[发明专利]一种快速高精度指向镜伺服控制系统

说明书

技术领域：

本发明涉及二维伺服控制技术领域，具体指一种高精度指向镜伺服控制系统，可广泛应用于空间遥感仪器中。

背景技术：

航天遥感仪器往往采用二维指向镜绕两轴摆动实现大的扫描视场，对地面不同位置目标进行观测，满足大范围覆盖的要求，而二维指向镜伺服系统的性能优劣将直接影响仪器能否对目标进行精确定位，因此国内外都在研发快速高精度二维指向镜伺服技术。如美国的静止气象卫星GOES-8就利用二维扫描机构对地球圆盘扫描，扫描效率从自旋扫描卫星的5%提高到80%，元件的驻留时间增大了15倍左右，使得仪器的灵敏度大大提高。其扫描镜二维驱动是分开独立的，由力矩电机驱动，由感应同步器作为位置敏感器，整个驱动系统定位精度达到1”以上。我国目前已发射的风云系列气象卫星均采用卫星自旋+一维扫描方式，东西方向扫描由卫星自旋完成，南北方向扫描由步进电机步进扫描实现，新一代地球同步轨道三轴稳定卫星风云四号气象卫星，其上搭载的主要载荷有多通道扫描成像辐射计和干涉式大气垂直探测仪，都需要高精度二维指向镜伺服控制技术。本文提出的快速高精度指向镜伺服控制系统，采用DSP+FPGA作为控制算法的实时处理平台，能实现对指向镜的快速、高精度伺服控制。

发明内容：

本系统主要目的是提供一种可应用于空间遥感仪器的快速高精度指向镜伺服控制系统，它包括伺服控制单元和角度传感器，其特征在于：伺服控制单元由指向镜的数字控制板和模拟驱动板组成，其中数字控制板包括DSP+FPGA的控制算法实时处理平台、CAN控制器、RS485接口芯片和A/D采样芯片；模拟驱动板包括光耦，运算放大器构成的电机相电流放大、滤波电路，逆变器和三相桥构成的驱动电路。

参见图1，伺服控制系统工作原理为：模拟驱动板将经过放大滤波后的驱动电机相电流送入数字控制板的A/D采样芯片，同时数字控制板通过RS485接口芯片读取角度传感器的角度信息，量化后的电流值和角度信息在FPGA时序控制下送入DSP，完成控制算法，输出六路PWM波信号给模拟驱动板，PWM信号经过光耦隔离后送入逆变电路和三相桥驱动控制器，最终用于驱动指向镜电机。

本系统的优点在于：

1控制精度高，稳态测角精度可达到2″，动态测角精度可到10″；

2实时性好，从接收指令到指向镜开始动作只有5ms。

3响应快速，伺服机构从起始位置运动到指定位置的响应时间只有40ms；

4可以控制指向镜在大范围和小范围指定区域进行扫描。

附图说明：

图1为伺服控制单元框图。

具体实施方式：

根据说明书中所述的指向镜伺服控制系统，采用两套完全相同的硬件电路分别控制指向镜的俯仰方向和方位方向，两套电路共同安装在底板上，相互间的同步通过SPI通信实现，其中：

数字控制电路DSP芯片采用TI公司的TMS320F240，FPGA采用ACTEL公司的A1240，MAX491作为编码器的RS485接口芯片，相电流模数转换器为AD公司的AD1671；三环控制算法主要在DSP中断程序内完成，中断周期为125us，电流环采样率为8k，速度环采样频率为1k，位置环采样频率为500hz。

模拟驱动电路中的光耦为Avago公司的高速光耦HCPL-2631，逆变器为专用三相桥驱动器IR2130，相电流由0.22欧姆采样电阻检测，经INA117高共模输入放大器隔离后，送入由AD827和AD847搭建的增益放大器和TLC2272搭建的有源滤波器，经放大滤波后的电流送入到数字控制板上的12位AD。

指向镜由一个U型框架来支撑，在东西轴上，一个直接驱动的执行电机安装在指向镜转轴的一端，另一端安装一个角度传感器，南北轴的执行电机和角度传感器安装在U型框架的背面。其中：

角度传感器采用HEIDENDHAIN公司的ECN425绝对式光栅编码器；俯仰维驱动电机为科尔摩根01512型号电机，方位维电机为科尔摩根01811型号电机。