技术领域
[0001] 本
发明涉及
电机控制技术领域，特别涉及一种紧凑空间结构下高速旋转滤光轮控制装置和控制方法。
背景技术
[0002] 光学导引头采用多谱段成像方式，可以获得目标和干扰的更丰富信息，有助于提高导引头的目标探测、识别能
力以及提升光学导引头抗干扰性能。多谱段成像导引头设计的一个技术核心是高速旋转滤光轮的高性能控制技术。由于导引头位标器空间约束，选型的电机、
传感器、滤光轮和伺服控制
电路要满足小型化要求，同时又要满足系统技术指标要求和可靠性要求，这就对滤光轮控制装置的设计和控制方法提出了较高的要求。
发明内容
[0003] 本发明针对
现有技术的不足，提出一种紧凑空间结构下高速旋转滤光轮的控制装置和高性能控制方法，解决了微电机和
角位置传感器选型，电机与滤光轮之间机械传动，以及伺服驱动电路设计的问题；通过采用更优越的传感器
信号获取方法和合理的
控制器设计方法，解决了小型化角
位置传感器精度比较差情况下，实现高精度高
稳定性的转速控制问题；另外，解决了滤光轮控制系统中其它组成部件有微弱
模拟信号时，控制装置的微电机驱控
电路板的较强电机
控制信号对其
电磁干扰问题。
[0004] 本发明的技术方案为：一种紧凑空间结构下高速旋转滤光轮控制装置，包括旋转滤光轮、直流微电机、增量式角位置
编码器、
伺服电机驱控电路，其中：
[0005] 旋转滤光轮通过一级
齿轮传动系统与直流微电机的
转子轴连接，直流微电机的转子轴上安装增量式角位置编码器，增量式角位置编码器测量得到包括两路90°
相位差的脉冲方波信号、一路索引信号的三通道信号，伺服电机驱控电路采集三通道信号后，计算得到旋转滤光轮上四个波段相对角位置，再通过标定索引信号位置得到四个波段的绝对角位置，并根据四个波段的绝对角位置产生控制指令控制直流微电机驱动旋转滤光轮转动。
[0006] 所述的旋转滤光轮为多波段滤光片，每个
通带区域均双面
镀膜，形成4个带通膜系，包含8种
薄膜，直流微电机采用
碳刷进行换向。
[0007] 所述的伺服电机驱控电路选用DSP+FPGA双CPU架构的伺服驱动控制器，DSP负责控制指令运算，控制指令
算法解算周期为0.1ms，FPGA负责采集增量式角位置编码器测量得到的包括两路90°
相位差的脉冲方波信号、一路索引信号的三通道信号；DSP和FPGA采用总线连接，DSP中总线控制外设
接口为EMIF，数据交互采用EDMA。
[0008] 所述的电机驱动电路包括电机功率
放大器，电机
功率放大器芯片采用模拟线性功放，避免了PWM功放的死区，并降低了对其它组成部件弱小模拟信号的电磁干扰。
[0009] 所述的伺服电机驱控电路中负责控制指令运算的DSP对应的控制系统采用积分分离方法和积分抗饱和技术。
[0010] 一种紧凑空间结构下高速旋转滤光轮控制方法，包括如下步骤：
[0011] (1)将旋转滤光轮通过一级
齿轮传动系统与直流微电机的转子轴连接，在直流微电机的转子轴上安装增量式角位置编码器；
[0012] (2)令伺服电机驱控电路控制增量式角位置编码器测量得到包括两路90°相位差的脉冲方波信号、一路索引信号的三通道信号，并使用伺服电机驱控电路采集三通道信号，进而计算得到旋转滤光轮上四个波段相对角位置，再通过标定索引信号位置得到四个波段的绝对角位置，根据四个波段的绝对角位置产生控制指令控制直流微电机驱动旋转滤光轮转动。
[0013] 本发明的有益效果包括：
[0014] (1)本发明利用FPGA的高速
采样能力，对
增量式编码器输出的每个角位置脉冲方波采样计数，提高了角位置
分辨率，提高了
角速度反馈获取精度；
[0015] (2)本发明控制电路采用DSP+FPGA双CPU架构的伺服
驱动器，控制算法采用积分分离算法，提高了系统动态性能，并采用积分抗饱和技术消除了积分饱和带来的系统振荡；
[0016] (3)本发明驱动电路功放采用模拟线性功放，相比较PWM功放，避免了对系统中其它组件微弱模拟信号的电磁干扰；
[0017] (4)本发明高速旋转滤光轮的控制装置满足光机空间紧凑约束，以及采用的高性能控制方法可实现滤光轮高精度高稳定性控制。
附图说明
[0018] 下面将结合附图和
实施例对本发明作进一步的说明：
[0019] 图1为本发明一实施例的旋转滤光轮控制装置组成示意图；
[0020] 图2为本发明一实施例的微电机驱控电路组成示意图；
[0021] 图3为本发明一实施例具体实施方式中FPGA实现角位置高速采样计数仿真结果图；
[0022] 图4a和图4b为本发明一实施例具体实施方式中角位置传感器加入量化噪声后FPGA不高速采样计数和高速采样计数的角速度闭环控制仿真结果对比图；
