一种三维成像安检门伺服控制装置的伺服控制器 【技术领域】
本申请涉及伺服控制领域， 特别是涉及一种三维成像安检门伺服控制装置的伺服控制器。 背景技术 三维成像安检门适合应用于机场、 地铁、 银行、 大型活动等特殊场合的安防工程 中， 其利用不同角度的微波成像技术构成目标体的三维成像图以检测是否存在危险物品， 因此需要配备伺服控制系统对装有微波天线收发模块的负载框架运动轨迹进行控制。 为保 证安检门系统成像品质以及检测速度， 对伺服控制系统负载的运行速度、 运行曲线以及平 稳性提出了较高的要求。
与本发明相关的公开报道有 ： “新型亭式金属探测系统的设计与实现” (《安防科 技》 ， 2008 年第 4 期 ) 一文中介绍了利用 CPLD 实现的伺服电机的控制方法， 其主要控制对象 为双门亭式结构中的防弹玻璃门， 仅需要控制其开合， 对运行速度和运行轨迹无特殊要求， 因此现有技术的伺服控制器无法实现自检校正以及工作扫描功能， 无法满足工作过程中负 载框架稳速精准回零， 也无法满足三维安检门系统成像的指标要求。
发明内容 本发明旨在提供一种三维成像安检门伺服控制装置的伺服控制器， 包括伺服控制 装置以及伺服控制器。伺服控制装置用来执行伺服控制器发出的控制信号， 带动负载框架 按照设定规律运动。 伺服控制器作为整个伺服控制系统的中枢完成同上位机信号处理以及 电机驱动器间的交互通信、 反馈测量机构的信号采集处理、 自检校正功能以及工作扫描功 能， 保证系统运行平稳并具备故障保护功能。
本发明的技术方案是 ：
一种三维成像安检门伺服控制装置的伺服控制器， 该伺服控制器包括 ： 交互通信 模块、 信号采集模块、 自检校正控制模块以及伺服机构的扫描曲线控制模块 ； 其特征在于 ：
交互通信模块分为两部分 ： 一部分完成同上位机信号处理分机的通信， 接收其下 发的指令信号并反馈当前伺服系统状态信息 ； 另一部分完成与电机驱动器的通信， 对伺服 执行机构实施控制 ；
信号采集模块处理光栅的正交编码脉冲信号以及光电开关信号 ；
自检校正控制模块完成信号处理分机下发的自检校正指令 ；
扫描曲线控制模块完成信号处理分机下发的扫描工组指令。
伺服控制器按照以下工作模式进行工作 ：
第一模式 ： 完成自检校正， 自检校正工作过程中由伺服控制器采集光栅尺读数头 信号计算出负载位置并控制电机进行回零运动， 完成校正后， 将伺服状态信息上报信号处 理分机等待下发扫描工作指令 ；
第二模式 ： 完成扫描工作， 扫描工作过程中由伺服控制器按照设定的扫描运动曲
线计算参数并控制电机驱动器使伺服系统负载框架进行扫描运动。
进一步地， 整个系统运行过程中伺服控制器通过采集光电开关信号保证系统在有 效运行范围内执行指令操作， 达到限位的目的。
进一步地， 负载框架最高转速为 140° /s， 最大加速度 400° /s2， 旋转角度 110°， 单次扫描时间 1.4s。
本发明的有益效果 ：
在本发明中通过伺服控制器的协调控制实现了自检校正以及工作扫描功能， 负载 框架能够在自检校正指令下计算出零位并稳速精准回零 ； 在工作扫描指令下按照设定曲线 轨迹运动并且运行平稳， 能够保证三维安检门系统成像的指标要求。 附图说明 图 1 为伺服控制装置结构示意图 ；
图 2 为伺服控制器模块框图 ；
图 3 为伺服控制流程图。
其中 ： 1- 交流伺服电机， 2- 电机驱动器， 3- 电源适配器， 4- 减速器， 5- 皮带轮， 6- 负载框架， 7- 光栅尺， 8- 光电开关， 9- 伺服控制器， 10- 信号采集模块， 11- 自检校正控制 模块， 12- 扫描曲线控制模块， 13- 交互通信模块， 14- 信号处理分机。
