激光跟踪控制系统的设计.pdf

天津大学 硕士学位论文 激光跟踪控制系统的设计 姓名 周春艳 申请学位级别 硕士 专业 测试计量技术及仪器 指导教师 裘祖荣 20070601 中文摘要 基于多边法原理的激光跟踪干涉坐标测量系统具有测量范围大 精度高 柔 性 动态 可现场测量等特点 此外 还具有系统参数自标定 丢光信息自恢复 误差分离和补偿 干涉仪的迁移和再标定 系统重组等功能 具有非常广阔的应 用前景 本文主要研究了测量系统的一个关键部分一伺服控制系统 应用了F P G A 技 术 设计了一种全数字的电机控制系统 论文的主要工作如下 1 进行了单板硬件电路的设计 包括位置信号处理电路 信号的A D 转换 电路 以及A D 采集和信号发生电路等 2 利用V e r i l o gH D L 语言对F P G A 编程 实现了F P G A 对信号的采集 同 时设计了连续可调的脉冲信号发生器 提高了系统的可靠性和稳定性 通过编程 实现了电机速度的测定以及电机方向的判定 3 利用C 8 0 5 I F 系列单片机 实现对F P G A 的配置 上位机之间的通讯以 及进行P I D 运算 4 利用传统可靠的P I D 算法设计了电机控制器 利用采集的位置偏差信号 作为速度参考信号 电机的速度信号作为反馈信号 形成单闭环速度控制系统 5 实验验证了系统的跟踪特性 在大约2 米的范围内具有较好的跟踪性能 关键词 激光跟踪多边法F P G A 电机控制器脉宽调制 A B S T R A C T C o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d st h el a s e rt r a c k i n gs y s t e mf o r3 Dc o o r d i n a t e m e a s u r e m e n tb a s e do nm u l t i l a t e r a lp r i n c i p l ep o s s e s s e sm a n ya d v a n t a g e s s u c ha sh i g h a c c u r a c y l a r g em e a s u r i n gr a n g e a n dc a p a b i l i t yo ff l e x i b l ea n dr e a l t i m em e a s u r e m e n l F u r t h e r m o r e t h em u l t i l a t e r a l p r i n c i p l ea l s oh a so t h e ra d v a n t a g e s i n c i u d i n gt h e c a p a b i l i t yo fs e l f c a l i b r a t i o n s e l f r e c o v e r i n go fl o s ti n f o r m a t i o n e r r o rs e p a r a t i o na n d c o m p e n s a t i o n a n ds y s t e mr e a r r a n g e m e n t T h i sp a p e rs t u d i e sa k e yp a r to f t h em e a s u r e m e n ts y s t e m S e l W Oc o n t r o is v s t e m U s i n gF P G At e c h n o l o g yd e s i g n sac o m p l e t ed i g i t a lm o t o rc o n t r o ls y s t e m T h em a i n w o r k so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w 1 T h eh a r d w a r ec i r c u i th a sb e e n d e s i g n e d i n c l u d i n gt h el o c a t i o ns i g n a l p r o c e s s i n gc i r c u i t S i g n a lA Dc o n v e r t e rc i r c u i t A DA c q u i s i t i o nc i r c u i ta n ds i g n a l p r o d u c e c i r c u i ta n dS Oo n 2 U s i n gV e f i l o gH D Lp r o g r a m m e dF P G A l e tF P G Aa c h i e v et h ef u n c t i o no f t h e s i g n a la c q u i s i t i o n W ea l s od e s i g n e dac o n t i n u o u s l y a d j u s t a b l ep u l s es i g n a l g e n e r a t o r w h i c hi m p r o v et h es y s t e m