基于嵌入式单片机的光电伺服控制系统的设计

摘 要：根据伺服系统的工作原理和系统构成，采用8051单片机作为控制器件，利用嵌入式技术，设计一种基于单片机控制的光电伺服系统，并对系统的基本结构、工作模块、控制方案、驱动技术等进行分析探讨。实践应用表明该系统设计具有可靠性高、易于控制、智能化的特点，能快速适应目标跟踪的需要，具有精度高、响应快、跟踪平稳等优良的运作性能。

关键词：伺服控制系统；光电伺服系统；数字PID控制；离散化周期

中图分类号：TP274 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1804703

Design of Photoelectric Servo Control System Based on Embedded Single Chip Computer

GAO Jintao，SUN Jianguo，LI Wenjun，CHEN Jianxing

(Unit 63898 of PLA,Jiyuan,454650,China)

Abstract：In this paper,based on the ultimate system principle and structure,employs chip 8051 as core controller,using embedment technology,designs photoelectric servo control system controlled by embedded chip,and analyses the basic framework,working module,control project and drive technology.It shows that the whole system has superior working capability with high credibility,easy controllable and intelligence,the servo control system can meet the demand of fast target track,with the capability such as high precision,quick response and good stability.

Keywords：servo control system;photoelectric servo system;digital PID control;dispersant cycle

伺服系统是光电对抗系统中重要的一环。在执行机构的带动下，伺服系统可以快速、准确、平稳地跟踪目标，从而为实施有效的抗干扰通信奠定基础。为此，对于大型精密伺服系统，应选用电流、转速、位置3环结构，以保证高精度、快速性和稳定性。电流环的设计采用霍尔元件作电流反馈量，转速环反馈通道为与伺服电机同轴联接的测速电机，这样有助于减少齿轮系的误差，提高系统的跟踪精度；位置环采用变系数PID数字控制，可解决定位精度高，动态响应快等问题，位置反馈通道采用14位光电编码器，可将位置信号直接转化成数字量，精度可达80″。

1 伺服系统工作原理及设计

图1所示的伺服系统工作原理是:外部信息与光电编码器输出量进行比较，获得的误差量经PID运算作为转速环的输入量，速度调节器的输出作为电流环的输入，经电流调节器驱动PWM功率放大器，以拖动力矩电机带动负载跟踪目标。

1.1 软件实现

从软件实现功能上看，控制程序包括前台程序和后台程序。前台程序的任务是完成实时控制，主要包括采样输入、控制运算、控制输出等。后台程序的任务是对系统进行监控，如系统上电后的初始化定位、状态输出等一系列辅助功能，其流程如图2所示。

图1 伺服系统结构原理图图2 控制程序流程图控制程序所要实现的各种功能可以采用消息驱动的方式。消息驱动就是利用不同的消息(事件)激活相应的中断服务程序，系统所要实现的全部控制任务或功能都用中断服务程序完成。根据任务的重要性和实时要求，可以对中断服务类型和中断源的优先级进行设定。对有实时性要求的前台程序，即采样一一控制程序，用定时器中断源激活，并占用最高的中断级。状态输出等辅助功能程序则可采用 PEC中断处理方式，且其优先级必须低于采样控制中断的优先级。

采用易于实现且适用范围广的数字PID算法，在连续PID算式中,将积分项用矩阵形式代替，微分项用差分代替，数字PID算式可写成：U(k)=Kpe(k)+TsTi∑kj=0e(j)+TdTse(k)－e(k－1)

=Kpe(t)+Ki∑kj=0e(j)+Kd［e(k)－e(k－1)］式中，Ki=KpTsTi；Ki=KpTdTs。为了减少计算量，节省存储空间，常采用PID增量型控制算式：

U(k)=U(k－1)+ΔU(k)

=U(k－1)+Kpe(k)－e(k－1)+TsTie(k)+TdTs［e(k)－2e(k)+e(k－2)］

=U(k－1)+q0e(k)+q1e(k－1)+q2e(k－2)

式中：q0=kp［1+TsTi+TdTs］；q1=－kp［1+2TdTs］；q2=kpTdTs。

采用数字PID算法的采样一一控制程序流程如图3所示。实际应根据伺服电机的类型和相关参数确定最佳控制参数。

图3 采样控制中断程序流程1.2 系统设计

驱动电路也是一个小型的单片机系统，单片机接收主控单元发出的方波信号、天线正反转、细分信号，并控制步进电动机驱动器驱动2个步进电动机分别按不同的要求转动。天线可沿X轴向、Y轴向2个自由度运行,每个轴向分别由1个电动机驱动。实现平滑调速和准确定位。

