基于嵌入式單片機的光電伺服控制系統的設計

摘 要：根據伺服系統的工作原理和系統構成，采用8051單片機作為控制器件，利用嵌入式技術，設計一種基于單片機控制的光電伺服系統，并對系統的基本結構、工作模塊、控制方案、驅動技術等進行分析探討。實踐應用表明該系統設計具有可靠性高、易于控制、智能化的特點，能快速適應目標跟蹤的需要，具有精度高、響應快、跟蹤平穩等優良的運作性能。

關鍵詞：伺服控制系統；光電伺服系統；數字PID控制；離散化周期

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：B 文章編號：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

伺服系統是光電對抗系統中重要的一環。在執行機構的帶動下，伺服系統可以快速、準確、平穩地跟蹤目標，從而為實施有效的抗干擾通信奠定基礎。為此，對于大型精密伺服系統，應選用電流、轉速、位置3環結構，以保證高精度、快速性和穩定性。電流環的設計采用霍爾元件作電流反饋量，轉速環反饋通道為與伺服電機同軸聯接的測速電機，這樣有助于減少齒輪系的誤差，提高系統的跟蹤精度；位置環采用變系數PID數字控制，可解決定位精度高，動態響應快等問題，位置反饋通道采用14位光電編碼器，可將位置信號直接轉化成數字量，精度可達80″。

1 伺服系統工作原理及設計

圖1所示的伺服系統工作原理是:外部信息與光電編碼器輸出量進行比較，獲得的誤差量經PID運算作為轉速環的輸入量，速度調節器的輸出作為電流環的輸入，經電流調節器驅動PWM功率放大器，以拖動力矩電機帶動負載跟蹤目標。

1.1 軟件實現

從軟件實現功能上看，控制程序包括前臺程序和后臺程序。前臺程序的任務是完成實時控制，主要包括采樣輸入、控制運算、控制輸出等。后臺程序的任務是對系統進行監控，如系統上電后的初始化定位、狀態輸出等一系列輔助功能，其流程如圖2所示。

圖1 伺服系統結構原理圖圖2 控制程序流程圖控制程序所要實現的各種功能可以采用消息驅動的方式。消息驅動就是利用不同的消息(事件)激活相應的中斷服務程序，系統所要實現的全部控制任務或功能都用中斷服務程序完成。根據任務的重要性和實時要求，可以對中斷服務類型和中斷源的優先級進行設定。對有實時性要求的前臺程序，即采樣一一控制程序，用定時器中斷源激活，并占用最高的中斷級。狀態輸出等輔助功能程序則可采用 PEC中斷處理方式，且其優先級必須低于采樣控制中斷的優先級。

采用易于實現且適用范圍廣的數字PID算法，在連續PID算式中，將積分項用矩陣形式代替，微分項用差分代替，數字PID算式可寫成：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。為了減少計算量，節省存儲空間，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。

采用數字PID算法的采樣一一控制程序流程如圖3所示。實際應根據伺服電機的類型和相關參數確定最佳控制參數。

圖3 采樣控制中斷程序流程1.2 系統設計

驅動電路也是一個小型的單片機系統，單片機接收主控單元發出的方波信號、天線正反轉、細分信號，并控制步進電動機驅動器驅動2個步進電動機分別按不同的要求轉動。天線可沿X軸向、Y軸向2個自由度運行，每個軸向分別由1個電動機驅動。實現平滑調速和準確定位。

根據系統特點，可以將其抽象成一個離散控制系統，離散化周期就是上位機送數周期T，第k次送數時間稱為k時刻;在每個時刻，上位機發送天線在下一個時刻X軸向、Y軸向的目標位置。系統與上位機通訊使用并口通訊，由系統以硬件中斷方式接收數據。

系統主程序是一個循環結構，在中斷服務程序中，對上位機發出的滿足通訊協議的數據保存并將對應標志位置位。在主程序中，判斷這個標志位的狀態，并進行對應操作，如果目標位置沒有改變，則只顯示無線當前位置，天線速度和轉向都不變;天線某軸向到達目標位置后停轉。出于對可靠性的考慮，還要判斷天線是否轉出了給定范圍，當越界時，天線停轉;如果開機位置值出錯，則天線要首先高速返回到給定范圍內。由于系統有隨動和定位2種工作模式，在隨動方式下，天線要變速運行，使其始終能夠高精度跟蹤目標位置;在定位方式下則以給定速度勻速運動。為了簡化硬件結構，設置兩種方式自動切換，在運行過程中，判斷目標位置是否刷新，如果刷新就運行在隨動方式，否則以定位方式運行;如果位置值刷新但與上次位置值相差較大，則運行在定位方式。

PWM晶體管功率放大器包括電壓脈寬變換器和開關式功率放大器2部分。其簡化結構圖如圖4所示：

圖4 PWM式晶體管放大器結構圖PWM功放的輸出是一串寬度可調的矩形脈沖，除包含有用的控制信號處，還包含1個頻率同放大器切換頻率相同的高頻分量，這個高頻分量使電機時刻處于微振狀態，有利于克服執行軸上的靜摩擦，改善伺服系統的低速運行的特性。伺服電機的轉速大小和方向，直接取決于PWM功放的輸入信號的大小和極性。

控制器電路板主要由以下幾部分構成：

（1） 單片機。控制器的核心部分，實現絕大部分的控制和計算的功能。

（2） 硬件初始化模塊。用于系統復位時的初始化配置。

（3） 存儲器模塊。即外部ROM，用于程序的存儲。

（4） CAN接口模塊。片內CAN控制器與監控系統進行通訊的接口電路。

（5） 輸入、輸出擴展接口。用于采集信號輸入和控制輸出。

寬調速力矩電機采用大直徑加大轉矩，同時轉動慣量也增加，電機熱容量大，過載時間可以加長，同軸帶有高精度測速反饋元件，故低速平穩、力矩波動小。

2 結 語

采用以單片機嵌入式控制不僅能夠完成高精度的實時控制任務，還可以通過消息驅動方式靈活實現系統自檢測、故障自診斷和各種智能化輔助功能。天線伺服系統的模塊化設計和高集成度、低功耗芯片使得系統體積小、重量輕、功耗低，同時具有較高可靠性;采用合理的控制策略，使得系統運行平穩、控制精度高。由于控制程序采用模塊化結構，系統有可能適應各種復雜情況，對不同型號的伺服電機只需改動算法程序或控制參數，就可以獲得理想的控制效果。

參 考 文 獻

［1］李勛.單片機原理及應用\\.北京：高等教育出版社，1995.

［2］劉長年.伺服系統的分析與設計\\.北京：科學出版社，1985.

［3］楊蔭山.微型計算機控制系統\\.北京：高等教育出版社，1997.

［4］秦積榮.光電檢測原理及應用\\.北京：國防工業出版社，1985.

［5］沈安俊.現代直流伺服控制技術及其系統設計\\.北京：機械工業出版社，1999.

［6］劉勝.現代伺服系統設計\\.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2001.

［7］徐寧壽.隨機信號估計與系統控制\\.北京：北京工業大學出版社，2003.

［8］薛定宇.反饋控制系統設計與分析\\.北京：清華大學出版社，2000.

［9］邵慧鶴.工業過程高級控制\\.上海：上海交通大學出版社，1997.

［10］余永權.黃英.單片機在控制系統中的應用\\.北京：電子工業出版社，2003.

作者簡介 高進濤 男，1981年出生，工程師，學士。主要研究方向為實時系統、自動控制、分布式仿真等。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文