Sr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y a n da l s op r o g r a m m e d t od e t e r m i n et h em o t o r Ss p e e da n dd i r e c t i o n 3 T h e s y s t e m U S eC 8 0 51F m i c r o c o n t r o l l e rt o c o n f i g u r e dF P G A c o m m u n i c a t ew i t hP Ca n dm a k eP 1 Dc o n t r o la l g o r i t h m 4 T h em o t o rc o n t r o l l e rh a sb e e nd e s i g n e du s i n gt r a d i t i o n a la n dr e l i a b l eP I D a l g o r i t h m R e g a r dl o c a t i o ne r r o rs i g n a la ss p e e dr e f e r e n c es i g n a l m o t o rs p e e ds i g n a l a saf e e d b a c ks i g n a l f o r m e da s i n g l ec l o s e dl o o ps p e e dc o n t r o ls y s t e m 5 T h ee x p e r i m e n tv a l i d a t e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a c k i n gs y s t e m I th a s b e t t e rt r a c k i n gp e r f o r m a n c ei na b o u t t w om e t e r sr a n g e K E YW O R D S L a s e rt r a c k i n g m u l t i l a t e r a l m e t h o d m o t o r c o n t r o l l e r F P G A P W M 独创性 声明 小人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究L 作和取得的 岁芒成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表 j 摄写过的研究成果 也不包含为获得天鲞大鲎或其他教育机构的学位或址 书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的瞬明并表示了谢意 学位论文作者签名 f 司春览 签字日期 乒叩年7 月子H 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘堂千j 关保留 使用学位论文的规定 特授权丕盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数扼库进行检 索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 mH 家自 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 J j j f p 沦艾作者 签名 I 司嗜五L 掺 fI 期 a 司年7 月9R 靳虢物 签字同期 夕扩吵年7 月7 F 天津人学硕f j 学位论文第 章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景 随着现代工业的发展 对于宏观大尺寸的测量提出了越来越高的要求 大范 围 高精度 无导轨柔性测量 现场测量 动态实时跟踪测量等 传统的大型 精密仪器三坐标测量机不适合现场测量 测量范围有限 双经纬仪测量系统具有 现场测量能力 但经纬仪测量系统在测量前需用高精度的长标准棒进行标定 而长标准棒的制作 标定和携带都会成为一个棘手的问题 并且还易变形 无法 保证其精度 另外经纬仪测量系统基于角度测量 角度测量误差带来的影响会随 着测量距离的增大而增大 限制了经纬仪测量系统精度的进一步提高 而且经纬 仪测量系统属于静态单点测量 测量效率较低 无法满足对大型工程高速测量的 要求 激光跟踪三维坐标测量是2 0 世纪8 0 年代在机器人计量学基础上发展起来的 一种新型大尺寸三维坐标测量技术 它是用激光束静态或动态地自动跟踪目标 通过测量目标点到基点的长度或长度变化量 目标点对基点的方位角等来得到目 标点的三维坐标 由于这种测量方法具有测量范围大 柔性 动态 非接触 高 精度 适用性强等诸多优点幢 3 1 世界上许多公司和研究机构都花费了大量的人 力和财力对其进行了深入的研究 开发 生产出了多种激光跟踪三维坐标测量系 统 如瑞士的L E I C A 公司 美国的A P I 和F A R O 公司 美国国家标准与技术研究 院 N I S T 日本国家计量研究院 N R L M 和英国国家物理实验室 N P L 德国 物理技术研究院 P T B 等哺 7 1 I