根据系统特点,可以将其抽象成一个离散控制系统,离散化周期就是上位机送数周期T,第k次送数时间称为k时刻;在每个时刻,上位机发送天线在下一个时刻X轴向、Y轴向的目标位置。系统与上位机通讯使用并口通讯,由系统以硬件中断方式接收数据。

系统主程序是一个循环结构,在中断服务程序中,对上位机发出的满足通讯协议的数据保存并将对应标志位置位。在主程序中,判断这个标志位的状态,并进行对应操作,如果目标位置没有改变,则只显示无线当前位置,天线速度和转向都不变;天线某轴向到达目标位置后停转。出于对可靠性的考虑,还要判断天线是否转出了给定范围,当越界时,天线停转;如果开机位置值出错,则天线要首先高速返回到给定范围内。由于系统有随动和定位2种工作模式,在随动方式下,天线要变速运行,使其始终能够高精度跟踪目标位置;在定位方式下则以给定速度匀速运动。为了简化硬件结构,设置两种方式自动切换,在运行过程中,判断目标位置是否刷新,如果刷新就运行在随动方式,否则以定位方式运行;如果位置值刷新但与上次位置值相差较大,则运行在定位方式。

PWM晶体管功率放大器包括电压脉宽变换器和开关式功率放大器2部分。其简化结构图如图4所示：

图4 PWM式晶体管放大器结构图PWM功放的输出是一串宽度可调的矩形脉冲，除包含有用的控制信号处，还包含1个频率同放大器切换频率相同的高频分量，这个高频分量使电机时刻处于微振状态，有利于克服执行轴上的静摩擦，改善伺服系统的低速运行的特性。伺服电机的转速大小和方向，直接取决于PWM功放的输入信号的大小和极性。

控制器电路板主要由以下几部分构成：

（1） 单片机。控制器的核心部分,实现绝大部分的控制和计算的功能。

（2） 硬件初始化模块。用于系统复位时的初始化配置。

（3） 存储器模块。即外部ROM,用于程序的存储。

（4） CAN接口模块。片内CAN控制器与监控系统进行通讯的接口电路。

（5） 输入、输出扩展接口。用于采集信号输入和控制输出。

宽调速力矩电机采用大直径加大转矩，同时转动惯量也增加，电机热容量大，过载时间可以加长，同轴带有高精度测速反馈元件，故低速平稳、力矩波动小。

2 结 语

采用以单片机嵌入式控制不仅能够完成高精度的实时控制任务,还可以通过消息驱动方式灵活实现系统自检测、故障自诊断和各种智能化辅助功能。天线伺服系统的模块化设计和高集成度、低功耗芯片使得系统体积小、重量轻、功耗低,同时具有较高可靠性;采用合理的控制策略,使得系统运行平稳、控制精度高。由于控制程序采用模块化结构,系统有可能适应各种复杂情况,对不同型号的伺服电机只需改动算法程序或控制参数,就可以获得理想的控制效果。

参 考 文 献

［1］李勋.单片机原理及应用\.北京：高等教育出版社,1995.

［2］刘长年.伺服系统的分析与设计\.北京：科学出版社,1985.

［3］杨荫山.微型计算机控制系统\.北京：高等教育出版社,1997.

［4］秦积荣.光电检测原理及应用\.北京：国防工业出版社,1985.

［5］沈安俊.现代直流伺服控制技术及其系统设计\.北京：机械工业出版社,1999.

［6］刘胜.现代伺服系统设计\.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社,2001.

［7］徐宁寿.随机信号估计与系统控制\.北京：北京工业大学出版社,2003.

［8］薛定宇.反馈控制系统设计与分析\.北京：清华大学出版社,2000.

［9］邵慧鹤.工业过程高级控制\.上海：上海交通大学出版社,1997.

［10］余永权.黄英.单片机在控制系统中的应用\.北京：电子工业出版社,2003.

作者简介 高进涛 男，1981年出生，工程师，学士。主要研究方向为实时系统、自动控制、分布式仿真等。

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