一种光电跟踪伺服控制器的设计与实现

摘 要：以TMS320F28335芯片为伺服控制器核心，设计了一种高精度的伺服控制器。阐述了光电跟踪伺服系统的硬件组成及其工作原理，着重介绍了伺服控制器的硬件设计，并给出控制电路的原理图。讨论分析系统的跟踪控制难点，并给出软件解决方法。实践表明：系统具备稳定性好、精度高、快速响应性好和易调试等特点，达到了预期目标，具有实用价值。

关键词：伺服系统；控制器；跟踪系统；DSP

1 概述

伺服系统又称随动系统，是光电跟踪系统的重要组成部分之一。光电跟踪伺服系统的工作原理是，当电视或红外摄像机通过图像处理分辨出移动目标，并将目标在视场中与中心点的角度偏差数据传给伺服系统，由伺服系统控制器作数据处理，伺服驱动器通过功率变换控制驱动电机带动光电负载，使电视或红外摄像机的光轴始终瞄准目标，与目标同步运动实现自动跟踪。

伺服系统的精度、稳定性和快速响应性是光电跟踪系统的动态性能和测量精度的重要指标。跟踪随动系统设计的难点就是如何实现高精度、高稳定性和好的快速响应性。通常使用的微处理器单片机由于片内资源限制，在数据处理的高运算率和高实时性上已经难以满足现在伺服系统的性能要求。在随动控制系统中，高性能的DSP已经成为主流控制芯片，逐步取代了单片机。本设计采用美国德州仪器公司生产的DSP芯片TMS320F28335。该32位浮点型DSP芯片具有高达150MHz的高速处理能力，它的单指令执行时间最短只有约6.67ns，芯片内部集成了大量电机控制的相关电路资源，并且相比上代DSP具有更高速的数字信号处理能力，能够实时地完成复杂的控制算法。其片内集成了丰富的电机控制部件和电路，简化了控制电路的硬件设计，是一款专为电机控制研发的DSP芯片。

2 系统组成及工作原理

该伺服系统主要由控制器、驱动器、伺服电机组、光电编码器、电源及控制保护电路等部分组成[1]，系统组成框图如图1所示。

图1 系统组成框图

伺服系统环路设计采用位置环、速度换、电流环三环串级控制方案。系统环路原理框图如图2所示。伺服控制器主要负责位置环的闭环调节，伺服驱动器主要负责电流环和速度环的闭环调节。三环闭环系统能够更好保证跟踪伺服系统的高精度、高稳定及快速响应性。

3 光电跟踪伺服系统的研制

本系统采用模块化设计和专用控制芯片，大大减小跟踪伺服系统重量体积，提高了伺服系统精度及稳定性。伺服电机选用有刷直流力矩电机，套轴使用。有刷直流力矩电机具有转速低、力矩大、力矩波动小、输出转矩大、线性度好等优点[2]。根据系统精度的要求，系统使用16位的光电编码器来作为位置检测器件，采用同轴安装，减小传递误差。该编码器使用115.2Kbps波特率的RS422串口与DSP内部SCI通信。其测角分辨率为360/216=0.00549°。

3.1 控制器硬件设计

控制器由专用控制微处理器TMS320F28335核心电路、A/D 转换电路、电平转换电路、D/A 输出电路、故障信号检测电路、保护电路等其他电路构成[3]，结构如图3所示。其特点是输入信号都经过数字化采样，方便用于软件整定参数；基于32位浮点型处理单元可实现较复杂的控制算法；软件采用模块化设计重用性和通用性大大提高。其主要功能是接收上位机的控制命令，实现各种工作状态的切换及回传跟踪伺服系统的故障自检数据。

图3 控制器硬件组成

3.1.1 CAN通信电路设计

CAN总线是德国Bosch公司在20世纪80年代初为解决汽车中众多的控制与检测仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议[4]。它是一种多主总线，通信速率可达1Mbps。在TMS320F

28335DSP中的eCAN模块是一个完整的CAN控制器，完全兼容CA

N2.0B标准[5]。eCAN模块具有32个邮箱，可按照设计要求灵活配置为接收或发送邮箱。单帧能够传递8个字节数据。本设计使用SN65HVD230接口芯片做CAN收发器，数据率设置为500k，采用11位标识码。

