基于單片機(jī)的快速位置伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

O 引言
本設(shè)計(jì)要求對(duì)某火炮的水平和高低角進(jìn)行控制，達(dá)到快速位置伺服系統(tǒng)的要求。而這個(gè)火炮角度控制系統(tǒng)首先要求有快速性，它的反應(yīng)時(shí)間大于或等于12°／s；角度轉(zhuǎn)動(dòng)控制精度小于或等于1’，水平角轉(zhuǎn)動(dòng)范圍從一120°～+120°，高低角轉(zhuǎn)動(dòng)范圍從0°～+85°；最后系統(tǒng)要有很好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能。
由于位置伺服系統(tǒng)一般是以足夠的位置控制精度、位置跟蹤精度和足夠快的跟蹤速度作為它的主要控制目標(biāo)，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)要求能以一定的精度隨時(shí)跟蹤指令的變化。所以對(duì)于這種快速位置伺服系統(tǒng)，要求整個(gè)系統(tǒng)各部分配合良好，其中的關(guān)鍵是控制器的選擇，綜合考慮高精度、抗干擾能力、靈活性、可靠性、實(shí)時(shí)性、性價(jià)比等各因素的情況下。選擇了Frees—cale公司的MC9Sl2DGl28B作為控制器。MC9Sl2DGl28B芯片是一款16位的單片機(jī)，功能強(qiáng)大，性能優(yōu)越。本文采用該型號(hào)的單片機(jī)保證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

1 系統(tǒng)控制方案
由于設(shè)計(jì)的角度伺服系統(tǒng)的負(fù)載比較大，而且相對(duì)于工業(yè)控制要求而言系統(tǒng)精度和快速性要求高，所以整個(gè)系統(tǒng)采用混合閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，所謂混合閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，就是系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)存在半閉環(huán)和閉環(huán)。半閉環(huán)起到控制作用，而全閉環(huán)只用于穩(wěn)態(tài)誤差補(bǔ)償，兩者相結(jié)合可獲得較高的位置控制精度和跟蹤速度。包括：MJX40—14型光電編碼器、90LCX一3直流伺服電機(jī)、12A8型PWM直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、單片機(jī)控制系統(tǒng)。單片機(jī)控制系統(tǒng)由MC9Sl2DGl28B單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，使用Code Warrior for HCl2 V4．6編譯器，采用C語(yǔ)言編程。由于水平角和高低角的控制是一樣的，而且共用一個(gè)單片機(jī)，以角度控制方框圖(圖1)來(lái)說(shuō)明。

如圖1所示，系統(tǒng)的任務(wù)是使光電編碼器測(cè)得的炮架轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ2與給出的指令θ1相等。當(dāng)θ1≠θ2時(shí)，θ1一θ2的偏差信號(hào)在單片機(jī)里進(jìn)行處理，放大后輸入到PWM直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，由PWM驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)，伺服電機(jī)帶動(dòng)減速器，驅(qū)動(dòng)炮架向著減少偏差的方向移動(dòng)，直到θ1=θ2，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到目標(biāo)。同時(shí)，炮架要準(zhǔn)確的跟蹤目標(biāo)，必須減少在跟蹤過(guò)程中可能出現(xiàn)的速度變化(如風(fēng)速等原因)，因?yàn)橹绷魉欧姍C(jī)本身帶有測(cè)速機(jī)端，可以把速度反饋信號(hào)進(jìn)行負(fù)反饋輸入到PWM伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，這樣使轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的轉(zhuǎn)速度變化很小，起著穩(wěn)速的作用。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 總體設(shè)計(jì)
整個(gè)硬件系統(tǒng)采用模塊化思想設(shè)計(jì)，硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示，分為單片機(jī)CPU最小系統(tǒng)、鍵盤(pán)／顯示控制模塊、直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、系統(tǒng)輸入模塊、光電編碼器等。設(shè)計(jì)時(shí)，各個(gè)模塊可相對(duì)獨(dú)立設(shè)計(jì)調(diào)試，最后集成為整個(gè)系統(tǒng)。

2．2 模塊結(jié)構(gòu)和功能簡(jiǎn)要說(shuō)明
CPU最小系統(tǒng)：系統(tǒng)的主控模塊，用以控制和協(xié)調(diào)其它模塊工作。
鍵盤(pán)／顯示控制：由鍵盤(pán)及LED管理芯片CH451控制。系統(tǒng)輸入模塊：用通用8155芯片做數(shù)據(jù)采集，獲取光電編碼器所測(cè)得的火炮當(dāng)前角度(位置)值，并傳給主控芯片。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路：用帶有緩沖基準(zhǔn)輸入的雙路12位電壓輸出數(shù)字一模擬轉(zhuǎn)換器(TLC5618)作為單片機(jī)的一個(gè)外圍的D／A接口；當(dāng)系統(tǒng)把偏差值算好后，利用PID算法得出的數(shù)據(jù)量輸出到兩路TLC5618，再通過(guò)驅(qū)動(dòng)器去驅(qū)動(dòng)水平和高低角的伺服電機(jī)，精確控制火炮的高低角和水平角位置和速度。
SCI通信：通過(guò)串行通信模塊。系統(tǒng)可以與上位機(jī)連接，方便對(duì)系統(tǒng)軟件的更新和升級(jí)，且可通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行控制角度控制，監(jiān)視單片機(jī)的輸入與輸出。光電編碼器：用于得到炮架的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。
2．3 主要模塊設(shè)計(jì)