基于直流力矩电机快速定位光电伺服系统设计

张恩东,李 焱,张玉东,陈 宁,李 珍

(1．长春工业大学，长春 130012; 2．中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033; 3.北京鼎汉技术有限公司，北京 100070)

基于直流力矩电机快速定位光电伺服系统设计

张恩东1,李 焱2,张玉东3,陈 宁2,李 珍2

(1．长春工业大学，长春 130012; 2．中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033; 3.北京鼎汉技术有限公司，北京 100070)

光电设备大角度失调时需要快速定位来重新捕获跟踪目标。传统的方法为Bang-Bang控制，单Bang-Bang控制在精确定位时，极易出现抖振现象，针对这一不足，基于直流力矩电机提出了一种双模控制，即大角度调转时采用非线性Bang-Bang控制，在精定位，且目标满足图像提取阈值时，切换为线性控制，线性控制分为两个阶段，在红外捕获过程中，位置回路采用一阶调节器，在红外跟踪环节，位置回路切换为二阶调节器，并结合脱靶量信息完成红外捕获、跟踪的闭环控制。通过试验，在给定的某直流力矩电机的基础上，加以双模控制和文章给定的切换准则，光电设备180°快速定位在1.9 s左右，比传统方法缩短了近0.5 s，快速性大大提高，同时利用激光测距机可以给出舷角相差180°的单目标三维信息数据率为0.53 Hz，稳定性达到设计要求，提高了快速定位时光电对抗能力。

快速定位；Bang-Bang控制；直流力矩电机；双模控制；三维信息

0 引 言

光电设备大角度失调时需要快速定位来重新捕获跟踪目标。传统的控制方式是Bang-Bang控制，在系统偏差大时Bang-Bang控制可以加大对系统的控制力度，提高系统的快速性。文献[1]将Bang-Bang控制应用到雷达，利用相平面法分析了Bang-Bang控制的不足；文献[2]针对光电设备的快速定位提出了一种非线性控制和线性控制结合的方法，但是对线性控制并没有进行详细介绍，试验结果不尽人意。文献[3]针对步进电机，提出一种小偏差控制策略，但是具有很大的局限性。文献[4]针对位置伺服系统提出了一种新的快速定位的方法，即在复合控制的基础上，增加一自适应前置滤波器以改善系统动态性能,实现快速定位及跟踪，但是仅仅停留在理论及仿真上，并未在实际工程中加以应用。文献[5]基于Bang-Bang控制原理，采用廉价编码盘实现高性能快速定位最优系统，但是定位精度低，不适用于光电跟踪设备。

本文首先分析了Bang-Bang控制的原理和不足，在此基础上基于直流力矩电机提出了一种双模控制，即大角度调转时采用非线性Bang-Bang控制，在精定位，且目标满足图像提取阈值时，切换为线性控制，线性控制分为两个阶段，在红外捕获过程中，位置回路采用一阶调节器，在红外跟踪环节，位置回路切换为二阶调节器，并结合脱靶量信息完成红外捕获、跟踪的闭环控制。本文同时给出了非线性Bang-Bang控制和线性控制的最优切换准则，红外捕获阶段和红外跟踪阶段的切换准则，在工程试验中，取得了良好的试验效果，提高了光电设备大角度快速定位时光电对抗能力。

1 双模控制的控制方法

1.1Bang-Bang控制原理及不足

Bang-Bang控制是最优控制中极小值原理的一个特列。本文首先分析了Bang-Bang控制的原理和其应用于光电设备大角度失调时快速定位时的不足，在此基础上提出了双模控制的控制方法，原理图如图1所示。

图1 双模控制原理图

设电机及跟踪架的传递函数：

T为速度回路等效时间常数。

由Bang-Bang控制的状态可知，u=+1时：

u=-1时：

归纳式(4)、式(5)可得如下切换方程：

其中：

本系统采用闭环控制，所以Δθ=θi-θ，设θi=0，则Δθ=-θ，将Δθ=-θ带入式(6)可得：

由式(3)可得开关线方程：

1.2线性控制的数字实现

光电设备快速定位伺服系统是一个位置跟随系统，直流力矩电机因其力矩大、响应快、控制精度高等优点广泛作为光电设备的执行元件。光电设备由方位和俯仰两套独立的子系统构成，采用速度和位置双闭环回路控制，本文数学模型的建立以重点研究方位直流力矩电机为例。光电设备快速定位伺服系统原理图如图2所示。

图2 光电设备快速定位伺服系统原理图

速度回路的作用是减小电机时间滞后，提高系统的快速性，通过闭环，降低力矩等干扰误差。图3是速度回路闭环后的Bode图-3db处W要大于100即满足系统稳定条件。

图3 速度回路闭环波特图

位置回路的设计是要满足一定速度、加速度下的稳态和动态性能指标。图4是位置回路闭环后的Bode图，闭环带宽ωbp=20.2 rad/s。

图4 位置回路闭环波特图

图5 ark=1 900时电机加速曲线

1.4硬件构成

控制器采用DSP2812作为CPU核心，该芯片运算速度为150 MIPS，使用DSP作为中心处理单元和控制单元大大提高了系统的集成度。通过利用处理器自身资源和扩展外围器件，系统具有4路异步通讯串行接口、24路通用输入输出接口、8路PWM输出接口。其伺服系统硬件原理图如图6所示。激光测距系统采用1.06 μm波长的光源，红外系统采用像元数为 的中波红外焦平面探测器组件一套，光学系统的视场均为 ，可实现跟踪功能。

