陳 穎 ，張夏疆 ，薛媛媛 ，楊 萌 ，尚 婷

(1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安710065；2.西安理工大學(xué)，陜西 西安710048)

角位置伺服控制系統(tǒng)應(yīng)用于飛行器姿態(tài)控制和檢測導(dǎo)彈制導(dǎo)控制、雷達天線跟蹤系統(tǒng)，也在工業(yè)機器人、數(shù)控機床等方面廣泛應(yīng)用。隨著高速處理器的發(fā)展，原有伺服系統(tǒng)的模擬控制器件逐漸被高性能數(shù)字式控制器取代。以DSP為控制核心和數(shù)字化接口的測角元件組成的數(shù)字角位置伺服控制系統(tǒng)具有精度高、速度快、穩(wěn)定性好以及計算機接口簡單等優(yōu)點，極大地提高了系統(tǒng)的整體性能。線性連續(xù)變化輸入的數(shù)字式手柄控制器替代了原先的輸出模擬信號的手柄控制器，成為數(shù)字伺服系統(tǒng)中人機交互的重要組成部分[1-2]。本文利用數(shù)字式器件準確、抗干擾能力強的特點，結(jié)合模擬式器件控制信號平滑變化、連續(xù)性好的優(yōu)點，設(shè)計出一種速度可變的數(shù)字式手柄控制器。

1 設(shè)計方案

1.1 手柄介紹

在數(shù)字伺服控制系統(tǒng)中，角度用數(shù)碼表示。測角裝置將圓周等分成 2n個，每個等分單位角是 δ=360°/2n。n越大，單位角 δ越小，說明分辨率越高。一旦δ確定，每個輸出角位置的編碼值對應(yīng)一個角度值。通常將數(shù)字式測角裝置的二進制位數(shù)X做為數(shù)字式角位置伺服系統(tǒng)的運算位數(shù)n，所以一般取手柄輸入角位置數(shù)字量位數(shù)也等于n。例如，某數(shù)字伺服控制系統(tǒng)選用16位的測角裝置，其輸出軸旋轉(zhuǎn)一周，角度從 0～360°變化，則編碼值從 0000H～FFFFH，再回到 0000H。此數(shù)字控制系統(tǒng)的運算位數(shù)就是16位，手柄輸入角也是16位。

許多老式模擬角位置伺服系統(tǒng)的手柄控制桿是電位器形式，通過操縱桿的偏轉(zhuǎn)角度改變電位器輸入的電信號，實現(xiàn)角位置手動控制。其中選用的電位器調(diào)節(jié)精度必須非常高，才能使角度轉(zhuǎn)位穩(wěn)定與準確，這無疑提高了手柄的成本。在新一代的數(shù)字式角位置伺服控制系統(tǒng)中手柄輸入有以下幾種方法：(1)電信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成離散數(shù)字信號；(2)電信號經(jīng)V/f或I/f變換后由加減法計數(shù)器形成數(shù)字信號。這兩種方法由電信號的強弱來控制數(shù)字信號大小，一般國內(nèi)高精度的電位器造價非常昂貴，若選用普通電位器其電信號不能穩(wěn)定輸出，也不能達到理想效果；(3)加減法計數(shù)器直接形成數(shù)字信號。它通過數(shù)值積分獲得數(shù)字信號大?。?4)直接使用高精度角位置傳感器輸出數(shù)字量。由于成本較高，該方法也不宜采用。

1.2 設(shè)計原理

本文設(shè)計的數(shù)字式手柄借鑒角速度的積分原理，屬于數(shù)字量計算機采樣控制。角位置θ和角速度ω的關(guān)系式可表示成：

對于數(shù)字式伺服控制系統(tǒng)，輸入的角位置也應(yīng)該是一種離散數(shù)字量，這樣能夠方便伺服計算機直接獲取數(shù)據(jù)，進行控制算法的計算，而不是像模擬式伺服控制系統(tǒng)中的輸入模擬量連續(xù)變化。因此式(1)角速度積分形式表示的角位置量要通過數(shù)值計算的方法逼近。如果以T為采樣周期，用一系列的采樣時刻KT代替連續(xù)時間t，Δθ(KT)表示第 KT 次采樣的角增量，ω(KT)表示第 KT次采樣周期的角速度。以增量代替微分，并以后向差分的形式表示；以和式代替積分，并以矩形積分的形式表示。可將上式近似變換成：

