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星载大气成分临边探测仪摆镜控制系统设计

星载大气成分临边探测仪摆镜控制系统设计

作     者:鲁晓峰 

作者单位:合肥学院 

学位级别:硕士

导师姓名:曾议

授予年度:2021年

学科分类:08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题:大气成分 临边探测 探测仪 扫描摆镜 STM32 

摘      要:随着全球对大气污染监测技术的要求越来越高,由于星载遥感仪器具有大范围、连续、动态、全天时的综合监测优点,在生态环境、自然资源、农业、林草、气象等领域的应用越来越广泛。利用星载大气污染成分临边探测仪可以观测地球上空的污染气体分布。通过探测仪获取多种高光谱吸收谱线,能够监测多种不同的大气污染物。探测仪利用摆镜的摆扫扩大观测视场角的范围,获取紫外到可见光波段的高光谱遥感产品,实现对全球大气痕量气体成分分布和变化的定量监测,为我国污染减排、环境质量监管、大气成分与气候变化监测提供帮助。本文研究“空间扫描机构控制技术,结合实际工程需要,设计一个基于STM32有限转角直流力矩电机控制系统。论文讨论了有限转角直流力矩电机转动的位置、速度、电流闭环控制技术;研究了光电编码器与STM32微控制器的SSI通信协议;编写了系统电机调节的位置环、速度环和电流环PID调节程序、中断服务函数、通信协议等软件;设计了电机驱动控制电路。本文主要的研究内容和结论如下:调研国内外摆镜扫描控制系统的发展和研究现状,应用前景。结合项目课题,对摆镜控制系统开展研究。研究有限转角电机的工作原理。从有限转角电机、角度位置传感器、电机驱动电路等方面对控制硬件系统的结构进行分析;通过分析位置、电流、速度三个控制量的检测方案,结合有限转角无刷直流电机的驱动方式,对控制系统的工作原理进行了研究。提出了电机速度检测方法,即高速利用M法检测,低速利用T法检测的方案。系统硬件电路的设计,包括芯片接口及其周边电路、电机驱动电路、电平转换电路等方面的设计。通过合理配置STM32芯片内部的资源(时钟电路、电源电路、定时器功能、A/D转换功能等),实现控制器对电机的控制。建立了主程序和子程序,微控制器、位置传感器和驱动电路、电脑之间的通信协议。完成了位置子程序、速度子程序、电流环子程序、中断服务函数子程序等,实现对电机的控制。利用光电自准直仪对摆镜系统的性能进行实验验证,测试系统的定位精度和转动角精度。通过光电自准直仪测试系统的角度定位精度和小角度转动精度,定位精度达到1.03,转动精度±的值分别是11.9%和-14.3%,结果数据表明,设计的控制系统精度初步满足系统设计。利用水平转台和成像探测仪进行外场实验,对获得的数据进行处理,采用DOAS(差分吸收光谱)方法对NO气体进行了二维成像解析。通过成像探测仪的外场观测试验,验证了探测仪摆镜控制系统的性能。

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