Z 激光跟踪测量的概念 激光跟踪测量系统是在常规激光干涉仪基础上引入跟踪伺服系统 使得测量 光束可以在一定角度范围内转动 大大扩展了激光二F 涉仪的适用范围 这套系 统的工作原理是 在被测量点处设立一个目标镜 干涉仪发出的测量光束射到目 标镜上 然后被目标镜按原光路返回 当目标镜移动时 控制系统自动地调整测 天津大学硕I j 学位论文 第 章绪论 量光束的方向 始终指向目标镜 同时 返回的测量光束与参考光束干涉 得出 目标镜到干涉仪的长度变动量 根据目标镜的长度变化量 或与跟踪头给出的光 束角度变化量信息相综合 就町计算出目标镜的位置坐标 这种测量方法是在成 熟的激光干涉技术基础上 综合近二 三十年来飞速发展的计算机技术 电子技 术 精密机械技术和现代伺服控制技术 实现了对三维空间目标点的动态实时跟 踪测量 激光跟踪坐标测量系统按其工作原理可以分为三种 球坐标法 三角法和多 边法 激光跟踪测量按照跟踪头数量可分为单站 双站和多站法阳1 单站法利用 一套激光跟踪系统 采用测得的长度值和角度值计算被测点的坐标 双站法利用 两个激光跟踪头可以按三角法进行测量 多站法则利用多套激光跟踪系统 通过 测量长度量来计算得出目标点的坐标值 同时 通过冗余设计 系统具有自标定 自恢复 误差自补偿 系统的拆迁和重组等一系列崭新的特点 下面分别对这几 种测量系统进行介绍 1 2 1 球坐标法测量系统 球坐标测量系统测量采用一个长度值和两个角度值来计算确定出被测点的 三维坐标 其测量原理如图卜l 所示 测量时只要测出水平方向的回转角度钐 俯仰角度谚和长度厶即可确定P 点的三维位置坐标 通常 长度变动量由激光干 涉仪测量 角度量由编码器给出 尸 王 只 乙 图1 1 球坐标法测量原理 球坐标测量系统无需采用外部基准件对系统进行标定 这是它的主要优点 但在与光束 基点与被测点的连线 相垂直的两个方向它仍然利用测角的方法确 2 天津大学硕上学位论文第一一章绪论 定点坐标 测量误差随基点与被测点之间的距离线性增长 1 2 2 三角法测量系统 基于三角法测量原理的坐标测量系统需要两个激光跟踪头 这两个激光跟踪 头之间的位置关系 在使用前必须采用 个已知长度的标尺来标定 如图1 2 所 示 位移测量不是靠干涉仪测量获得 而是基于三角法计算得到的 即基于两站 间距 蚴尬和四个角度酝 姥 九 加输出中的任意三个来计算 跟踪 图1 2 三角法测量原理 该系统的优点在于可以进行绝对距离的测量 光路的瞬间遮挡不会对测量产 生影响 结构简单 同时避免了采用昂贵的激光干涉系统 但是由于角度测量的 误差会随着被测点到干涉仪的距离的增大而增大 因此该测量方法精度不高 1 2 3 多边法测量系统 1 9 9 1 年 日本0 N a k a m u r a 建立了采用多边法的四站三自由度测量系统 3 卜如 多边法是仅利用被测点到多个参考点之间的长度值来确定被测点的坐标位 置 计算动点坐标时只利用测量得到的长度改变量信息 而不是角度信息 因此 这种测量方法具有很高的精度潜力 是近年来受到重视并迅速发展起来的新的测 量方法 与以前的坐标测量法相比 它有如下优点 1 由于多边法计算L f l 不用角度信息 因此被测口标的距离对测量精度的影 3 天津人学硕I j 学位论文第一章绪论 响较小 2 适用于快速移动的目标 因为跟踪延时引起的误差对长度测量影响很小 3 球坐标法不具备完全的自标定能力 测量前需要将目标移到某一特定位 置 然后预置读数器 而多边法测量系统系统参数可以自标定 4 多边法可以实现丢光后信息自恢复 而球坐标测量系统则不能 基于多边法 或称为三边法 的坐标测量系统的测量原理如图卜3 所示 若 已知三个测量基点A B C 的坐标 那么只要测出三个边长P A P B 和P C 空间 目标点P 的三维坐标就可唯一确定 P C 图1 3 基于多边法的坐标测量系统的测量原理 1 3 电机控制器的发展 电机是一种机电能量转换的装置 在国民经济中起着重要作用 在实际应用 中 已由过去简单的起停控制 提供动力为目的的应用 上升到对其速度 位置 转矩等进行精确控制幢 0 最初的电机控制都是采用分立元件的模拟电路 后来随着电子技术的进步 基础电路甚至电机控制专用集成电路被大量在电机控制中引用 这些电路大多为 数模混合电路 它大大提高了电机控制器的可靠性 抗干扰能力 又缩短了新产 品的开发周期 降低了研制费用 因而近年来发展很快 l 川7 1 当前电机控制的发 展越来越趋于多样化 复杂化 现有的专用集成电路难以满足苛刻的新产品开发 要求 为此可考虑自己开发电机专用的控制芯片 现场可编程门阵列 F P G A 可以作为一种解决方案 一片F P G A 就可以实现非常复杂的逻辑 替代多块集成 电路和分立元件组成的电路 它借助于硬件描述语言 V H D L 或V e r i i o gH D L 来 4 大津大学硕士学位论文第 幸绪论 对系统进行设计 硬件描述语言摈弃了传统的从门级电路向上盲至整体系统的设 计方法 F P G A 在电机控制中 最基本的要起三个作用 组合逻辑 计数器和状 态机 在电机调速 变频控制中 存在大量的逻辑与 或 非运算 这是F P G A 最基本运算 利用F P G A 进行逻辑运算 无疑是非常方便的 1 4 课题研究目的和内容 由于激光干涉仪是目前世界上大范围位移测量精度最高的实用工具 由多路 激光跟踪干涉仪组成的柔性坐标测量系统 