其中，K=0，1，2，3…。

由式(2)可以看出，KT時刻的角位置是K個采樣周期內(nèi)角增量Δθ的累加和。只要將采樣周期T選取足夠小，近似忽略角度累加時間，同時每個周期內(nèi)的角增量Δθ選取足夠大，就可以快速獲得任意角位置的數(shù)字量。即認為是實時輸出的角位置命令，近似得到數(shù)字伺服系統(tǒng)的階躍輸入信號。

當采樣周期選定后，還要實現(xiàn)系統(tǒng)的目標跟蹤特性，即速度斜坡和加速度命令輸入。也就是實現(xiàn)由伺服系統(tǒng)輸入角位置的變化快慢，得到可變的角速度。由式(3)看出，ω(KT)與 Δθ(KT)和 T 有關(guān)，此時采樣周期 T 確定后，改變Δθ(KT)的值，可實現(xiàn)輸入角速度的變化。

1.3 技術(shù)方案

由于某數(shù)字伺服系統(tǒng)的角位置數(shù)字量是16位數(shù)，所以設(shè)計一個16位計數(shù)器輸出手柄角位置命令。設(shè)計的計算機采樣系統(tǒng)不斷采集由電位器輸出的可變的模擬電信號，將其轉(zhuǎn)化成離散數(shù)字量，用來表示本周期內(nèi)的角增量θ并累加到16位計數(shù)器中。由于每個周期的角增量可以任意變化，只要采樣周期選取合適，任意角位置命令都可以快速發(fā)出。也實現(xiàn)了可變的角速度命令與加速度命令實時輸出。采用CAN總線通信方式實現(xiàn)手柄對伺服系統(tǒng)的控制。CAN總線即控制器局域網(wǎng)，是目前國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，它是一種多主方式的串行通信總線設(shè)計規(guī)范，具有高位速率、高抗電磁干擾性、低成本、極高的總線利用率等特性，最大通信速率為1 Mb/s，最大傳輸距離達10 km。

2 手柄設(shè)計

2.1 硬件電路

手柄電路由單片機系統(tǒng)、A/D采集、CAN總線通信、鍵盤與顯示電路等組成。其原理圖如圖1所示。以高速單片機為控制核心的單片機系統(tǒng)，主要控制采集兩路幅值可變的雙極性模擬電壓信號，并將其轉(zhuǎn)變成對應(yīng)的數(shù)字量，作為本周期內(nèi)的角增量值Δθ累加到16位計數(shù)器中。循環(huán)發(fā)送計數(shù)器中的數(shù)據(jù)，通過CAN總線告知數(shù)字伺服系統(tǒng)不斷更新當前的方位與俯仰角位置命令。

圖1 手柄結(jié)構(gòu)原理圖

MCU選用LPC932芯片，它是單片封裝的增強型8051微控制器，采用高性能處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時間只需2～4個時鐘周期[3]。執(zhí)行代碼速率是標準8051芯片的6倍。它繼承了許多系統(tǒng)級的功能，適合于高集成度、低成本、低功耗的場合，可以滿足多方面的性能要求。

A/D采集芯片選用Analog Device的AD976A。它是一款單路高速、低功耗、16位的并行ADC，片內(nèi)帶有采樣保持器和輸出緩存。采樣速率最高可達到200 KS/s，采用5 V單電源供電，可對輸入雙極性±10 V范圍內(nèi)模擬電信號進行轉(zhuǎn)換。本設(shè)計用2片AD976A分別對方位、俯仰兩路模擬電信號進行轉(zhuǎn)換，使用FPGA作為選通轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、發(fā)出轉(zhuǎn)換命令，并且對其他功能電路有邏輯控制的作用，方便、準確、可靠性高。

通信部分采用PHILIPS公司的CAN控制器芯片SJA1000和CAN總線驅(qū)動器PCA82C50。CAN總線通信具有Basic CAN和Peli CAN兩種工作模式。Basic CAN工作在CAN2.0A協(xié)議，Peli CAN工作在CAN2.0B協(xié)議。在本設(shè)計中考慮到通信節(jié)點不多，故采用了Basic CAN工作模式。設(shè)置總線通信波特率為200 KB/s，總線的驅(qū)動器選用PCA82C50，它是協(xié)議控制器和物理傳輸線路間的接口芯片，此器件對總線上的數(shù)據(jù)提供差動發(fā)送與接收能力。在控制器和收發(fā)器之間采用高速光電耦合器6N137，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能和安全性能[4]。

