【文章內(nèi)容簡介】 數(shù)和伺服電機的模型。 電流環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖其中β為反饋電流放大倍數(shù)，電機反饋電流值通過A/D通道轉(zhuǎn)換以后和實際電流存在一個放大系數(shù)β；TW+1為PWM裝置的傳遞函數(shù)；ACR為電流調(diào)節(jié)器；電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 T1= ()電流環(huán)是整個控制系統(tǒng)的最內(nèi)環(huán)，動態(tài)特性上要求電樞電流不能有太大的超調(diào)，穩(wěn)態(tài)特性上要求電流無靜差，因此采用PI型調(diào)節(jié)器即可以滿足要求[17]。其傳遞函數(shù)的形式為 ()其中為調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)，Kpi為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)。為了滿足設計要求，工程上要求取TW與TC中較大的值，與控制環(huán)節(jié)的大慣性環(huán)節(jié)對消。本系統(tǒng)中TC大于TW，取TC，從而 ()令，T1為典型的I型系統(tǒng)，根據(jù)I型系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的參數(shù)設計規(guī)則[18]，應使系統(tǒng)的超調(diào)量，此時KITW=，從而可以計算出Kpi。至此電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)器設計完成，電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 ()由于TW/KI是一個近乎于零的值，Td的高次項可以忽略。 速度調(diào)節(jié)器設計結(jié)合式()。 速度環(huán)結(jié)構(gòu)框圖ASR為速度調(diào)節(jié)器，由于速度環(huán)中已經(jīng)包含了一個積分環(huán)節(jié)，為了實現(xiàn)動態(tài)抗干擾性能好，轉(zhuǎn)速無靜差的要求，速度環(huán)的調(diào)節(jié)器應采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 ()結(jié)合式() ()令，則 ()TS為典型的II型系統(tǒng)，按照工程上II型系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的參數(shù)設計規(guī)則[19]，即 = () ()其中h為中頻寬，按跟隨性和抗干擾性都較好的原則，取h=5。從而計算出速度調(diào)節(jié)器的參數(shù)，至此速度環(huán)的PI調(diào)節(jié)器設計完成。實際控制過程中，在系統(tǒng)的啟動、停止時速度環(huán)的積分環(huán)節(jié)很容易達到飽和而不能快速的退飽和，從而引起速度環(huán)調(diào)節(jié)滯后，電流環(huán)超調(diào)，嚴重時會引起系統(tǒng)振蕩[20]，因此要在積分環(huán)節(jié)中根據(jù)系統(tǒng)要求增加限幅，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 位置調(diào)節(jié)器設計快速性是位置隨動系統(tǒng)的主要要求，因此位置環(huán)主要以跟隨性為主，而PI調(diào)節(jié)器是以對快速性的限制來換取系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度的，因此位置環(huán)不能用PI調(diào)節(jié)器。由于PID調(diào)節(jié)器兼具超前——滯后的優(yōu)點，可以在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，提高響應時間[15]。因此位置環(huán)采用PID調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 ()由速度環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)可以得出位置環(huán)的簡化結(jié)構(gòu)框圖。 位置環(huán)簡化結(jié)構(gòu)框圖其中為圖像處理系統(tǒng)傳給伺服控制系統(tǒng)的目標位置值，為負載反饋位置值，由EnDat編碼器測量得到。 ()為一個近乎于零的值，所以可以忽略高次項，同時將分母分解，得到近似開環(huán)傳遞函數(shù)為 ()其中、()。由TP的數(shù)學結(jié)構(gòu)可以看出在位置環(huán)校正前已經(jīng)包含一個微分環(huán)節(jié)，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定精度，令=0，=KP1，使(S+1)與控制環(huán)節(jié)中的大慣性環(huán)節(jié)對消。