不需要精密导轨 测量范围可以很大 几十米以上 并且通过冗余设计系统具有自标定 自恢复 自补偿的能力 因此 多路激光跟踪坐标测量系统被认为是最有潜力的高精度 大范围 非接触 动态 现场测量工具 基于多边法原理的激光跟踪坐标测量系统具有很高的理论精度 并且具有自 标定的能力 适合于现场测量 激光跟踪测量系统依据多边法原理 用四路或更 多路激光跟踪干涉仪同时瞄准并动态跟踪空间同一目标点 测量出目标点到各个 跟踪测量站之间的距离 可以求出目标点的空间坐标 由于测量过程中只涉及到 长度量 没有角度量 可克服角度测量误差换算成长度量时误差进一步随距离增 大而增大的缺点 因此系统在理论上具有很高的测量精度 另外 系统具有自标 定的能力 适合于现场测量 通过系统的冗余设计 解决了系统标定困难和激光 干涉技术对测量过程中的挡光问题 因此 系统具有实用价值 本课题主要研究了测量系统中的跟踪控制部分 在前人研究成果的基础上做 了改进 以前 控制部分都是采用模拟电路来实现 由于模拟系统调节困难 继 承性差 因此 陈曦师姐重新设计了一套数字控制系统 该控制系统中以计算机 为核心 通过其他模块联合构成了闭环系统 E P O S 2 4 I 电机控制器工作在位置 模式 构成了电机控制的电流环和速度环 用U S B 转C A N 模块实现控制器和计 算机的通信 用数据采集卡采集P S D 的位置信号 通过在计算机内L a b v i e w 软 件平台下对控制器 数据采集卡 控制算法 和位移测量分块编程再合成为一个 总的程序 硬件与软件结合构成整个数字控制系统 该系统的优点是模块化程度 很高 各个部分分工明确 便丁 分块调试 但是由于整个系统以P C 为中心 使 天津大学硕士学位论文第一章绪论 得系统很不灵活 不便于多路测量 同时由于W i n d o w s 操作系统并非实时操作 系统 L a b v i e w 程序在运行与实时显示方面会显得资源不足 不利于实时控制 针对上述问题 我们利用F P G A 构建了自己的控制系统 可以在硬件平台内 完成电机控制 数据采集 控制算法等功能 系统小巧灵活且避免了利用上位机 传递控制信号实时性差的问题 主要r T 作如下 l 进行了单板硬件电路的设计 包括位置信号处理电路 信号的A D 转换 电路 以及A D 采集和信号发生电路等功能电路 2 利用V e r i l o gH D L 语言对F P G A 编程 实现了F P G A 对信号的采集 同 时还设计了连续可调的脉冲信号发生器 提高了系统的可靠性和稳定性 另外还 编程实现了电机速度的测定以及电机方向的判定 3 系统利用C 8 0 5 1 F 系列单片机 对其编程实现对F P G A 的配置 上位机 之问的通讯以及进行P I D 运算 4 利用传统可靠的P I D 算法设计了电机控制器 利用采集的位置信号作为 速度参考信号 电机的速度信号作为反馈信号 形成单闭环速度控制系统 6 天津人学硕士学位论文 第 I 章系统没计 第二章系统设计 由多路激光跟踪干涉仪组成的柔性坐标测量系统 不需要精密导轨 测量范 围可以很大 并且通过冗余设计系统具有自标定 自恢复 自补偿的能力 因此 多路激光跟踪坐标测量系统被认为是最有潜力的高精度 大范围 动态 现场测 量工具 课题基于多站法测量原理 利用四路激光跟踪干涉仪同时瞄准并动态跟踪空 间同一目标点 测量出目标点到各个跟踪测量站之间的距离 从而求出目标点的 空间坐标 由于测量过程中只涉及到长度量 没有角度量 并且利用了激光干涉 技术测量长度量 因此系统在理论上具有很高的测量精度 下面首先介绍四路激光跟踪测量系统的测量原理 然后对激光跟踪部分的设 计进行详细介绍和总结 2 1 基本测量原理 与G P S 全球定位系统 定位原理相似 激光跟踪测量系统可以通过测量三 个已知点到被测点的距离来确定该点的位置坐标 这就是多站法测量的基本原 理 由于系统需在被测对象现场进行 三个基站的相互位置关系是未知的 为了 实现系统自标定 挡光后信息自恢复等一系列重要功能 在三路激光跟踪坐标测 量系统基础上 增加了一路跟踪干涉仪 采用硬件冗余方式 构成冗余系统 图 2 1 给出了四路激光跟踪干涉仪组成的三维坐标测量系统 图2 1 四路激光跟踪柔性坐标测量系统 7 天津入学硕J 学位论文 第二章系统设计 设基站坐标为B j x B j Y s j z B 户l 2 3 4 为基点的序号 对于空间任意一动 点P i x i y i z O 有两点距离公式 x B j 2 M y 毋 2 Z J z 毋 2 乞 2 1 其中 L 为初始动点到第 个基点的初始长度 l j 为第i 个动点到第 个基 点的长度变化量 L 可以表示为 l 一x 毋 2 Y B j 2 z 一z 印 2 2 2 而 Z o 为初始动点坐标 每个动点相对于4 个基点可以建立4 个方程 而测量点的坐标未知数只有3 个 因此只要通过测量足够数目的动点 就可以利用最小二乘原理求出基点位置 等需要标定的参数 并对动点位置求解 这样可以提高测量点的坐标计算精度 2 2 激光跟踪系统设计 四路激光跟踪坐标测量系统是由四个相同的单路的激光跟踪系统组成 单路 激光跟踪系统是一个随动系统 即当目标镜移动时 通过传感 跟踪控制部分和 激光跟踪头 改变激光测量光束的方向 使测量光束始终对准目标镜 最后通过 激光干涉仪测出目标镜到跟踪转镜之间的相对运动距离 