用于激光反射鏡面調(diào)節(jié)的雙電機控制系統(tǒng)設(shè)計

關(guān)鍵詞： 反射鏡面調(diào)節(jié); 水平旋轉(zhuǎn)和俯仰角度調(diào)節(jié); PID控制; 雙電機控制

中圖分類號： TB9; TP23 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2025）02–0112–06

0 引言

從制造出第一束激光到目前為止，激光已逐步與生物學、醫(yī)學、藥學相結(jié)合，在激光治療、激光手術(shù)、激光診斷、激光制導等方面取得重大成果，并逐步滲透到日常生活中，而在這些研究中，激光光束方向控制是這些應用中非常關(guān)鍵的部分[1]。在云臺、機械臂等領(lǐng)域中，往往需要采用雙電機控制技術(shù)，實現(xiàn)在兩個方向甚至多個方向的控制[2-4]。Kim等[5]通過在垂直和水平兩個方向安裝8個音圈電機實現(xiàn)六自由度控制，進而設(shè)計出一種新型的高精度六自由度磁懸浮雙伺服工作臺。高躍等[6] 基于雙電機伺服驅(qū)動關(guān)節(jié)，設(shè)計了一款雙電機伺服驅(qū)動的7 自由度協(xié)作機械臂，利用遺傳算法對D-H參數(shù)公差優(yōu)化分配，減小了機械臂末端執(zhí)行器的幾何定位精度誤差。程楊和潘尚峰[7] 采用3個電機來擬合人體肩關(guān)節(jié)、一個旋轉(zhuǎn)電機擬合肘關(guān)節(jié)及腕關(guān)節(jié)，利用虛擬分解控制理論，將復雜的康復外骨骼機械臂分解為幾個簡單的子系統(tǒng)進行分析及控制。吳偉等[8]也是通過在垂直和水平兩個方向共配置6臺電機，搭建能夠?qū)崿F(xiàn)六自由度運動的水下機器人模型。

以上研究表明，雙電機控制系統(tǒng)通過將負載均勻地分配到兩個電機上，可以減少系統(tǒng)的震動和擺動，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運動精度，雙電機通過控制兩個電機的速度和方向，可以實現(xiàn)多種不同的運動模式。例如，兩個電機可以同步運動，也可以異步運動，實現(xiàn)不同的軌跡和路徑。針對激光反射鏡面水平旋轉(zhuǎn)和俯仰調(diào)節(jié)的角度控制需求，設(shè)計出一種俯仰角度和水平旋轉(zhuǎn)角度控制的雙電機控制系統(tǒng)。

1水平與俯仰角度控制模型

雙電機控制系統(tǒng)模型由電機、舵機、鏡面和激光指示器組成，通過各部分之間的聯(lián)系實現(xiàn)對激光光束反射調(diào)節(jié)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

系統(tǒng)主要通過控制鏡面在水平和俯仰方向的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)對激光光束的反射。水平方向上，系統(tǒng)通過控制電機的旋轉(zhuǎn)角度D₁，控制反射光束的水平角度α，水平方向的旋轉(zhuǎn)結(jié)示意圖如圖2 所示；俯仰方向上，系統(tǒng)通過控制舵機的轉(zhuǎn)動角度D₀，控制鏡面俯仰方向的轉(zhuǎn)動，進而控制反射光路的俯仰角度γ，俯仰方向的轉(zhuǎn)動示意圖如圖3所示。

在用于激光反射鏡面調(diào)節(jié)的雙電機控制系統(tǒng)中，反射光束與水平方向的夾角α 與輸入電機角度D₁關(guān)系如式（1）所示，反射光束與俯仰方向的夾角γ與輸入舵機角度D₀ 關(guān)系如式（2）所示。

雙電機控制系統(tǒng)使激光能夠更快更好的指向目標位置，調(diào)節(jié)電機內(nèi)部合適的PID參數(shù)，使系統(tǒng)擁有足夠小的系統(tǒng)誤差。

2系統(tǒng)硬件

為設(shè)計一個高精度、快速響應的雙電機控制激光鏡面反射系統(tǒng)，需選用一個傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定、性價比高的主控芯片，兩個能夠?qū)崿F(xiàn)位置控制且需滿足在水平旋轉(zhuǎn)角度最小分辨率0.03°、俯仰轉(zhuǎn)動角度最小分辨率0.1°的兩個電機。電機HT-S-4315作為一款內(nèi)部集成驅(qū)動器以及能夠?qū)崿F(xiàn)位置閉環(huán)控制的高可靠性直流無刷電機，控制精度為0.022°同時支持RS485 通信和CAN 通信，適用于系統(tǒng)水平旋轉(zhuǎn)角度的執(zhí)行機構(gòu)；而舵機SM40BL 作為具有位置伺服控制模式的小型直流無刷智能總線伺服電機，最小分辨角度0.088°同時支持USART 通信，適用于系統(tǒng)俯仰轉(zhuǎn)動角度的執(zhí)行機構(gòu)。因此，雙電機控制的激光鏡面反射系統(tǒng)選用舵機SM40BL、電機HTS-4315 作為執(zhí)行機構(gòu)，電源模塊、STM32 主控模塊、URT-1 驅(qū)動電路模塊作為輔助模塊。

