摘 要：根據(jù)伺服系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成，采用8051單片機(jī)作為控制器件，利用嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)控制的光電伺服系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、工作模塊、控制方案、驅(qū)動(dòng)技術(shù)等進(jìn)行分析探討。實(shí)踐應(yīng)用表明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有可靠性高、易于控制、智能化的特點(diǎn)，能快速適應(yīng)目標(biāo)跟蹤的需要，具有精度高、響應(yīng)快、跟蹤平穩(wěn)等優(yōu)良的運(yùn)作性能。

關(guān)鍵詞：伺服控制系統(tǒng)；光電伺服系統(tǒng)；數(shù)字PID控制；離散化周期

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：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

伺服系統(tǒng)是光電對(duì)抗系統(tǒng)中重要的一環(huán)。在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，伺服系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確、平穩(wěn)地跟蹤目標(biāo)，從而為實(shí)施有效的抗干擾通信奠定基礎(chǔ)。為此，對(duì)于大型精密伺服系統(tǒng)，應(yīng)選用電流、轉(zhuǎn)速、位置3環(huán)結(jié)構(gòu)，以保證高精度、快速性和穩(wěn)定性。電流環(huán)的設(shè)計(jì)采用霍爾元件作電流反饋量，轉(zhuǎn)速環(huán)反饋通道為與伺服電機(jī)同軸聯(lián)接的測(cè)速電機(jī)，這樣有助于減少齒輪系的誤差，提高系統(tǒng)的跟蹤精度；位置環(huán)采用變系數(shù)PID數(shù)字控制，可解決定位精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等問(wèn)題，位置反饋通道采用14位光電編碼器，可將位置信號(hào)直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，精度可達(dá)80″。

1 伺服系統(tǒng)工作原理及設(shè)計(jì)

圖1所示的伺服系統(tǒng)工作原理是:外部信息與光電編碼器輸出量進(jìn)行比較，獲得的誤差量經(jīng)PID運(yùn)算作為轉(zhuǎn)速環(huán)的輸入量，速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流環(huán)的輸入，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器驅(qū)動(dòng)PWM功率放大器，以拖動(dòng)力矩電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載跟蹤目標(biāo)。

1.1 軟件實(shí)現(xiàn)

從軟件實(shí)現(xiàn)功能上看，控制程序包括前臺(tái)程序和后臺(tái)程序。前臺(tái)程序的任務(wù)是完成實(shí)時(shí)控制，主要包括采樣輸入、控制運(yùn)算、控制輸出等。后臺(tái)程序的任務(wù)是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，如系統(tǒng)上電后的初始化定位、狀態(tài)輸出等一系列輔助功能，其流程如圖2所示。

圖1 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖圖2 控制程序流程圖控制程序所要實(shí)現(xiàn)的各種功能可以采用消息驅(qū)動(dòng)的方式。消息驅(qū)動(dòng)就是利用不同的消息(事件)激活相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的全部控制任務(wù)或功能都用中斷服務(wù)程序完成。根據(jù)任務(wù)的重要性和實(shí)時(shí)要求，可以對(duì)中斷服務(wù)類(lèi)型和中斷源的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行設(shè)定。對(duì)有實(shí)時(shí)性要求的前臺(tái)程序，即采樣一一控制程序，用定時(shí)器中斷源激活，并占用最高的中斷級(jí)。狀態(tài)輸出等輔助功能程序則可采用 PEC中斷處理方式，且其優(yōu)先級(jí)必須低于采樣控制中斷的優(yōu)先級(jí)。

采用易于實(shí)現(xiàn)且適用范圍廣的數(shù)字PID算法，在連續(xù)PID算式中，將積分項(xiàng)用矩陣形式代替，微分項(xiàng)用差分代替，數(shù)字PID算式可寫(xiě)成：U(k)=Kpe(k)+TsTi∑kj=0e(j)+TdTse(k)－e(k－1)

=Kpe(t)+Ki∑kj=0e(j)+Kd［e(k)－e(k－1)］式中，Ki=KpTsTi；Ki=KpTdTs。為了減少計(jì)算量，節(jié)省存儲(chǔ)空間，常采用PID增量型控制算式：

U(k)=U(k－1)+ΔU(k)

=U(k－1)+Kpe(k)－e(k－1)+TsTie(k)+TdTs［e(k)－2e(k)+e(k－2)］

=U(k－1)+q0e(k)+q1e(k－1)+q2e(k－2)

式中：q0=kp［1+TsTi+TdTs］；q1=－kp［1+2TdTs］；q2=kpTdTs。

采用數(shù)字PID算法的采樣一一控制程序流程如圖3所示。實(shí)際應(yīng)根據(jù)伺服電機(jī)的類(lèi)型和相關(guān)參數(shù)確定最佳控制參數(shù)。