单路激光跟踪系统主要由以下几个部分组成 激光干涉仪 干涉测长光路 传感和跟踪控制系统 激光跟踪头和目标反射镜 2 2 1 激光干涉仪 由于激光具有很好的相干性 其相干距离可以达到数公里 所以自激光问世 以来 以激光为光源的激光干涉仪一直被人们所关注 其应用范围不断扩展 激 光干涉技术也不断发展 出现了各种形式的激光干涉仪 尽管存在各种形式的激 光干涉仪 但从原理上讲 可以归结为单频激光干涉仪和外差激光干涉仪两种基 本类型 我们选择的A g i l e n t 5 5 1 9 的双频外差激光干涉仪 它的精度高 对回光 不敏感 工作状态稳定 四路激光跟踪干涉三维坐标测量系统的基本工作单元是 激光跟踪干涉仪 激光跟踪干涉仪是由普通的激光干涉仪引进了伺服跟踪转镜所 构成 使测量位移方向从固定的直线方向转变到可以投向空间任意点的任意方 8 天津人学硕f j 学位论文第二章系统设计 向 大大扩展了干涉仪这种高精度测量仪器的测量空间 同时 由于激光干涉仪 是增量式测量 所以测量过程中测量信号不应该中断1 1 3 2 2 2 干涉测长光路 激光头选择A g i l e n t 5 519 A 双频激光干涉仪 它有两种工作方式 一种是测 量位移 此时把激光头前端的转环拨到 O T H E R 档 一种是测量直线度 转 环位于 S T R A I G H T N E S S 档 在转环内有两个平行的反射镜 通过转环位置 的改变来改变内部的反射镜的位置 如图2 2 所示 激光头 图2 2 干涉仪测量直线度 我们采用激光干涉仪测量直线度的内部光路 来组建跟踪仪的测量光路I g l 如图2 3 所示 激光头射出两束激光束频率分别为彳和正 为偏振态相互垂直的 两 图2 3 单路激光跟踪图 9 转镜 电机 天津大学硕l 学位论文第二章系统设计 束线偏振光 它们进入偏振分光棱镜后 一路光 参考光 被偏振分光镜反射到 角锥棱镜 角锥棱镜将光束原路返回 形成参考光束 另一束透过偏振分光镜和 分光棱镜后 由转镜反射进入目标镜 然后光束按原路返回 返回的测量光束一 部分透射过分光棱镜 与角锥棱镜返回的参考光束会合 进入激光干涉仪 激光 头内置的两个平行的反射镜将它们导入接收器中 进行计数 计数器可以显示出 目标镜移动引起的距离变化数值 从而实现激光干涉测长 另一部分被分光棱镜 反射 透过干涉滤光片后 照射在位置检测器件P S D 上 2 2 3 跟踪控制部分 三维伺服跟踪控制在激光跟踪干涉测量系统中是一个重要环节 它控制跟踪 转镜的转角 始终将激光的测量光束反射到目标镜的中心 跟踪控制过程如下 激光头射出的两束激光 其中一束被反射到角锥棱镜 角锥棱镜将光束原路返回 形成参考光束 另一束透过偏振分光镜 由平面转镜反射进入目标镜 然后光束 按原路返回 目标镜反射回来的光束经过平面转镜反射到分光镜 分光镜将部分 光透射到偏振分光镜上 进入干涉光路 与参考光干涉 另一部分反射到位置检 测器P S D 上 当目标镜移动引起反射光束发生平移时 位置检测器有不平衡信 号输出 跟踪电路就根据这个信号来控制电机 电机再带动转镜转动使光束通过 目标镜中心 跟踪控制部分的首要设计任务是跟踪精度高 工作平稳 响应迅速 性能可 靠 激光干涉仪测量线位移时 要求运动目标的最高速度不超过0 7m s 取l m s 为伺服系统的最高跟踪速度 要求系统无静态误差 即当跟踪静止时 要求光线 能从目标镜中心入射 当跟踪速度为I m s 时 跟踪位置误差应小于1 5 m m 跟 踪位置误差为1 5 m m 时 激光干涉仪的测量光束与参考光束偏差为3 r a m 2 2 4 激光跟踪头 激光跟踪头是激光跟踪测量系统的重要组成部分 它直接影响到整个测量系 统的跟踪性能和测量精度 对激光跟踪头的要求包括 实现转镜绕空间某一旋转 中心转动 将激光束导向在三维空间运动的目标镜 光束反射点在跟踪过程中保 持不动 跟踪机构转动惯量和摩擦力小 针对以上要求 系统运用了独立式单转镜跟踪头 其原理如图2 4 所示 平 l O 天津人学硕 f 位论文第 章系统设计 面反射镜作为跟踪镜粘贴在开有V 犁槽的镜架上 其反射面与V 型槽的对称中 心面重合 两个独立回转的直流电机通过端部带有小钢球的两个拨杆拨动跟踪镜 作三维回转 为保证跟踪过程中基点的稳定不变 两电机的回转轴线相互垂直并 相交于跟踪镜的反射面上 这样 当光束以基点作为反射点时 理论上不会因跟 踪转镜的转动而产生附加光程 这种跟踪机构的转动部分的转动惯量及各种摩擦 都很小 因此具有良好的动态跟踪性能 此外 通过合理的精密加工 装配及调 整 可以确保跟踪机构的跟踪精度 图2 4 独立式单转镜跟踪机构 反射光束 入射光束 镜 大津大学硕士学位论文第三章跟踪控制系统硬什设计 第三章跟踪控制系统硬件设计 三维伺服跟踪控制在激光跟踪干涉测量系统中是一个重要环节 它控制跟踪 转镜的转角 始终将激光的测量光束反射到目标镜的中心 通过目标镜中心的光 束将按原光路返回 进入干涉光路 与参考光干涉 通过计算干涉条纹的数目 得出目标镜与转镜中心距离的改变量 伺服系统工作平稳 响应迅速 性能可靠 是首要的设计任务 所以除了要 求灵活轻巧的被控制对象外 还要有可靠的电气系统 这一章我们详细讨论控制 系统的设计 3 1 激光跟踪工作原理和总体设计方案 3 1 1 激光跟踪工作原理 图3 1 跟踪系统处于平衡态 图3 2目标镜偏移了d 后的光路图 入射光束 天津人学硕L 