[0023] 图5为本发明一实施例具体实施方式中输入50Hz转速时实测滤光轮控制性能曲线。
具体实施方式
[0024] 本发明针对现有技术的不足，提出一种紧凑空间结构下高速旋转滤光轮的控制装置和高性能控制方法，解决了微电机和角位置传感器选型，电机与滤光轮之间机械传动，以及伺服驱动电路设计的问题；通过采用更优越的传感器信号获取方法和合理的控制器设计方法，解决了小型化角位置传感器精度比较差情况下，实现高精度高稳定性的转速控制问题；另外，解决了滤光轮控制系统中其它组成部件有微弱模拟信号时，控制装置的微电机驱控电路板的较强电机控制信号对其电磁干扰问题，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0025] 如图1所示，是本发明所设计的旋转滤光轮控制装置组成示意图。转速控制装置由直流微电机1(内置三通道增量式角位置编码器2)，微电机驱控电路板3，一级齿轮传动系统4，旋转滤光轮5以及电机和编码器引出线6组成。具体的，图1中直流微电机1采用直流有刷微电机，采用碳刷换向器，工作寿命达3000小时，其堵转
扭矩6.92mNm，空载转速超过
9800rpm,转矩常数kM为0.0114Nm/A，满足控制装置小型化要求以及保证控制系统驱动性能够满足使用要求；图1中旋转滤光轮5为采用整体分区镀膜的多波段滤光片，每个通带区域均双面镀膜，共镀制4个带通膜系，包含8种薄膜，其
转动惯量为：487.6×10-8kg*m2；微电机1和旋转滤光轮5通过一级齿轮传动装置4进行机械传动；图1中微电机驱动电路3为采用DSP+FPGA双CPU架构的伺服驱动控制器。
[0026] 如图2所示，是本发明所设计的微电机驱控电路组成示意图。伺服处理器由DSP+FPGA组成的，DSP和FPGA采用总线通信，DSP为主处理器，发起总线
访问的读写
请求，FPGA为从处理器，响应总线的读写请求。DSP中总线控制外设接口为EMIF(External Memory Interface)，数据交互采用EDMA(Enhanced Direct Memory Access)，EDMA能在不影响CPU工作的情况完成数据的交互，可以提高处理器算法执行的实时性和高速性。DSP负责控制算法运算，采用TI的浮点DSP，主要实现
传感器数据滤波算法，控制器实现算法，控制算法闭环解算周期为0.1ms。选用FPGA的内部时钟可到40MHz，利用FPGA内部可编程逻辑资源，对角位置信号进行采集并进行高速采样计数处理，以及完成DAC芯片工作时序控制。
[0027] 由控制系统工作原理可知，电机转子的角速度反馈精度将直接影响整个控制过程及最终控制效果。因此，对电机转子角速度的检测是高速旋转滤光轮控制中首先要解决的问题；另外，为实现高精度高稳定性控制，减少系统延时和采用合理的控制算法是比较有效的方法。图3和图4采用仿真分析的方法验证了FPGA进行角度高速采样计数实现高精度角速度获取方案的可行性。
[0028] 图3是FPGA进行角度高速采样计数的仿真结果图。针对电机转子角速度的高精度检测问题，传感器精度只能到400线，即使利用A相信号和B相信号相差90°也只能到1600线，可获得角位置精度为0.225°，角位置进行微分计算角速度时会带来较大的截断误差。电路设计时，将传感器输出脉冲信号A相信号和B相信号接到FPGA管脚，FPGA内部采用高速
时钟信号对脉冲方波进行采样计数。FPGA内部采样时钟采用40MHz，对A相输出的每个脉冲进行高速采样，输入转速f(Hz)，计算每个脉冲采样点个数为 达到的角度分辨率精度 FPGA程序中使用40MHz时钟对码盘A相上下沿计数，按设计目标转速80Hz计算，计数器值应为1250，送出四个相邻速度值。
[0029] 图4a和图4b分别是角位置传感器加入量化噪声后FPGA不高速采样计数和高速采样计数的角速度闭环控制仿真结果对比图，对角位置编码器输出脉冲方波进行400倍采样计数后，理论上量化噪声幅值也变为原来的1/400，可大大降低计算的角速度
波动量。
[0030] 计算输入不同转速时，每个脉冲采样点个数以及得到的角度分辨率精度为表1，[0031] 表1不同转速下每个脉冲采样点个数和角度精度
[0032]
[0033]
[0034] 从表1数据可看出，利用FPGA对脉冲信号进行高速采样计数，可大大提高角位置分辨率，经过微分计算后得到的角速度精度也提高很多，可提高控制系统反馈精度。
