同步電機的轉速和位置。

3 軟件設計

3.1 反饋信號獲取

伺服控制器三閉環控制需要四個反饋信號：q軸電流信號、d軸電流信號、速度信號和位置信號。其中q軸電流和d軸電流是由相電流經過park變換和clark變換而來。相電流通過電流傳感器實時采樣獲取。

速度信號則利用位置傳感器通過M測速法來獲取。通過測試固定時間t內的位置脈沖個數ΔM,計算ΔM/t來得到實時的速度信號。由于速度信號的獲取還是需要通過位置信號轉換得到。因此，在該掃描機構中，位置信號的獲取至關重要。

在硬件設計方面，電流信號通過電流傳感器檢測后變為模擬信號，利用主控芯片DSP的AD采樣口實時采集。位置信號則需要根據位置傳感器的信號類型設計相應的處理電路。如圖所示，由于所選用的位置傳感器為雷尼紹的絕對式光柵尺。該傳感器的信號輸出為BISS-C協議的數據。該協議通信方式需要主控給定時鐘信號，時鐘頻率范圍從100 kHz到10 MHz，然后可以從傳感器的SLO口獲取含有位置信息的數據包。針對BISS-C協議的數據，通常的解析方式有兩種，一種是通過專用的IC芯片來解析，另一種是通過FPGA芯片，按照相應協議來解析。兩種方式都可以，但限制了整個伺服驅動器的開發。對于電機控制而言，采用專用的控制芯片，有利于控制算法的實現。因此，在大多數類似伺服控制系統，通常會采用DSP加FPGA的雙核控制芯片。這樣無疑增加系統的體積和成本，同時降低了系統的可靠性。

本文中，考慮到位置傳感器的BISS協議與DSP的SPI通信口類似。同時SPI通信的時鐘頻率最高可到36 MHz，完全能夠完全覆蓋位置傳感器通信時鐘的要求。因此，采用DSP2812作為該伺服掃描機構的主控芯片，同時利用2812的SPI口實現位置信號的解析，硬件連接示意圖如圖3所示。

圖3 編碼器硬件連接圖

首先初始化DSP并進行SPI模塊設置，設置SPI的FIFO發送延時為0，使能SPI模塊的發送FIFO與接收FIFO功能。向SPI的發送FIFO連續放入M個16位長度的數據，用來產生連續的M*16個周期的時鐘信號，并作為傳感器的時鐘輸入。BISS-C協議在Ack段的最后一個位與起始位和零位組成了二進制數3’b010，對讀取的數據從第一位向最后一位順序進行對比查找，如圖4所示。數據解析完后，若錯誤位、報警位、位置校驗與溫度校驗無誤，則截取位置信號與溫度信號通過換算公式，得出當前轉臺的實際位置與傳感器溫度。輸出處理流程如圖5所示。

圖4 編碼器讀寫時序

圖5 程序流程

3.2 路徑規劃

根據系統需求，可以知道，對于整個掃描機構，需要確保兩個勻速段區間的速度穩定。一是358°到2°的角度區間，這段區間要求速度為20°/s；二是106°到238°的角度區間，這段區間要求的速度是66°/s。因此，對于整個掃描機構，需要規劃2°到106°，以及238°到358°這兩段區間的速度曲線。此外，考慮到過大的加速度對系統機構存在較大的沖擊振動影響，加速度或者減速度應該盡可能小。機構運行時間要求嚴格控制在2.8 ms以內，對于該機構的速度路徑規劃如下：

在2°到54.9°的區間內，以加速度為5426°/s2的速度加速運行；

在54.9°到106°的區間內，以減速度為5661°/s2的速度減速運行；

在106°到238°的區間內，以66°/s的速度勻速運行；

在238°到295.7°的區間內，以加速度為4943°/s2的速度加速運行；

在295.7°到358°的區間內，以減速度為4613°/s2的速度減速運行；

在358°到2°的區間內，以20°/s的速度勻速運行。

具體速度隨時間的規劃路徑如式(4)所示。

根據速度隨時間的路徑規劃可以擬合出位置隨時間的規劃路徑如式(5)所示。

(4)

(5)

機構的起始角度為2°的位置，經過一個周期后又回到2°的位置結束。因此，在位置的路徑規劃過程中，最后一段時間區間內，所計算的位置大于360°時，應該減去360°。所規劃的位置和速度如圖6所示。

圖6 規劃位置和速度曲線

3.3 控制器設計

電流環控制器同樣采樣的是積分限幅PI控制器，盡管電流環是兩個控制回路id和iq，但兩環可以采樣相同的控制器，控制器結構如下：

(6)

速度環和位置環采用的控制算法為帶積分限幅的PI控制器和輸出限幅比例控制器。

積分限幅PI控制器：

(7)

比例控制器：

Gp(s)=Kpe(t)

(8)