上位機輸出角度控制信息（水平旋轉(zhuǎn)角度及俯仰轉(zhuǎn)動角度），控制信息經(jīng)過STM32模塊處理并傳輸，URT-1 驅(qū)動模塊和電機的內(nèi)置驅(qū)動模塊接收控制信息，并將控制信息發(fā)送至執(zhí)行機構(gòu)（HT-S-4315和SM40BL），系統(tǒng)做出響應，使激光指向目標點[9]。雙電機控制的激光鏡面反射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

2.1電源模塊

電源模塊主要是保證各個模塊能夠正常工作。為防止電機或舵機中的其中一個電流突然增大，造成另一個出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，因此選用兩個電源模塊分別供電。電源模塊1 通過URT-1 驅(qū)動模塊給舵機SM40BL 供電；電源模塊2通過電機的內(nèi)置驅(qū)動電路給電機HT-S-4315供電。

2.2主控模塊電路

雙電機控制系統(tǒng)主控芯片包括以下任務(wù)：程序下載、程序測試和數(shù)據(jù)傳輸，其主要包括STM32F103ZET6主控芯片、JTAG 接口、USART、LED電路和內(nèi)部晶振電路等。STM32F103ZET6 作為主控芯片，為主控模塊提供了豐富的外設(shè)[10]，JTAG 作為系統(tǒng)程序的下載接口，LED 電路作為測試程序是否正常運行，內(nèi)部晶振作為系統(tǒng)的時鐘電路，USART 為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸提供便利。主控芯片電路框圖如圖5所示。

2.3數(shù)據(jù)傳輸模塊

2.3.1電機數(shù)據(jù)傳輸模塊

電機采用RS485 通信進行數(shù)據(jù)傳輸，控制模式采用電機絕對位置閉環(huán)控制，以實現(xiàn)對激光水平方向的角度控制。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式為11 個字節(jié)，同時采用CRC16-MODEBUS 校驗方式，保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的完整性。當電機轉(zhuǎn)動360°時，對應電機步長（counts）值為16 384，改變counts 值以控制電機的轉(zhuǎn)動角度?？刂菩畔⑼ㄟ^RS485 傳輸至電機內(nèi)置驅(qū)動模塊，進而控制電機轉(zhuǎn)動使激光通過鏡面進行反射。電機的數(shù)據(jù)傳輸框圖如圖6 所示。

2.3.2舵機SM40BL數(shù)據(jù)傳輸模塊

舵機SM40BL 采用STM32的USART數(shù)據(jù)傳輸，控制模式采用恒速模式，以實現(xiàn)對激光光路俯仰角度的控制。控制信息先通過主控的USART數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送至舵機URT-1驅(qū)動模塊，經(jīng)過驅(qū)動模塊的信號轉(zhuǎn)化電路發(fā)送至舵機內(nèi)部，進而致使舵機轉(zhuǎn)動。USART數(shù)據(jù)傳輸模塊如圖7所示。

2.4上位機模塊

LabVIEW 作為上位機的開發(fā)軟件，創(chuàng)建一個上位機監(jiān)測平臺，該平臺包含了讀寫區(qū)、USART名稱區(qū)、波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位、舵機控制面板、電機控制面板等區(qū)域，實現(xiàn)了對系統(tǒng)的便捷控制。同時，讀取區(qū)域還可以實時獲取舵機和電機的實時位置，以方便數(shù)據(jù)的監(jiān)測與控制。

3系統(tǒng)控制算法

3.1系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)將人為設(shè)定的控制信息通過USART3的中斷進行接收，分別處理接收數(shù)組中的數(shù)據(jù)，得到舵機的控制信息position 和電機的控制信息counts值， 進而將position和counts值分別通過USART1和RS485 發(fā)送至舵機和電機，使激光光束通過鏡面反射至指定位置。主程序流程圖如圖8 所示。

3.2控制算法設(shè)計

在雙電機控制系統(tǒng)，為保證激光在水平和俯仰方向上分別能夠在0.6s，0.17s內(nèi)指向目標位置的同時保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在運行過程中的穩(wěn)定性，設(shè)定舵機SM40BL的轉(zhuǎn)動速度為12700步/s，電機HT-S-4315的轉(zhuǎn)動速度為100r/min（即約為27307步/s）。

在系統(tǒng)中舵機和電機的步長position和counts與角度之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系分別如式（3）、（4）所示。

