1引言
1996年ContravesBrashearSystems公司，(cBs)接到一制作两用途光机系统的任务，即一望远镜目标跟踪光学输入设备，同时作为激光束定向聚焦机构。这种定向、跟踪、光束定向系统的关键部分是一大型、快速、高精度、低抖动的多轴万向架和同时具有目标跟踪和光束定向功能的控制系统.满足这些要求的望远镜、万向架及控制系统称之为光束定向系统(BeamDireetorAssembly，BDA)，山CBS设计制造并于1998年1月交货。
2设计、制造中的难度
此计划的难度之一是如何最大限度地利用现成的元件以减少制造成本和开发时间.Contraves的系统尽可能利用已商品化的硬件，以提供较低的系统成本和尽可能早的交货日期。只有在商品化技术(如编码器接口)不敷应用时，Contraves才集中精力于设计制造。
两种方法用于最大程度地利用商品化产品。第一种是尽可能利用市场上的产品，第二种是尽可能地利用新型快速计算机的计算能力实现以前专用硬件的功能。在这种情况下， 如何使以前的算法和新算法结合，并使之适用于新的处理器结构，成为一道难题。本文将主要阐述此系统的软件和电气设计以及为满足要求而采用的特殊技术，尽可能略去此系统的机械和光学部分。
3系统描述
BDA包含一个三轴万向架装置用来安放光束定位望远镜以及附加传感器。万向架内部有传递激光束到望远镜的库德(Coude )光路，为共用此光路的孔径相机提供返回光路，信号线、电源线，冷却液。万向架装置还包括电机，编码器，电缆，冷却管，电缆捆，以及方位轴、俯仰轴、四通俯仰轴(分别记为AZ,EL和XEL)的轴承等。
光束定向控制器(Beam Director As-sembly, BDAC)控制万向架电机和编码器，为其提供编码器激励，电机驱动，电机换向，脉冲、齿隙效应补偿，以及命令处理和控制，使万向架轴按主计算机发来的命令运动。
4 BDA控制器描述
总体设计包括一块放置摩托罗拉MVMI:-162单板计算机(Single Board com-puter, SBC)的底板和一块与其他子系统通信的映射内存板。
BD八控制器通过使各计算机能共用数据的系统共用存储器接口(System Shared Memory Interface,SSMI)与主计算机连接，映射内存板以高速光纤连接各VME底板，由此实现SSMI, 摩托罗拉MVME-162单板计算机采用带有浮点单元的MC68040增强型32 bit微处理机，具有相当多的一硬件功能，包括:串行接口，以太网控制器，SCSI硬盘控制器，8MDRAM , 1 M内存，多个时钟/定时器，以及四个工业级(IP)插座。IP模块提供到外部的模拟或数字的连接，如电机驱动，位置反馈，这些IP置于MVME-162板上。BDAC设计中用到了四种IP模块:a)数字I/O,b)数模转换，c)模数转换，d)高速串行连接。 一个SBC是次主处理器，另外三个是轴控制器。主控制器始终对总体控制和与外部的通信进行监督，轴控制器的任务是完成闭 环并控制一个轴。
选择VxWorkds操作系统开发整个BDA控制器软件。VxWorks是一高性能实时嵌入操作系统，能够提供基本的任务调度、I/O管理，以及对运行于摩托罗拉MVME162处理器上的软件的嵌入式开发支持，包括次主处理器和三个轴控处理器。V x-Works有多种任务调度/控制功能。 市场上有大部分所需的硬件，而软件和算法全部由CBS的工程师开发。
5伺服控制子系统
最重要的控制任务集中在如何最大程度的减小激光束瞄准时的抖动，包括望远镜结构的基木运动，以及光学元件的相对运动，后者决定了系统抖动噪声的最小值。抖动指标 包括高速、高加速度和通过零速度时的低速等性能。所有这些指标，包括快速捕获所需要的高可靠性，需要一个通过干扰补偿来减小抖动的综合方案，以及处理命令信息的复杂 方法。
三个轴有着基本相同的控制算法和实现方式。征个轴的伺服控制包括动态滤波器前端(一些文献中称之为命令产生器)，控制器，确定性误差校正，换向模块，位置编码模块， 状杰估计器。
控制环和主计算机以主频率同步。以同样频率运行的还有:命令的外推，电机换向，位置反馈和状态估计器的相关计算。次主处理器以第二频率(主频率的四分之一)从主计算机接受命令向量，将这些命令和前馈解藕转矩命令传递给每个轴的控制器。