[0035] 本发明另一方面实施例提出的高精度高稳定性的转速控制方法，具体是指设计了PI控制器对旋转滤光轮转速进行控制，为了消除积分饱和带来的系统振荡、调节时间延长的不利影响，采用积分分离算法，即当偏差较大时，只采用比例环节，以快速减少误差；当偏差降低到一定程度后，再将积分环节接入，消除稳态误差。积分分离控制基本思路是，当被控制量与设定值偏差较大时，取消积分作用，以免由于积分作用使系统稳定性降低，超调量增大；当被控制量接近给定值时，引入积分作用，以便消除稳态误差，提高控制精度。其表达[0036] 式中u(k)为控制量；
[0037] e(k)为k时刻的误差量；
[0038] KP为比例系数；
[0039] T0为控制系统闭合周期
[0040] β为
积分项的
开关系数，其取值如下式，E为偏差error(k)的
门限值，也称积分分离值。
[0041]
[0042] 在实际使用中，积分分离值E应当根据具体要求进行调试获得。如果E值过大，达不到积分分离的目的；如果E值过小，一旦被控量无法跳出积分分离区，只进行KP调节，将会出现静差。
[0043] 抗积分饱和方法，如果执行机构已达到了满量程状态，仍然不能消除偏差时，由于积分作用，尽管计算PI差分方程式所得到的结果继续增大或减小，而执行机构已无相应的动作，这就称为积分饱和。当出现积分饱和时，必然引起超调量的增加，控制性能变的很差。可对运算出的控制量u(k)进行
限幅，即
[0044]
[0045] 式中umin和umax分别为控制量的上限和下限。
[0046] 同时为了提高系统快速性和保证稳定性，对于PI控制器中的增益KP也进行了变参处理，当速度偏差较大时，KP较大，当偏差较小时，KP也相应减小。
[0047] 图5是实测输入转速50Hz(18000°/s)时，记录的控制性能曲线。转速波动基本在18000°/s附近，且误差服从均值为0的高斯分布，积分运算后得到角位置，其波动很小。
[0048] 进一步测试了输入转速20Hz～90Hz范围，滤光轮实际转速，转速的均值，标准差和波动率如表2，
[0049] 表2滤光轮转速测试结果
[0050]
[0051]
[0052] 此外，本发明再一方面实施例中提到减小控制装置中的微电机驱控电路板的较强电机控制信号对系统中其它组成部件的微弱模拟信号的电磁干扰。电机驱动功放大芯片比较常用的有PWM功率放大器和线性功率放大器，PWM功放本质上是一种数字开关芯片，具有电源利用率高，发热量小的特点，但是由于PWM信号中有较强的开关
电流信号，会对系统中其它组成部件的微弱模拟信号产生电磁干扰，因此，微电机驱控板设计时采用了模拟的线性功放芯片，虽然电源利用率比较低，发热量相比较PWM功放大，但是减低了对其它组成部件的微弱模拟信号的电磁干扰。
[0053] 综上所述，本发明高精度高稳定性的转速控制装置与控制方法中DSP+FPGA双CPU架构伺服驱动电路，通过减少系统时间延迟和缩短控制闭环周期提高系统响应快速性；高精度角速度反馈信号提取技术，利用FPGA直接对增量式角位置编码器输出脉冲方波信号进行高速采样计数，提高角度分辨率并提高角速度反馈解算精度；控制器设计为PI控制器，采用积分分离方法和积分抗饱和技术，提高系统快速性同时避免了系统的较大超调和长时间波动。
[0054] 进一步地，微电机驱动电路采用浮点DSP+FPGA双CPU架构，DSP主要实现复杂的传感器滤波算法和实现控制器算法，FPGA主要实现外部接口芯片逻辑控制功能和角位置传感器位置信息获取功能；电机驱动功率放大器芯片采用模拟线性功放，通过DAC芯片实现数字处理器和模拟线性功放之间的
数模转换，DAC由FPGA实现工作时序控制；DSP选用高性能浮点DSP，控制算法解算周期设计为0.1ms，减小了系统控制延迟，并提高了控制系统的快速性。
[0055] 另外，利用FPGA内部高速时钟对光电编码器输出的角位置脉冲信号进行高速采样计数，利用“T法”计算角速度，减小了角速度解算中的量化噪声，可大大提高角速度反馈的精度；控制器采用PI控制器对旋转滤光轮转速进行控制，为了消除积分饱和带来的系统振荡，调节时间延长等问题，采用积分分离算法，即当偏差较大时，只采用比例环节，以快速减少误差；当偏差降低到一定程度后，再将积分环节接入，消除稳态误差；并提出为了减小控制装置中的较强电机控制信号对系统中其它组成部件弱小模拟信号的电磁干扰，而选用线性功率放大器件，对DAC输出的模拟信号进行放大，给微电机提供线性的
电压调节。
[0056] 本发明
说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