学位论文第三章跟踪控制系统硬什设计 如图3 所示 当跟踪系统处丁 跟踪平衡状态时 由激光头射出的光束 经 过干涉光路和分光镜 被跟踪转镜反射到目标镜中心 由目标镜中心入射的光线 按原光路返回 返回的激光束 有2 0 被分光镜反射到光电位置检测器的中心 位置检测器输出零电压信号 此时控制电路没有信号输到电机 当目标镜运动一 个位移量d 后 如图3 2 所示 此时光束不再从目标镜中心入射 则从目标镜返 回的光束也不与入射光重合 而是与之平行 两者相距2 d 返回光再经过分光 镜 落在位置检测器上 光斑偏离中心2 d 位置检测器输入控制电路的信号将 是一个偏差信号 通过放大调节 驱动电机 带动转镜旋转一个角度 使入射光 再次由目标镜的中心入射 消除入射光与反射光不重合的距离 重新达到跟踪平 衡状态 上述即为伺服跟踪工作原理 3 1 2 总体设计方案 针对直流电机的调速要求 本文设计了一种基于单片机C 8 0 5 I F 0 2 1 和F P G A E P l C 6 T 1 4 4 C 6 的调速系统 如图3 3 所示为控制系统的总体设计框图 光束 信号由P S D 位置测量电路拾取 转换后输出X Y 两个电压信号 分别代表光 束在X 和Y 方向偏离设定的中心点的矢量距离 也就是说 输出的电压值与光 束偏离中心点的距离成线性关系 并且电压极性与X 和Y 坐标方向相关 U I V I 乙L I L 刮一o o 净刊c P uH c m 眦 F P G A I 躺器n P W M 一确 Y D r i v e r L A D 9 2 0 0 卜 y L 2 9 3 D 卜J 图3 3 控制系统总体设汁框图 1 3 天津大学硕l 学位论文第三章跟踪控制系统硬什设计 X 和Y 两路光束位置信号经过A D 9 2 0 0 转换成数字信号 由F P G A 进行采 集并进行平均滤波 电机的速度信号也经过编码器测量 由F P G A 进行获取 在 F P G A 内部 对X 和Y 两路信号 加上电机速度信号 形成P W M 脉宽调制信 号 由单片机实现P I D 控制算法 调制信号经过芯片L 2 9 3 驱动电机转动 以 消除光束在P S D 上的位置偏差 3 2 传感器信号采集电路 为了获得稳定 准确的光位置信号 传感器的选择是很重要的 传统的光电 位置检测传感器常采用光电池 它价格低廉 处理电路简单 但是信号检测灵敏 度低 四象限特性不均匀 相差很大 暗电流大 使用寿命短 在激光跟踪系统 中 激光位置信号的检测是整个控制系统的输入信号 其准确性与精度对整个跟 踪系统能否正常工作有至关重要的作用I l 引 为了获得精确的位置信号 我们采用 P S D P o s i t i o nS e n s i t i v eD e t e c t o r s 作为位置传感器 与光电池相比 信号检测灵 敏度高 四象限特性相差很小 暗电流小 适用各种恶劣环境 使用寿命长 但 其处理电路较为复杂 3 2 1P S D 的工作原理 位置敏感检测器 P o s i t i o nS e n s i t i v eD e t e c t o r 简称P S D 是为适合位置 位 移距离等精确实时测量而发展起来的一种新型半导体光电敏感器件它利用半导 体的横向光电效应来测量入射光点的位置 1 9 5 7 年由W a l l M i a r k 首次提出 随后G L u c o v s s k gw P C o n n o t s 以及N a r u s t 等人对它做了进一步的研究 到了8 0 年代 P S D 器件得到了飞速发展 P S D 器件与电荷耦台器件C C D 不同 属于非离散型器件 P S D 输出电流随光点位置不同而连续变化具有体积小 灵敏度高 噪声低 分辨 率高 频谱响应宽 响应速度快 价格低等优点 目前在光学定位跟踪 位移距 离及角度测量等方面获得了广泛的应用 P S D 分为一维和二维两种类型 在工业自动检测系统中一般使用一维P S D 一维P S D 的结构如图3 4 所示 是一个P I N 极管结构 它由P 表面层 N 表面层和I 中间层构成 其中P 层是一个均匀一致的阻抗层 并在二端设有输出电极 P S D 的工作原理是基于横向光电效应 当一束光入射至U P S D 的表面上时 将在P S D 的表 1 4 天津人 硕I 学位论文 第三章跟踪控制系统硬什设计 面形成一个光斑 并在光斑位置产生一个与光能量成正比的光生电荷 当P S D 的 公共端加上正电压 反向电压 V r 时将形成光电流1 0 I O 沿P 层被分为1 1 和1 2 两部分输出 1 1 1 2 与光斑中心位置到输出电极X 1 X 2 间的阻抗成反比 由于P 层是匀质的 因此 电极输出的光电流就与光斑中心位置到电极间的距离成反比 光点的入射位置与电流之间有式 3 1 和式 3 2 的关系 即 厶等 3 1 1 2 吐等 若将两个信号电极的输出电流检出后作如下处理 只 格 主 就可写出入射光点位于A 点的坐标位置 x 生生三 1 2 七I l 图3 4 一维P S D 的等效电路 3 2 3 3 3 4 系统中使用的是枕形2 DP S D 它的暗电流小 响应速度高 设置偏压容易 边缘畸变小 如图3 5 所示 具体参数如下 有效光敏面2 7 m m x 2 7 m m 分辨率 2um 光谱响应范围3 8 0 11 0 0 n m 响应时间2uS 