顯示電路采用8279芯片驅(qū)動兩個4位LED顯示，用來實時輸出顯示方位和俯仰角命令值，以便及時與數(shù)字伺服控制系統(tǒng)中人機界面的實際方位、俯仰角位置進行比較，分析其伺服控制性能。角位置命令也可由鍵盤輸入，用來測試數(shù)字伺服系統(tǒng)的階躍信號響應(yīng)。

2.2 軟件設(shè)計

根據(jù)對手柄控制器方位、俯仰角位置輸出量的技術(shù)要求，結(jié)合硬件電路構(gòu)成，系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)以下功能：

（1）模擬電信號的快速A/D采集，通過極性判斷后，獲得單位周期內(nèi)的角增量Δθ，將其累加入角位置命令寄存器。

（2）CAN總線通信初始化、CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送及配置鍵盤中斷、驅(qū)動顯示模塊。

軟件總體設(shè)計流程圖如圖2所示。流程圖包括系統(tǒng)初始化、單位周期內(nèi)角增量測量、計算方位、俯仰角位置命令和CAN總線數(shù)據(jù)通信。

圖2 軟件流程圖

3 實驗分析

普通電位器的調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)定性較差，并且受到電源電路的紋波影響，使得電位器輸出模擬電信號的紋波較大，在±30 mV之間。而AD976A的轉(zhuǎn)換精度是0.3 mV，這樣得到的16位數(shù)字量不停跳變，難以達到功能要求。所以將轉(zhuǎn)換的數(shù)字量取高8位表示角增量Δθ，犧牲A/D采集轉(zhuǎn)換精度來換取穩(wěn)定、不跳變的數(shù)字量。

雖然表示單位周期角增量的范圍降低到-256～+255，測得采樣周期是5 ms，但它可以提供的角速度命令最高可達280°/s，在角位置伺服跟蹤系統(tǒng)中已滿足最高速度要求。所以本設(shè)計方案克服了普通電位器調(diào)節(jié)精度差和電源紋波大的影響。

圖3(a)是用加減法計數(shù)器設(shè)計的角位置命令。圖3(b)是設(shè)計出的16位數(shù)字式手柄控制器用示波器測試角增量變化和角位置命令數(shù)字量D/A轉(zhuǎn)換后的曲線圖。角位置命令是0000H，電壓是-5 V，當角位置命令連續(xù)變化到FFFFH時，電壓是+5 V，超過此位置電壓又重新回到-5 V，即在0000H。角位置變化曲線的斜率即是角速度。

圖3 不同手柄控制器控制效果比較圖

從圖中角位置變化曲線看出，用此方案設(shè)計的手柄控制器只能實現(xiàn)角速度恒定的角位置命令變化。比較兩圖可以分析得出，本文設(shè)計的手柄控制器不僅可以輸出任意角位置量，還可輸出連續(xù)變化的跟蹤角速度。

本文依據(jù)角速度積分原理，選用高性能增強型單片機與高速率的轉(zhuǎn)換芯片，設(shè)計出一種新型數(shù)字式手柄控制器。在角位置數(shù)字伺服控制系統(tǒng)中，既能輸出任意角位置命令，又能實現(xiàn)跟蹤角速度命令的連續(xù)可變。具有結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、系統(tǒng)抗電磁干擾能力強、數(shù)字量輸出穩(wěn)定等優(yōu)點。并且應(yīng)用先進的CAN總線技術(shù)，優(yōu)化了通信平臺，為進一步拓展手柄控制功能和實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化伺服系統(tǒng)的控制與管理奠定基礎(chǔ)。適于在雷達跟蹤、周視監(jiān)控等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

[1]盧志剛，吳杰，吳潮.數(shù)字伺服控制系統(tǒng)與設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[2]叢爽，李澤湘.實用運動控制技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[3]周立功.LPC900系列單片機及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[4]李正軍.現(xiàn)場總線及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.