跟踪误差和抖动特性(动态条件下)是系统设计时的重要因素。在系统输入中加入前馈加速度和前馈速度可减小跟踪误差。即使输入是210 Hz频率以内的传感器，引入加速度和速度前馈(外推到960 Hz)仍可提供到万向架的高带宽加速度命令。这意味着为减小跟踪误差，伺服环只须处理非模型控制对象误差。
动态滤波器是Contraves开发的专利算法，其目的是计算命令向量(位置，速度，加速度)并将其以最快速度发出。命令向量通过双端口存{i者器以240 Hz的频率由轴控制器从次主处理器接收。位置、速度、加速度、抖动的变动范围可由用户选择，当然这些变动范围要受到万向架的物理限制。
使用动态滤波器有以下几个优点:1)主计算机不必进行总体计算。主计算机只需以比控制环低得多的频率发出控制向量，而依赖动态滤波器以控制环的频率跟踪命令向量并进行外插。2)能够减小内部信号的动态范围从而避免饱和。这在系统内部存在模拟控制时尤其有用。
控制系统使用了一个三阶状态估计器对轴的位置、速度和加速度进行估计。估计器采用Luen6erger观测器，将位置、速度、转矩扰动作为状态。估计器的输出和动态滤波器的输出进行比较，为控制器提供误差信号。控制器的算法采用状态空间极点配置及随后的两个数字陷波滤波器。
确定性误差校正针对以下几个误差源:
1)编码器的确定误差
2)因齿槽效应产生的力矩波动
3)摩擦
4)方位、四通俯仰轴的交叉藕合电机转矩的波纹效应较小，可忽略不计，因此不需校正。
开发了专用测试程序来测试万向架以产生校验数据并使用MATLAB软件为确定性误差校正表提取数据。对于精密结构的感应同步器系统误差和齿隙效应转矩误差，针对干扰源的物理特性，亦开发了能够简明确定以特定速率旋转元件的幅值和相位的技术。这些数据存储在配置文件中，在系统初始化时被转换成间隔适当的查询表以减少执行时间。
众所周知，在零速度附近进行跟踪时的控制干扰为最大。CBS采用主动摩擦补偿对此进行改善。
确定性误差校正，例如摩擦和齿隙效应转矩误差，被置于控制器之后，陷波滤波器之前。齿隙效应转矩误差校正和编码器确定性误差校正使用同一原则进行计算。首先是确· 定在空间频率中应予抑制的谐波。一旦所有不需要的谐波均已确定，这些谐波被相加以产生查询表。表的索引为轴的当前位置，表中单元即为在当前位置所有上述谐波之和。 齿隙效应转矩误差校正和编码器误差校正采用同样算法，差别在于具体数值以及从表中取值后的处理位置.对于转矩，表中数值在陷波滤波器和信号限幅器之前被加入力矩控制命令;对于编码器，则被加入来自感应同步器的读入数据.
方位轴和俯仰轴始终正交，俯仰轴和四通俯仰轴同样如此。然而方位轴和四通俯仰轴的相对位置则在垂直和平行之间变动，于是当方位从零度移动到+/一900时，它们之间的耦合从零变到最大。当方位轴移动时，俯仰轴的惯员和谐振特性也有很大变化.当共振频率变化时，次主处理器负责解祸合和陷波滤波器系数的重新计算。祸合加速度作为动态滤波器的输入之一被加入轴的控制向量。
6驱动子系统
目标捕获系统需要同时承受大速度和大加速度，因此对驱动系统的可靠性有很高要求。由Inland Motors公司定制的驱动万向架的电机为通称的“无刷电机”，其实由其运行方式看，称之为“永磁同步电机”更为恰当。
采用由Contraves公司设计，Carco Electron-lCs公司制造的脉冲调宽功率放大器驱动每个电机，征个放大器输入电压为400 V，可承受150 A一的峰值电流。电机内部为星型连 接.为得到更大功率需要两个驱动器，每个方位电机采用双绕组与之匹配。这种类型的驱动器/电机组合能够提供内在的安全特性以防止计算机控制或放大器出现故障时的电机失控。
数字化的电机换向由软件实现，最终的模拟控制电流输入三相驱动器的两个电流环。换向的计算比较简单:在已知从反馈子系统收到的轴的当前位置和转矩控制命令时，A相和B相的电流值由以下表达式计算，C相电流值采用(A+B)/2的电压跟踪环。
7反馈子系统
反馈子系统包括将轴位置、电机温度、轴限位开关等信息提供给BDA控制器的必要的软硬件.每个轴上的元件有:一套传感轴的位置的感应同步位置转换器，置于电机上的温度传感器，检测轴是否已到行程端点的接近开关，一个连接BDA控制器与同步感应器、温度传感器、开关的数据转换卡。