工作温度 1 0 6 0 当有 光照射到P S D 感光面时 4 个电极X I X 2 Y 1 Y 2 有电流输出 光斑在P S D 上的位置可以根据原理公式 3 5 和 3 6 可以计算出 天津大学硕上学位论文 第三章跟踪控制系统硬付殴计 图3 52 维枕形P S D 结构图 生立生12 二 监 堡2 2 垒 I 咯2 巧 2t 幺立竖立二 幺 竺1 2 型 比l 比2 巧l 巧2t 3 5 3 6 式中 2 巧2 为电极X I X 2 Y I Y 2 输出的电流经过I V 转换后的电压 t 为X 轴的感光面长度 为Y 轴的感光面长度 X Y 分别是 光斑的物理重心在P S D 感光面上的二维坐标 3 2 2P S D 的处理电路 如图3 6 所示 P S D 检测电路由三部分组成 微电流放大电路 和差电路以 及除法运算电路 图3 6P S D 自标定电路的系统结构图 1 微弱电流放大 P S D 输出的四路光电流L x y 通过I V 转换后 得到 比 圪 K 由于激光器的功率只有l m W 经过多次透射 反射后照射到P S D 上 的光强度很小 导致P S D 的感应电流很小 所以i V 转换的放大倍数要上万倍 才能使这个微弱的感应电流信号被后续电路检测识别出来 如果只采用 个电阻 作为I V 转换 如图3 7 a 所示 电阻的阻值将需要达到兆级 这时电阻的热噪声 很大 电路噪声和P S D 的暗电流引起的噪声信号会很大 影响检测信号的准确 1 6 天津人学硕 I j 学位论文第三章跟踪控制系统硬件设计 性 而且本设计不只是检测一路信号 P S D 的四路信号都要被检测 而且它们要 保持高度的放大倍数一 致性 而大阻值电阻的精度很低 很难保证四路的放大倍 数相同 而且会使输入失调电流 输入偏置电流 疗和零漂等凶素对电路增益 电路响应速度和稳定性的影响加大 进而影响输出的灵敏度和精度 a 图3 7I N 转换电路图 因此采用T 型反馈网络来检测微弱电流 T 型反馈网络 图3 7 b 所示 可 减小反馈电阻 有效提高电路的灵敏度和精度 此时放大电路的放大倍数变为 I s x R I R 2 4 警 7 利用电阻值的比值就可以极大地提高放大倍数 从而避免选择阻值很大的电 阻 影响电路的精确度 C l 起噪声抑制和环路补偿的作用 2 加减比例运算 经过w 转换后输出的四路电压信号 以 巧 经过加法和减法运 算得到 圪 巧 一 圪 3 8 比 巧 一 巧 3 9 v o 七 比l 屹2 巧l 巧2 3 1 0 其中 k 0 运算后的四路电压和 应为正值 并且为了除法电路运算的精确应该在 2 5 V 如果不在此范围内 需要改变前级放大电路的增益 具体电路图如图3 8 所示 1 7 天津人学硕J 学位论文 第三章跟踪控制系统硬仲设计 R 1 j V x lR i 8 二NT 潞 世Vx2R I 匝 三5 掣k z l 一 图3 8 加减法电路 3 除法电路 T 矿 根据上述运算可以得到z 考三 y 子 通过改变k 值 可以调节分母电 o dH 压的大小 我们采用A D 5 3 8 除法器 进行上面的除法运算 A D 5 3 8 是美国A D I 公司出品的实时模拟计算器件 2 9 1 能提供精确的模拟乘 除和幂运算功能 它具 有低输入 输出偏移电压和优异的线性性能 使其可在一个非常宽的输入动态范 围内进行精确的运算 乘 除运算误差控制在输入幅值的0 2 5 的范围之内 通 常输出偏移小于或等于1 0 0 V 由于器件具有4 0 0 k H z 带宽 进一步加强了实时 模拟信号的处理能力 它的电源范围从士4 5 到士1 8 V 允许选择 5 V 士1 2 V 和士1 5 V 标准电压作为工作时的电源电压 图3 9 是A D 5 3 8 的功能原理图 m 天津人学硕士学位论文 第三章跟踪控制系统硬什设计 图3 9A D 5 3 8 功能原理图 由图可以看出 A D 5 3 8 内部主要是由对数和指数模块构成 给2 脚和1 5 脚 施加输入电压时 3 脚的输出表达式为 一k T q 砌 y k 1 3 8 0 6 x 1 0 之3 J K q 1 6 0 2 1 9 x 1 0 1 9 C T 为热力学温度 给1 2 脚和1 0 脚施加输入电压时 8 脚的输出表达式为 巧P 吃劫 3 1 2 把3 脚和1 2 脚连接起来 8 脚输出电压 圪 巧 协 芯片内部带有 2 V 或 1 0 V 的独立的电压参考 当按照图3 1 0 连接时 5 脚 输出为 2 V 的标准电压 通过调节电位器可以使4 脚输Z E 2 V 到 1 0 2 V 之间 变化 利用A D 5 3 8 的上述功能 设计的水平和垂直两个方向带有偏置调零的两象 限除法器如图3 1l 所示 1 9 天津大学硕士学位论文第三章跟踪控制系统硬什设计 2 VT 0 I32 B J F F E R E D 图3 1 0 2 V 至1 3 l O 2 V 可调参考电压 V x 2 V v 2 v x l v 幽6 K o iU 3 Vx2 Vv2 VxI V谢v6 K 勺 V x 2 1 5 V Y v1 0 V 2 V v 2 V x l V v l2 1 3 1 4 I X l Y I Z V X V Y V Z P G N D S G N D v 1 5 V A D B C l O V 2 V V o I V 1 8 1 7 3 啊 A D 5 