校正后，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 ()此結(jié)構(gòu)形式和速度環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)()一樣，用同樣的方法計算出，至此位置環(huán)的PID調(diào)節(jié)器設計完成。由于=0，所以位置環(huán)的調(diào)節(jié)器其實屬于PI調(diào)節(jié)器。 簡化后的伺服系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖按照工程設計要求，設計出了本系統(tǒng)三個調(diào)節(jié)器，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和響應速度，滿足伺服控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能要求。 本章小結(jié)本章首先介紹了系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，結(jié)合系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能要求設計了控制系統(tǒng)總體設計方案。分析了電機的數(shù)學模型和PWM控制原理，在此基礎上根據(jù)系統(tǒng)要求設計了位置、速度、電流調(diào)節(jié)器，闡述了三閉環(huán)控制系統(tǒng)的PI控制方法。3 伺服控制系統(tǒng)硬件設計伺服控制系統(tǒng)在全自動目標跟蹤儀中擔任著至關(guān)重要的作用，是目標跟蹤儀的執(zhí)行部件，因此其性能的好壞直接決定了目標跟蹤儀的運行效果。伺服系統(tǒng)的硬件設計是整個系統(tǒng)的基礎。本章在上一章伺服控制系統(tǒng)總體設計的基礎之上給出了硬件電路的詳細設計。 硬件總結(jié)結(jié)構(gòu) 伺服控制系統(tǒng)功能需求全自動目標跟蹤儀主要用于軍事、導航、國防等相關(guān)領域。伺服控制系統(tǒng)是目標跟蹤儀的核心，結(jié)合全自動目標跟蹤儀特殊的應用環(huán)境和伺服系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能，總結(jié)出伺服控制系統(tǒng)的功能需求如下：216。 伺服控制系統(tǒng)屬于位置隨動系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸入信號是隨機變化的，要求輸出量能準確、快速地跟隨輸入信號的變化，及時地對采集到的反饋信號進行分析和處理，同時還能夠?qū)崟r響應外設的請求，因此需要微控制器有較高的處理頻率，能滿足系統(tǒng)的快速性要求。216。 主控制器要實現(xiàn)與圖像處理系統(tǒng)的通信功能，通過CAN總線接收圖像處理模塊傳送的位置信息，同時主控制器還能向通信系統(tǒng)傳遞速度信息，狀態(tài)信息等；主控制器還要具有UART串口通信功能，實現(xiàn)主控制器和上位機的通信，因此微控制器需要具有CAN控制器和UART控制器。216。 伺服控制系統(tǒng)需要驅(qū)動電機，因此需要具有PWM模塊。另外系統(tǒng)的輸入信號是跟蹤目標的當前位置值，由于系統(tǒng)給定量具有隨機變化的無規(guī)律性，在運動控制過程中，電機既可能正轉(zhuǎn)，也可能反轉(zhuǎn)，因此要求電壓和功率放大器必須是可逆的。同時在電機的控制過程中，要實現(xiàn)對位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的周期控制，所以微控制器需要具有定時功能。216。 主控制器需要讀取編碼器的位置值，因此微控制需要具有SSP模塊。216。 為了實現(xiàn)對電壓的實時檢測，監(jiān)控系統(tǒng)供電電壓的穩(wěn)定性，需要將模擬電壓量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進行檢測。同時還需要采集電機反饋電流值，實現(xiàn)電流環(huán)的閉環(huán)控制，而這些模擬量在運用時都需要轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，因此控制器需要有多通道的A/D轉(zhuǎn)化功能。216。 伺服控制系統(tǒng)通過采集編碼器反饋位置值計算出速度反饋值，結(jié)合外部模塊傳送的位置初值和A/D通道采集的電流反饋值，通過PID算法解算出執(zhí)行電機所需要的PWM控制信號，實現(xiàn)對電機的控制，因此要求伺服系統(tǒng)有較強的數(shù)據(jù)處理能力。 微控制器選型基于上述要求，使用嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)伺服控制系統(tǒng)的功能是最佳選擇。