具体实施方式 下面结合附图 1-4 对本发明的实施方式作进一步描述 ：
三维成像安检门伺服控制装置的结构示意如图 1 所示， 包括伺服机构和测量反馈 机构和伺服控制器， 其中 ：
伺服机构由交流伺服电机 1、 电机驱动器 2、 电源适配器 3、 减速器 4、 皮带轮 5 和负 载框架 6 构成。 交流伺服电机 1 作为控制动力的出处， 带动传动机构以及负载框架运动。 电 机驱动器 2 接收伺服控制器的运动指令信号并转化为交流伺服电机 1 的控制脉冲并结合交 流伺服电机 1 轴端配置的编码器信号直接控制电机运动的速度和位置。本发明所使用的是 GV6 驱动器及其配套的 N0 系列的交流伺服电机 1， 具有控制参数可调节、 速度位置易规划等 特点。电源适配器 3 将交流电源转换为直流电源并具备整流功能， 为电机及驱动器实现电 源供给且可实现过压保护功能， 其连续输出功率 300W， 最大输出功率为 9KW。电机的输出轴 经过减速器及皮带轮构成的传动机构带动负载框架运动， 系统总的减速比为 86.2367。
测量反馈机构由光栅尺 7、 光电开关 8 构成。光栅尺 7 安装于负载框架 6 主轴上， 其绝对零位处于负载框架 6 运行范围的中心位置， 光栅尺 7 读数头固定于负载框架 6 并随 框架转动产生正交编码脉冲信号解算角度信息。 本发明使用的光栅尺 7 为 RESD 系列的增量 式圆光栅， 增量式光栅尺 7 较绝对式光栅尺 7 系统连线少、 接口简单， 其刻线数为 32768， 系 统精度能达到 1.08 角秒， 适高速系统及精度要求很高的测量场合。该伺服控制装置配备两 个光电开关 8， 配合角度限位及运行中心指示圆盘使用， 安装于负载框架 6 顶部， 可指示极 限位置以及粗精度的中心位置。光电开关 8 具有无触点、 无机械碰撞、 响应速度快的特点， 可以满足本发明中设计的限位功能应用。
伺服控制器 9 结构框图如图 2 所示， 伺服控制器 9 包括交互通信模块 13、 信号采
集模块 10、 自检校正控制模块 11 以及伺服机构的扫描曲线控制模块 12， 伺服控制器 9 采用 TI 公司的 TMS320F2812 作为主控芯片处理整个控制流程。
交互通信模块 13 包括同上位机信号处理分机进行工作指令及工作状态的交互， 以及同电机驱动器 2 运动曲线规划控制指令的交互。此模块可通过 RS422/RS232 实现串口 通信， 同信号处理分机的通信协议包括帧头、 指令字、 状态字、 帧计数以及校验位信息 ； 同电 机驱动器 2 的通信协议满足驱动器的设计要求。
信号采集模块 10 需处理光栅的正交编码脉冲信号以及光电开关 8 信号。光栅信 号通过光栅尺 7 读数头连接器同伺服控制器相连接， 经正交编码脉冲计数器芯片处理后与 DSP 通过并口进行数据通信， DSP 定时采集计数器芯片的计数值。光电开关 8 信号经电平转 换后连接到 DSP 上， 供主控芯片采集。
伺服系统自检校正控制模块 11 完成信号处理分机下发的自检校正指令， 实现负 载框架精准回零， 并为扫描工作指令做准备。
扫描曲线控制模块 12 完成信号处理分机下发的扫描工作指令， 最终实现负载框 架按照扫描曲线运行。
伺服控制器按照两种模式进行 ：
第一模式 ： 完成自检校正， 自检校正工作过程中由伺服控制器 9 采集光栅尺 7 读数 头信号计算出负载位置并控制电机进行回零运动， 完成校正后， 将伺服状态信息上报信号 处理分机等待下发工作指令， 具体工作如下 ：