3 8 A D a 1 2 4 K b 图3 1 1 带有偏置调零的两象限除法器 X X 网譬缶少P占肆上 天津大学硕 学位论文第三章跟踪控制系统硬件设计 3 3 A D 转换和电路 由于位置传感器P S D 的输出信号是模拟电压信号 所以需要经过模数转换 成数字量才可以被F P G A 采集 系统中我们采用的是A D 9 2 0 0 来实现的A D 转换 由于P S D 输出的信号大小为 I VN 1 V 而A D 9 2 0 0 的转换输入伏值为卜l V 或0 一 2V 因此我们采用了放大器A D 8 0 3 l 进行了电平转换 l 器件介绍 A D 9 2 0 0 是一种单片集成电路 1 单电源供电 1 0 位2 0 M S P S 模拟量到数字 量的转换器 带有片上采样保持放大器和可编程参考电压 可选择合适的参考电 压以保证一定的精度 它的管脚和A D 8 7 6 兼容 在3 V 的供电电压下功耗为8 0 m W 供电电压范围2 7 V 到5 5 V 适合于低电压供电 高速可携带场合 非线性偏差 0 5 L S B 其显著的特点有 1 低电压供电 在3 V 供电电源下功耗仅为8 0 m W 排除参考电压 在休眠 状态 电压消耗仅为5 m W 2 封装小 有2 8 脚S S O P 和4 8 脚L Q F P 两种封装形式 3 其管脚和A 1 3 8 7 6 兼容 允许旧的设计迁移到低供电电压的情况 4 量程显示 当输入值超过了A D 9 2 0 0 的输入范围时该位就会显示 2 电路设计 2 9 I A 们 I 一J 2 7 I A 州 J 2 6 l 1 E F J 2 5 lR E F B S 2 习R E F B F J 2 3 I 蚺O D E J 2 2 lR E F l 下 2 1 剐i F T S J 2 0 lC L M P I N 1 9 IC L 蚺I P J 1 8 IR E F E N S E J 1 7 lS T B Y 一 一 1 6T H R E E S T A T E 一 1 5 lC L K 图3 1 2A D 9 2 0 0 管脚图 U 巨臣瓜 墓 们 o w 出罴 目 巳臣匝匝匝匝瓜 宝吣盯咖 讯髂 o 附 天津大学硕上学位论文第三幸跟踪控制系统硬件设计 在转换电路中 采用的是A D 9 2 0 0 内部的2 V 参考电压 2 V 参考电压的产生 电路如图3 一1 4 所示 因此在2 1 脚输出端并接0 0 1 u 和0 1 u 的电容便可得到2 V 的参考电压 如图3 1 3 为A D 转换的电路图 位置信号由X 2 一S I G N A L 端输入 流 经电阻R 5 和R 4 进入A D 8 0 3 1 的负向端 由于电阻R 1 的左端接了2 V 的参考电压 因此A D 8 0 3 1 的正向端输入电压为l V 这样A D 8 0 3 1 的输出电压为 彳IN 忐 1 坐 X2一坐 X2一SIGNAL RIR 2R 4R 4 1 一 X 2 S I G N A L 这样即实现了X 2 S I G N A L 从一1 V 一1 V 到卜2 V 的转换 电平转换后的模拟 量直接由A I N 端引入 C L K 信号由F P G A 给予 频率为1 0 M 图3 1 3A D 转换电路 图3 1 42 V 参考电压 fl 口l J r 卜f 峨 专 天津大学硕士学位论文第三章跟踪控制系统硬件设计 3 4 单片机及F P G A 外围电路 3 4 1C 8 0 5 1 F 系列单片机简介及选型 1 C 8 0 5 1 F 高速S O C 单片机简介 C 8 0 5 1 F 系列单片机是完全集成的混合信号系统M C U 芯片 具有与M C S 5 1 内 核及指令集完全兼窖的控制器 除了具有标准8 0 5 1 的数字外设部件外 片内还 集成了数据采集和控制系统巾常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件 其功 能部件包括模拟多路选择器 可编程增益放大器 A D C D A C 电压比较器 电压 基准 温度传感器 S I B u s 1 2 C U A R T S P I 可编程计数器 定时器阵列 P C A 定时器 数字I 0 端口 电源监视器 看门狗定时器W D T 和时钟振荡器等幢卜拍1 这些外设部件的高度集成为设计小体积 低功耗 高可靠性和高性能的单片机应 用系统提供了方便 也可使系统的整体成本人大降低 2 C 8 0 5 1 F 单片机型号选择 根据本课题需要 选择型号为C 8 0 5 1 F 0 2 1 它在满足课题需求的条件下 具 有最小的资源和最低的成本 C 8 0 5 1 F 0 2 1 的主要特点如下 1 高速 流水线结构的8 0 5 1 兼容的C I P 一5 l 内核 可达2 5 M I P S 2 全速 非侵入式的在系统调试接口 片内 3 真正1 2 位 l O O k s p s 的8 通道A D C 带P G A 和模拟多路开关 4 真正8 位 5 0 0 k s p s 的A D C 带P G A 和8 通道模拟多路开关 5 两个1 2 位D A C 具有可编程数据更新方式 6 6 4 K B 可在系统编程的F l a s h 存储器 7 4 3 5 2 4 0 9 6 2 5 6 B 的片内R A M 8 可寻址6 4 K B 地址空间的外部数据存