因為嵌入式系統(tǒng)具有面向特定應用、執(zhí)行速度高、低功耗、高實時性、高可靠性、高穩(wěn)定性、系統(tǒng)內(nèi)核比較小等特點。在嵌入式系統(tǒng)中，整個系統(tǒng)的性能表現(xiàn)在微控制器的選擇上。微控制器的種類有很多種，其中ARM在性能和功耗上有很大優(yōu)勢。ARM構(gòu)架具有極高的性價比和代碼密度以及出色的實時中斷響應和極低的功耗，是嵌入式系統(tǒng)的理想選擇，應用范圍非常廣泛。ARM公司開發(fā)了很多系列的處理器核，應用比較多的有ARM7系列，ARM9系列等。ARM7處理器內(nèi)核是目前用量最多的一個內(nèi)核，具有強大的通信功能。而ARM9系列控制器強化了數(shù)字信號處理(DSP)功能，同時提供支持現(xiàn)代操作系統(tǒng)多程序設計所需的虛擬存儲器功能[21]，由于本設計不使用LINUX等操作系統(tǒng)，因此不需要具備虛擬存儲器管理單元。綜上所述，可選用不提供虛擬存儲器功能的ARM7作為微控制器。綜合上述伺服系統(tǒng)的功能需求，經(jīng)過多方比較，選定了ARM7TDMIS系列的LPC2368作為伺服控制系統(tǒng)的微控制器。這是因為LPC2368具有如下優(yōu)勢[22][23]：216。 低功耗、高性能，；支持空閑、睡眠、掉電和深度掉電四種低功耗模式；高達512KB的片內(nèi)Flash程序存儲器；較以往的ARM7系列芯片在性能上有很大的提高。216。 通用的32位微控制器，工業(yè)級芯片，可在高達72MHz的工作頻率下穩(wěn)定運行，同時控制器使用流水線來提高控制器指令流的速度，可以使幾個操作同時進行，滿足系統(tǒng)的快速性要求。216。 1個SPI接口、2個同步串行接口(SSP)、具有2路CAN通道、3個I2C接口、4個異步串行接口(UART)。強大的通信接口，能滿足系統(tǒng)的通信功能。216。 10位A/D轉(zhuǎn)換器；70多個通用I/O管腳；4個定時器，每個定時器具備一個外部計數(shù)輸入，1個PWM/定時器模塊，支持電機控制。因此系統(tǒng)具備采集反饋電流和驅(qū)動電機的功能。216。 支持實時跟蹤，具有兩個獨立的電源域，允許根據(jù)所需特性對功耗進行適當調(diào)整；先進的向量中斷控制器，支持多達32個向量中斷。 硬件總體設計整個系統(tǒng)的硬件由微控制器和外圍接口電路構(gòu)成，實現(xiàn)了系統(tǒng)中需要的電路功能。 伺服控制系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)電源電路設計微控制器LPC2368有兩個獨立的電源域，第一組為CPU、片內(nèi)外圍設備供電；第二組為RTC振蕩器提供電源。同時RTC電源管腳還給2KB靜態(tài)RAM供電，當芯片的其它部分掉電時允許數(shù)據(jù)存儲在SRAM中[24]。 LPC2368電源輸入名稱組號電源輸入管腳電源名稱供電范圍1VDD(3V3)I/O口的電源電壓2VDDA片上A/D和D/A轉(zhuǎn)換器3VREF參考電壓A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓4VDCDC(3V3) DCDC電源DCDC轉(zhuǎn)換器的電源，如果不使用DCDC，管腳必須斷開，5VBATRTC電源電源輸入分為多組的原因在于，能夠在每組電源之間加入去耦電容來減少電源之間的干擾和噪聲。而整個硬件系統(tǒng)中部分接口電路的外圍電路芯片，如CAN控制器CTM8251需要5V的工作電壓。由于伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求，系統(tǒng)采用24V的穩(wěn)壓電源為直流電機供電。因此系統(tǒng)需要將24V降壓到5V，以支持外圍接口電路的正常工作，為微控制器和片內(nèi)外圍設備供電。為了提高電源質(zhì)量，減少噪聲干擾，本系統(tǒng)的電源電路設計將包括輸入濾波和電壓轉(zhuǎn)換兩部分。 系統(tǒng)電源電路24VB為電機的供電電壓，電容C31的主要作用是去耦、C32的作用是濾波，保證了電機供電電壓的穩(wěn)定性。使用電感L3隔離24VB和24V電源，以減少模擬電源對數(shù)字電源的干擾，其中24VB為功率電路供電，24V為控制電路供電。通過電感隔離可以降低兩路電源的電磁干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。5V電源輸出端外加電感L5，可以使輸出電壓更加平滑。發(fā)光二極管D2是系統(tǒng)工作電壓指示燈。由于24V到5V的降壓壓差較大，需要根據(jù)系統(tǒng)的功耗選擇合適的電壓轉(zhuǎn)換器件。本系統(tǒng)采用降壓開關(guān)型穩(wěn)壓芯片LM2576來實現(xiàn)。該芯片的最大輸出電流為3A，具有過熱保護和限流保護功能[25]，符合系統(tǒng)的設計要求。，為微控制器的不同片內(nèi)外圍設備供電。 