圖3 采樣控制中斷程序流程1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路也是一個(gè)小型的單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)接收主控單元發(fā)出的方波信號(hào)、天線正反轉(zhuǎn)、細(xì)分信號(hào)，并控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)2個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分別按不同的要求轉(zhuǎn)動(dòng)。天線可沿X軸向、Y軸向2個(gè)自由度運(yùn)行，每個(gè)軸向分別由1個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速和準(zhǔn)確定位。

根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，可以將其抽象成一個(gè)離散控制系統(tǒng)，離散化周期就是上位機(jī)送數(shù)周期T，第k次送數(shù)時(shí)間稱(chēng)為k時(shí)刻;在每個(gè)時(shí)刻，上位機(jī)發(fā)送天線在下一個(gè)時(shí)刻X軸向、Y軸向的目標(biāo)位置。系統(tǒng)與上位機(jī)通訊使用并口通訊，由系統(tǒng)以硬件中斷方式接收數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)主程序是一個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)，在中斷服務(wù)程序中，對(duì)上位機(jī)發(fā)出的滿(mǎn)足通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)保存并將對(duì)應(yīng)標(biāo)志位置位。在主程序中，判斷這個(gè)標(biāo)志位的狀態(tài)，并進(jìn)行對(duì)應(yīng)操作，如果目標(biāo)位置沒(méi)有改變，則只顯示無(wú)線當(dāng)前位置，天線速度和轉(zhuǎn)向都不變;天線某軸向到達(dá)目標(biāo)位置后停轉(zhuǎn)。出于對(duì)可靠性的考慮，還要判斷天線是否轉(zhuǎn)出了給定范圍，當(dāng)越界時(shí)，天線停轉(zhuǎn);如果開(kāi)機(jī)位置值出錯(cuò)，則天線要首先高速返回到給定范圍內(nèi)。由于系統(tǒng)有隨動(dòng)和定位2種工作模式，在隨動(dòng)方式下，天線要變速運(yùn)行，使其始終能夠高精度跟蹤目標(biāo)位置;在定位方式下則以給定速度勻速運(yùn)動(dòng)。為了簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)置兩種方式自動(dòng)切換，在運(yùn)行過(guò)程中，判斷目標(biāo)位置是否刷新，如果刷新就運(yùn)行在隨動(dòng)方式，否則以定位方式運(yùn)行;如果位置值刷新但與上次位置值相差較大，則運(yùn)行在定位方式。

PWM晶體管功率放大器包括電壓脈寬變換器和開(kāi)關(guān)式功率放大器2部分。其簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖如圖4所示：

圖4 PWM式晶體管放大器結(jié)構(gòu)圖PWM功放的輸出是一串寬度可調(diào)的矩形脈沖，除包含有用的控制信號(hào)處，還包含1個(gè)頻率同放大器切換頻率相同的高頻分量，這個(gè)高頻分量使電機(jī)時(shí)刻處于微振狀態(tài)，有利于克服執(zhí)行軸上的靜摩擦，改善伺服系統(tǒng)的低速運(yùn)行的特性。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小和方向，直接取決于PWM功放的輸入信號(hào)的大小和極性。

控制器電路板主要由以下幾部分構(gòu)成：

（1） 單片機(jī)?？刂破鞯暮诵牟糠郑瑢?shí)現(xiàn)絕大部分的控制和計(jì)算的功能。

（2） 硬件初始化模塊。用于系統(tǒng)復(fù)位時(shí)的初始化配置。

（3） 存儲(chǔ)器模塊。即外部ROM，用于程序的存儲(chǔ)。

（4） CAN接口模塊。片內(nèi)CAN控制器與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊的接口電路。

（5） 輸入、輸出擴(kuò)展接口。用于采集信號(hào)輸入和控制輸出。

寬調(diào)速力矩電機(jī)采用大直徑加大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也增加，電機(jī)熱容量大，過(guò)載時(shí)間可以加長(zhǎng)，同軸帶有高精度測(cè)速反饋元件，故低速平穩(wěn)、力矩波動(dòng)小。

2 結(jié) 語(yǔ)

采用以單片機(jī)嵌入式控制不僅能夠完成高精度的實(shí)時(shí)控制任務(wù)，還可以通過(guò)消息驅(qū)動(dòng)方式靈活實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢測(cè)、故障自診斷和各種智能化輔助功能。天線伺服系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)和高集成度、低功耗芯片使得系統(tǒng)體積小、重量輕、功耗低，同時(shí)具有較高可靠性;采用合理的控制策略，使得系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、控制精度高。由于控制程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)有可能適應(yīng)各種復(fù)雜情況，對(duì)不同型號(hào)的伺服電機(jī)只需改動(dòng)算法程序或控制參數(shù)，就可以獲得理想的控制效果。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 高進(jìn)濤 男，1981年出生，工程師，學(xué)士。主要研究方向?yàn)閷?shí)時(shí)系統(tǒng)、自動(dòng)控制、分布式仿真等。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文