图6 伺服系统硬件原理图

2 试验与分析

图7 三种状态阶跃响应

当红外从捕获阶段切换为跟踪阶段时，开启激光测距机，对于往返调转，为了保证激光测距的准确性，我们保持4帧，其中激光测距机前4帧距离信息中有3帧以上为激光探测值则激光测距视为有效。图8为目标跟踪时的模拟图像。

图8 目标跟踪时的模拟图像

图9是双模控制时90°往返定位的录取报文的截取片段，读取报文可知方位角、俯仰角的位置信息，分析激光测距反馈的距离信息是否为探测值可知激光测距机反馈距离信息是否稳定。

图9 双模控制录取报文图

系统要求单180°定位时，定位时间不超过3s。对本系统典型大角度定位能力做出以下统计，如表1所示。由试验可知，双模控制下，快速定位能力完全满足系统要求。

表1 典型定位角度所用实际时间

3 结 语

本文基于直流力矩电机提出了一种双模控制，即大角度调转时采用非线性Bang-Bang控制，在精定位，且目标满足图像提取阈值时，切换为线性控制，线性控制分为两个阶段，在红外捕获过程中，位置回路采用一阶调节器，在红外跟踪环节，位置回路切换为二阶调节器，并结合脱靶量信息完成红外捕获、跟踪的闭环控制。通过试验，在给定的某直流力矩电机的基础上，加以双模控制和文章给定的切换准则，光电设备180°快速定位在1.9s左右，比传统方法缩短了近0.5s，快速性大大提高，同时利用激光测距机可以给出舷角相差180°的双目标三维信息数据率为0.53Hz，稳定性达到设计要求，提高了快速定位时光电对抗能力。

[1] 周永清.雷达伺服快速定位Bang-Bang控制的数字实现[J].系统工程与电子技术,1989(5):41-47.

[2] 谢慕君,葛文奇.快速定位系统最佳转换点的确定[J].光学精密工程,1997,5(4)53-57.

[3] 李 汉.一种步进电机快速准确定位系统的设计及其分析[J].微电机,2012,45(9):92-95.

[4] 孙麟治,李鸣鸣,程维明.精密定位技术研究 [J].光学精密工程,2005,13:70-75.

[5] 张寅孩,张仲超.用Bang-Bang控制策略实现快速定位最优系统[J].电力电子技术,2003,37(1):22-24.

[6]SUChuan,CHENGFT,HUANGMH，etal.Intelligentprgnosticssystemdesignandimplementation[J].IEEETransactionsonSemiconductorManufcturing,2006,19(2):195207.

[7] 陈娟. 数字化光电跟踪系统定位极限环的研究[D]. 长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2003.

[8] 葛兵,高慧斌.舰载经纬仪视轴自稳定方法[J].舰船科学技术,2006.28(6):93-96.

[9] 徐佑军,刘金硕.跟瞄伺服快速定位的数字控制[J].微机发展,2002(1):88-90.

[10]VANZWIETENJH,DRISCOLLFR,VANZWIETENTS,etal.Developmentofanadaptivedisturbancerejectionsystemfortherapidlydeployablestableplatform-part2controllerdesignandclosedloopresponse[J].OceanEngineering,2010,37(14/15):1367-1379.

[11]WANGGL,XUD,GYUY.Anovelstrategyofdead-time.compensationforPWMvoltage-sourceInverter[C]//AppliedPowerElectronicsConferenceandExpositionTwenty-ThirdAnnual.2008:1779-1783.

[12] 胡寿松.自动控制原理[M].北京:科学出版社,2007.

DesignofPhotoelectricFastPositioningServoSystemBasedonDCTorqueMotor

ZHANGEn-dong1，LIYan2，ZHANGYu-dong3，CHENNing2，LIZhen2

(1.Changchun University of Technology,Changchun 130012,China; 2.Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics,CAS,Changchun 130033,China;3.Beijing Dinghan Technology Co.，Ltd.，Beijing 100070，China)

Large angle misalignment of optoelectronic devices need to quickly locate to recapture tracking target. traditional method is using Bang-Bang control, when the Bang-Bang control is precise positioning, the system is not easy to be stable . For this deficiency, this paper presents a kinds of double model control, namely the coarse tracking uses Bang-Bang control, when the extraction threshold of the image satisfied for thecontrast of the target, it switches linear control into the small deviation range, and during the linear control, it puts forward the strategy of infrared an order capturing and infrared second-order tracking depending on the characteristics of different regulators, and combines the IR information to accomplish the closed-loop control of IR tracking. Using this method and the switching criteria what the paper has given, it achieved good results in the experiment, which makes the photoelectric device spend around 1.9 s in 180° position, it is shorter nearly 0.5 s than traditional method, at the same time, the laser rangefinder gives the rate of three-dimensional information about 0.53 Hz, meet the design requirements of stability and improve the optoelectric count measure ability.

fast positioning; Bang-Bang control; DC torque motor; double model control; three-dimensional information

2015-07-23

TM33;TM359.6

：A

：1004-7018(2016)11-0054-03

张恩东(1989-)，男，硕士研究生，主要从事电力电子与电气传动、舰载光电设备伺服控制、快速定位伺服控制等研究。