3.1.2 A/D转换电路设计

系统有手动辅助跟踪功能，可以通过一个模拟手柄控制方位俯仰轴的转动跟踪目标。模拟电压通过A/D转换电路转换为数字信号。由于总线电平不一致，必须经过电平转换芯片SN74LVC4245A电平转换后，才能供DSP使用。本设计使用14位A/D转换芯片AD

7863，其电压输入范围为±10V，可满足系统调速要求。A/D转换电路如图4所示。

3.1.3 D/A转换电路设计

系统要求的伺服系统转速从0.05°/s到50°/s可调，则系统调速比50/0.05=1000。该系统选用的AD7836是14位D/A转换芯片，其可输出的调速比为213=8192，可满足系统调速范围要求，该芯片集成了四个14位DAC，本设计只使用其中两路输出。采用5V基准电压，满量程输出电压范围为±10V，与伺服驱动器连接方便。D/A转换电路如图5所示。

图5 D/A 转换电路

3.2 系统控制软件设计[6]

伺服控制软件使用CCS3.3集成开发环境，编写使用C语言。软件采用模块化设计方法，方便调试。系统软件流程如图6所示。其工作过程为：系统首先对DSP 进行初始化，然后系统自检，如果自检异常，系统进行故障处理，然后重新检测。直到自检无故障信号，则系统接收上位机指令后进入相应的控制模式，进行数据信息采集处理输出和串口通信。

图6 系统软件流程图

动态跟踪控制策略：

本设计采用的跟踪方式为手动跟踪和自动跟踪。手动跟踪是操作手使用手柄控制伺服转动进行初步跟踪，直到目标进入电视或红外摄像机的视场范围内。光学传感器抓住目标后再根据图像取差器实时输出的脱靶量数据转换为自动跟踪，在切换过程中光学传感器的光轴要始终瞄准目标。空中机动目标跟踪示意如图7所示。

图7 自动跟踪示意图

由于该伺服系统搭载的光学传感器视场较小，要求随动系统的动态跟踪精度小于0.5密位，因此系统设计的难点在于跟踪切换的快速响应、很小的超调量和稳定跟踪的高精度。在目标捕获过程中，如果没有有效的控制策略，就会造成目标在视场边角时切换自动跟踪状态易丢失目标的问题。针对这一难题，我们依据自动控制的基本原理，设计了动态PID跟踪控制方法。

图8 动态PID跟踪控制图

动态PID跟踪控制器如图8所示。它是以偏差量e和偏差量与时间的比值Δe为输入的二维模糊控制模型。根据固定频率持续输入的e和Δe，按照动态PID跟踪控制算法，动态计算出PID控制器3个重要参数Kp、Ki、Kd的值，并输出到PID控制器进行输出调节。通过这种动态PID算法能够很好解决伺服跟踪加速度与光电成像处理器的同步问题。

4 试验结果

经测试，自动跟踪精度小于0.5密位，方位最大加速度110°/s2，手动跟踪速度从0.05°/s到50°/s可调，各项技术指标满足设计任务要求。

5 结束语

文章详述了以美国德州仪器的DSP芯片TMS320F28335为核心处理器构成的伺服控制器的设计。采用该设计的型号产品已经批量生产，跟踪效果良好。实践表明：系统具备稳定性好、精度高、快速响应性好和易调试等特点，达到了预期目标，具有较强的工程实用价值。

参考文献

[1]秦继荣.现代直流伺服系统设计[M].北京：机械工业出版社，1996.

[2]田伟强.某测试转台电控系统设计[J].电子设计工程，2012，20（8）：72-74.TIAN Wei-qiang. Electronic control system design of a test turntable [J].Electronic Design Engineering，2012，20（8）：72-74.

[3]李红卫，刘昊，李勇臻.基于TMS320F28335 的雷达伺服系统的设计与实现[J].电子设计工程，2013.

[4]任润柏，周荔丹，姚刚.TMS320F28x源码解读[M].北京：电子工业出版社，2010.

[5]刘陵顺，高艳丽，张树团，等.TMS320F28335 DSP原理与开发编程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[6]TMS320F28335，TMS320F28334，TMS320F28332，TMS320F28235，TM

S320F28234数字信号处理器数据手册[Z].

作者简介：李颢（1981-），男，河南信阳人，工程师，研究方向：自动控制。