為實現(xiàn)高精度的控制，伺服電機通常采用三環(huán)控制結(jié)構(gòu)，三環(huán)控制即三閉環(huán)負反饋PID調(diào)節(jié)器[9]。電壓映射電流變化，電流映射轉(zhuǎn)矩大小，轉(zhuǎn)矩大小映射轉(zhuǎn)速的變化，轉(zhuǎn)速同時又映射了位置的變化，三環(huán)控制是考慮電氣與物理融合。以實現(xiàn)更精準、更可靠控制[10]。三環(huán)控制的第一個環(huán)路為電流環(huán)，此環(huán)全部發(fā)生在伺服驅(qū)動器中，由霍爾元件對每一相的輸出電流進行檢測，并對電流的設(shè)定進行負反饋，使輸出電流盡可能地與設(shè)定的電流相等，電流環(huán)對電動機的轉(zhuǎn)矩進行控制。因此，在轉(zhuǎn)矩模式下，驅(qū)動器的計算量最少，并且具有最快速的動態(tài)特性[11]。第二個環(huán)路為速度環(huán)，對被測得的電機編碼器的信號進行負反饋PID調(diào)整，其回路中的PID輸出與電流環(huán)的設(shè)置直接相關(guān)，因此速度環(huán)中既有電流環(huán)，又有速度環(huán)，也就是說，每一種工作方式，都需要電流環(huán)，而電流環(huán)則是最基礎(chǔ)的，除了速度和位置的控制外，還需要進行電流（扭矩）的控制，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速和位置的對應控制[12]。第三個環(huán)路為位置環(huán)，為最外環(huán)，可建于驅(qū)動器與電機編碼器之間，亦可建于外接控制器與電機編碼器之間，亦或終端負載之間，視具體情形而定。在位置控制回路的內(nèi)部輸出為轉(zhuǎn)速回路，因此在位置控制方式下，整個三個回路的計算都要完成，計算量最大，動態(tài)響應最慢[13]。伺服電機的電流環(huán)的PID常數(shù)一般都是在驅(qū)動器內(nèi)部設(shè)定好的，速度環(huán)主要進行PI（比例和積分）控制，位置環(huán)主要進行P（比例）調(diào)節(jié)[14-15]。

雙電機控制系統(tǒng)中，電機HT-S-4315采用伺服電機的三環(huán)控制，舵機SM40BL采用PID控制。PID控制微分方程如式（5）所示。

4實驗驗證

4.1實驗平臺搭建

為了能夠更加方便的實現(xiàn)系統(tǒng)功能，使激光達到目標位置，搭建了由上位機、主控模塊、電機、舵機等組成的實驗平臺。實驗臺實物圖如圖9所示。

4.2實驗測試

對上位機實驗平臺進行測試，電機和舵機正常運行，數(shù)據(jù)返回正常，上位機實驗平臺通信正常。測試結(jié)果如圖10所示。

為滿足反射光束在空間中俯仰方向轉(zhuǎn)動，設(shè)定舵機在俯仰方向轉(zhuǎn)動角度限制為0°～90°。系統(tǒng)俯仰方向隨角度變化的誤差曲線如圖11 所示，俯仰方向上的誤差整體上隨著角度的增大而減小。

圖11 表明：當PID 參數(shù)K_p=10、K_i=0、K_d=5，誤差曲線如圖11藍色曲線所示，最大誤差為23%，當K_p 增大至30、K_d增大至30時，舵機響應速度變快、穩(wěn)定性增強、誤差減??；當增大K_i為5時，誤差相比之前明顯減小，最大誤差為3.3%，隨著角度的增大，誤差明顯降低。

為了使激光反射鏡面調(diào)節(jié)的雙電機控制系統(tǒng)能夠在水平方向任意旋轉(zhuǎn)，設(shè)定電機轉(zhuǎn)動角度限制0°～360°。系統(tǒng)水平方向隨角度變化的誤差曲線如圖12所示，水平方向上的誤差整體上隨著角度的增大而減小。

圖12表明： 當位置環(huán)K_p=0.5、速度環(huán)K_p=5、K_i=3時，水平方向的旋轉(zhuǎn)角度最大誤差為3.3%；減小速度環(huán)K_i=1后，最大角度誤差為1.1%，誤差相比之下明顯降低；當位置環(huán)K_p增大為1時，電機的響應時間減小，且處于穩(wěn)定狀態(tài)，隨著角度的增大，誤差明顯減小。

5結(jié)束語

針對激光反射鏡面調(diào)節(jié)設(shè)計的雙電機控制系統(tǒng)采用USART、RS485通信和PID控制算法，經(jīng)實驗驗證運用PID控制算法會很大程度減小舵機和電機的角度誤差較小，進而降低系統(tǒng)在水平和俯仰方向的角度誤差，同時，使激光束快速到達指定位置，實現(xiàn)激光光束的反射。在云臺、機械臂等多角度轉(zhuǎn)動系統(tǒng)中，雙電機甚至多電機的運用將極大簡化機械結(jié)構(gòu)復雜程度，更加便利的實現(xiàn)多角度控制，因此，雙電機系統(tǒng)對多角度控制具有重要研究意義。