4 實驗測試

4.1 轉速精度測試

本次轉速精度測試根據變速掃描模式、勻速模式選取了三個速度進行測試，分別是20°/s，66°/s，120°/s。衛星轉臺以120°/s勻速運行的速度及位置曲線如圖7所示，速度均方根為119.434°/s，誤差為0.57°/s；衛星轉臺以66°/s勻速運行的速度及位置曲線如圖8所示，速度均方根為65.62°/s，誤差為0.48°/s。衛星轉臺以20°/s勻速運行的速度及位置曲線如圖9所示，速度均方根為19.192°/s，誤差為0.81°/s。

圖7 120 °/s速度和位置曲線

圖8 60 °/s速度和位置曲線

圖9 20 °/s速度和位置曲線

轉速精度實驗結果如表1所示。

表1 速度精度試驗結果

從表1可以看出，三個速度測試結果中，120°/s和66°/s下轉速精度能夠滿足任務書指標要求。20°/s下的轉速精度稍差，主要原因在于，此時電機的轉速約為3.3 r/min，而電機的轉速要求為0～100 r/min。電機在設計時，額定轉速應按100 r/min的速度設計。3.3 r/min對應為額定轉速百分之十以內，此時電機端的控制電壓同樣約為額定電壓下的百分之十以內，而電機的齒槽轉矩是固有存在的。因此在極低速時，齒槽轉矩導致的轉矩波動將會比較明顯。故通常情況下，轉速精度應只針對額定轉速下的轉速精度。

4.2 定位精度測試

伺服機構位置角度采用的是32位的傳感器，由于數據傳輸線路較長，且為了保證10 k的位置采樣，傳感器的波特率為1.5 Mbps，所以導致數據干擾較大，根據讀取位置信號的跳動情況，有效位僅為18位。所以程序選用18位精度的數據，角度測試精度可達0.00137°。

通過上位機發送給定位置指令，分別給定驅動器發送0°、90°、180°和270°四個位置指令，通過讀取編碼器的位置值，可以看出各個位置點下的位置誤差。表2是隨機幾個點的定位測試結果。從表中可以看出，四個位置點最大的位置誤差為0.02°，嚴格在任務書要求的0.02°以內。

表2 定位精度試驗結果

4.3 變速掃描模式測試

(1)變速掃描運動規劃

①從起始位置2°開始掃描，2°-106°，角度區間104°，為無效數據區間，運動模式為變速掃描，時間為0.26 s；②106°-238°，角度區間132°，此區間為冷空定標和對地觀測有效區間，運動模式為勻速掃描，觀測時間2 s；③238°-358°，角度區間120°，為無效數據區間，運動模式為變速掃描，時間為0.3 s；④358°-2°，角度區間4°，時間0.2 s，此區間為有效觀測區間，運動模式為勻速掃描，用于黑體定標；

接下來再從①-④循環往復掃描觀測。

(2)變速掃描運動測試結果

衛星轉臺變速掃描模式一個轉動周期的規劃速度曲線和實際速度曲線如圖10所示。從圖中可以看到轉臺實際運行的速度曲線與給定的擬合速度曲線基本一致。

圖10 變速掃描模式一個轉動周期的速度曲線

圖11為一個完整的掃描周期下，實際速度運行曲線與轉臺實際位置的運動情況?？紤]到加速度過大時，轉臺受到的機械沖擊較大，從而影響系統的壽命。因此，減小了轉臺運行過程中的加速度，將整個掃描周期適當延長了0.04 s，整個掃描周期為2.800 s。從圖中可以看到，轉臺要求勻速掃描的區間基本與任務書要求的一致。在106°到238°區間范圍內，以66°/s的速度勻速運行。在358°到2°的區間范圍內，以20°/s的速度勻速運行。其余兩個位置區間做變速運動掃描。

圖11 實際運行速度位置時間曲線

變速掃描模式下每周運行的時間曲線如圖12所示，單位為ms，平均用時為2.795 s。經過連續30個周期的連續運行后，統計了30個周期內每周期所運行的時間，運行周期最長的時間為2.7968 s，用時最短的周期為2.7935，從而在30個周期內每周運行的時間誤差最大為3.3 ms。

圖12 變速掃描模式下每周運行的時間曲線

5 結 論

本文針對掃描機構系統的需求，開展了控制系統的硬件設計、軟件設計以及算法設計。首先提出了一種基于DSP芯片的BISS協議解碼的系統方案，從而將編碼器輸出的BISS協議碼與電機的控制算法共同集中到一塊MCU處理。相比傳統采用FPGA或者專用解碼芯片的方式，降低了系統的體積和成本。其次，根據掃描機構不同的掃描方式，研究了系統速度和位置路徑規劃算法。并將其用于系統試驗驗證，通過試驗測試發現，系統速度控制精度在1%以內，定位精度在0.02°以內，整個掃描周期控制誤差在3 ms左右，表明所設計的系統及算法能夠滿足空間掃描任務對伺服驅動機構的要求。