控制器收到自检校正指令后， 驱动电机运动 15 度停止， 系统采集运动过程中经过 的总线数， 以及相邻两个 Z 脉冲处的线数值。 根据上述算法计算运动过程中经过第一个 Z 脉 冲处的绝对线数， 由此可计算出负载当前的绝对线数。根据绝对位置换算控制电机使负载 框架 6 运行至零位处完成回零工作。为准备执行扫描工作， 控制负载框架 6 运行至 +55 度 位置处， 并上传信号处理分机完成自检校正。
第二模式 ： 完成扫描工作， 扫描工作过程中由伺服控制器 9 按照预定的扫描运动 曲线计算参数并装订电机驱动器 2 使伺服系统负载框架 6 进行扫描运动。其工作过程为 ：
通过中心指示光电开关 8 信号判断负载框架 6 当前相对零位的方向， 并控制负载 框架 6 进行扫描运动， 运行结束后发送扫描完成状态字。由于自检校正指令或每次扫描工 作结束后电机已经运行至工作准备角度处， 且扫描工作每次运行的角度以及规划曲线固定 不变， 因此仅需判断零位方向来确定下次扫描运动的方向， 并控制负载框架 6 按预定曲线 运动。
伺服控制系统整体工作流程如图 3 所示， 具体步骤为 ：
(1) 等待并接收信号处理分机 14 下发的指令信号， 进入步骤 (2) ；
(2) 判断指令为自检校正则进入步骤 (3) ； 若不是则进入步骤 (12) ；
(3) 采集光电开关信号， 进入步骤 (4) ；
(4) 通过采集的光电开关 8 信号判断负载当前所在的方向， 如为正方向则进入步 骤 (5) ； 如为负方向则进入步骤 (6) ；
(5) 向电机驱动器 2 发送指令程序， 使交流伺服电机 1 向负方向运行 15 度后停止， 进入步骤 (7) ；
(6) 向电机驱动器 2 发送指令程序， 使交流伺服电机 1 向正方向运行 15 度后停止，进入步骤 (7) ；
(7) 采集光栅尺 7 信号， 进入步骤 (8) ；
(8) 解算负载框架 6 当前所在的绝对位置， 进入步骤 (9) ；
(9) 向电机驱动器 2 下发指令程序， 使交流伺服电机 1 带动负载框架 6 回至绝对零 位处， 进入步骤 (10) ；
(10) 控制负载框架 6 匀速运行至 +55 度位置处， 为扫描工作做准备， 进入步骤 (11) ；
(11) 向信号处理分机 14 发送自检完成状态字， 完成自检校正功能 ；
(12) 判断指令为工作扫描， 则进入步骤 (13)， 否则进入步骤 (1) ；
(13) 采集当前光电开关 8 信号， 并进入步骤 (14) ；
(14) 通过光电开关 8 信号值判断负载框架 6 当前方向， 如为正则进入步骤 (15)， 为负则进入步骤 (16) ；
(15) 向电机驱动器 2 下发指令程序， 使交流伺服电机 1 带动负载框架 6 向负方向 按规划曲线运行， 进入步骤 (17) ；
(16) 向电机驱动器 2 下发指令程序， 使交流伺服电机 1 带动负载框架 6 向正方向 按规划曲线运行， 进入步骤 (17) ； (17) 向信号处理分机 14 发送本次扫描完成状态字， 完成扫描工作。
负载框架 6 当前绝对位置的解算算法为 ：
本发明选择的圆光栅由周期性刻线组成， 通过自某绝对参考点开始的增量数计算 位置信息， 可通过累计两个参考点间信号线数以及下面的公式计算参考点的绝对线数 ：
Z1abs ＝ (absA-sgnA-1)I/2+(sgnA-dir)absZdelt/2
A ＝ 2absZdelt-I
其中 ：
Z1abs 为移过第一个参考点的相对零位的绝对线数 ；
I 为两个固定参考点间的名义增量值 ；
dir 为旋转方向， 取值为 +1 或 -1 ；
Zdelt 为两个固定参考点间的线数差 ；
扫描运动规划曲线配置， 负载框架 6 最高转速为 140° /s， 最大加速度 400° /s2， 旋转角度 110°， 单次扫描时间 1.4s。