轴内需容纳信号电缆和激光束通路，因此无法将解算器置于轴内以测量轴的粗略位置.将两个相差1周期/转的感应同步器同时使用即可同时得到粗略位置和精确位置。 俯仰轴和四通俯仰轴有标准的两通道感应同步位置传感器盘，分别为256周期/转和255周期/转。方位轴的尺寸较大，而且难于将感应同步器置于轴的旋转中心，因此感应同步器的放置和其它两轴完全不同。方法是:一对线性感应同步条置于BDA的边上，每个感应同步条配有两个拾取头，置于方位轴扼上.两个拾取头按180。分开放置以减小离心误差。两对感应同步条按照200分开放置，这样在任何时候至少有一对不在感应同步条的接缝上。
设计数据转换卡(Data converter Card,DCC)的目的是连接BDA控制器和感应同步器系统。万向架中编码器的放置应与感应同步器尽可能近以减少噪声干扰。编码器的功能是将感应同步器的输出转换为数字信号并将其通过高速串行链传送到BDAC 。
编码器包括以下部件:
·一个10 kHz的振荡器，用来激励感应同步器的静态部分，同时由数字解算器(R/D)用作参考频率。
·两个购自AD公司的数字解算器集成电路块(AD2S80A)。
·信号调整电路，用来对进出感应同步器的信号进行放大和阻抗匹配。
·一个模数转换器，用来记录电机和望远镜的温度。
" 接收Ik五路传递轴位置的电路
·一个购自Altera的可编程逻辑器件，用以采集来自R/D,I/O,A/D的数据并作为通向BDAC的串行连接的控制器.
·一个光隔离收发器，用于以1 MHz频率运行，连接BDAC的RS422串行连接中。
·一个由960 H:中断产生的选通时钟，用来控制R/D输出，以保证数据与系统时钟同步。
方位alll感应同步器的校准是在装配过程中的一个棘手问题。将感应同步器安装在方位轴的底部时必须产生误差，导致精度无法满足要求。解决办法是利用四通俯仰轴的精度和四通俯仰轴和方位轴可对准，即旋转时轴可平行这两个有利条件。将万向架这样配置时，可使方位轴和四通俯仰轴以相同速率，相反方向旋转，这样四通俯仰轴相对底座外部的某一l气保持相对静止。在四通俯仰轴的旋转中心放一面镜子，同时在底座外某处安装光学自动瞄准仪，使之对准镜子。自动瞄准仪将记录}I I h问编码器的任何误差。自动瞄准仪的测量_结果可用来生成确定性误差校正表，在以后的方位轴位置校正算法中使用。
8总体说明，结果和一些特殊技术
在调试和分析过程中大量使用了下述工具。
VxWorks能够方便地调试嵌入式实时软件。其中的VxWorks Shell使用的最为广泛。VxWorks是一命令行用户界面，允许用户键入源码中的函数名和参数，即可执行任何子程序或函数。Shell基本上是一个C语言解释器，使用Shell时，用户可使用C的数学表达式，用Printf函数打印变量值，取得系统变量值。Shell还有提供过程状态和其他一些系统信息的内建函数。
系统内建的数据记录和数据监测功能极有价值，它不但能发现软件中，而且可以发现和硬件有关的问题。数据记录功能可以捕获计算机几秒中的实时信息(每个SBC为此项功能准备了6M存储器)，以标准ASCII格式将之转换成磁盘文件。对于数据的快速查看和打印，MS EXCEL软件是很方便的工具。MATLAB则是深入的后处理的理想工具。
如前所述，控制环以960 Hz的频率运行，因此，CPU必须在1. 04 ms内完成所有的控制、监测和其他功能。
9最后的验收测试
最后的验收测试包括可靠性和抖动测试。可靠性测试中，BDAC被输入“点动”命令，同时动态滤波器的限值设为最大，所得结果由内建的数据收集系统记录。 抖动测试中，万向架按照仿真弹道轨迹在不同方向上运动，同时测量系统抖动。基本的万向架抖动由一置于主镜上的低噪音3轴光纤陀螺仪监测。库德光路抖动通过高速自动准直仪测量。
系统需通过单轴的加速和减速弹道试验。三个轴还要同时按给定幅值和频率的正弦波运动，以对应特定条件下产生的峰值加速度和速度。抖动量完全满足指标，且在多数况下，比指标低一个数量级。
设计这一高性能，小超调的复杂系统时，有两个关他原则:
首先是采用模块化设计。使用商业化技术以降低成本，减少开发时间。软件则独自开发以获得高性能。
第二，利用了广泛的硬件设计和实时软件模块以及软件支持工具。这有助于降低源码开发时间，加速诸如确定性误差校正等算法所需的数据收集工作。(No. 5)
梁劲松 编译