通信電路設計通信電路包括RS232串行接口電路和CAN總線電路，前者實現(xiàn)系統(tǒng)和上位機的通信，后者用來接收圖像處理系統(tǒng)傳遞的位置參數(shù)，即系統(tǒng)的輸入量。下面將詳細介紹通信模塊接口電路的設計。 RS232串行通信接口電路設計RS232串行接口是使用最廣泛的通信接口之一，用于連接數(shù)據(jù)終端設備和數(shù)據(jù)通信設備。系統(tǒng)中為了方便調(diào)試，采用了微控制器的兩個異步收發(fā)器：UART1和UART2。由于微控制器LPC2368的串行接口是TTL電平，與RS232標準電平定義的電平信號不同，兩者間要實現(xiàn)通信，需要用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232實現(xiàn)信號電平的轉(zhuǎn)換[26]。 UART接口電路其中RXD用于接收數(shù)據(jù)，TXD用于發(fā)送數(shù)據(jù)?；镜拇型ㄐ殴δ苤恍枰猂XD、TXD和GND三根信號線即可以完成。 目標位置信息接收電路設計目標位置信息是通過CAN總線傳輸給本系統(tǒng)的。CAN (Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)絡，屬于工業(yè)現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持實時控制或分布式控制的串行通信網(wǎng)絡，是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。與一般的通信總線相比，CAN總線數(shù)據(jù)通信突出的優(yōu)點有：數(shù)據(jù)傳輸距離遠、速度高；發(fā)送的信息遭到破壞后可自動重發(fā)，直到發(fā)送成功為止；可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文；節(jié)點在錯誤嚴重的情況下自動關(guān)閉輸出，保證總線上其它節(jié)點不會受到影響[27]。本系統(tǒng)使用微控制器的CAN1控制器，保證本系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)的正常通信。 CAN控制器接口電路電路中的CTM8251AT是一款內(nèi)部集成了CAN隔離及CAN收、發(fā)器件的芯片，CAN總線通過該芯片的兩個輸出端CANL和CANH與物理總線相連，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)，CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)。這就保證當系統(tǒng)有錯誤,多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，不會出現(xiàn)RS485網(wǎng)絡中總線呈現(xiàn)短路，損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象 [28]。電阻R1連接收發(fā)器的兩個輸出端，其主要作用是釋放總線上的反射能量，可抑制噪聲，防止回波干擾，保護收發(fā)器免受過流沖擊。 數(shù)據(jù)采集電路設計數(shù)據(jù)采集電路包括A/D接口電路和SSP接口電路，前者實現(xiàn)對電流反饋值、電源電壓值的采集。其中位置信號采集電路放在第四章重點介紹，本節(jié)只介紹A/D接口電路。LPC2368提供了一個6通道的10位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，可以有6路信號同時進行轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)中使用了其中的4路通道，采集系統(tǒng)供電電壓值和三路電流反饋值。電源電壓經(jīng)過R12和R13分壓得到電壓AVB(模擬量)，通過A/D轉(zhuǎn)換器的0通道將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以監(jiān)控系統(tǒng)電源，保證系統(tǒng)可靠地運行。FB1是電樞電流經(jīng)過集成功率放大電路得到的電流反饋值，F(xiàn)B2和FB3是電樞電流經(jīng)過由功率放大器搭建的信號放大電路得到的電流反饋值，F(xiàn)BFB2和FB3同為電流反饋信號，只是放大倍數(shù)不同，根據(jù)系統(tǒng)的不同需求，選用相應放大系數(shù)的反饋電流，保證系統(tǒng)的控制精度。 A/D接口電路 溫度監(jiān)控電路設計由于功率放大電路在系統(tǒng)運行時通過的電流較大，會導致芯片發(fā)熱，溫度過高甚至會損壞芯片。因此，為了保證功率放大電路能正常運行，需要采用溫度傳感器監(jiān)控功率放大模塊的溫度，當溫度超過預設閾值時，控制電路將使電機停轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)中使用DS18B20作為溫度傳感器。DS18B20只有三個外接引腳：數(shù)字信號傳輸端、電源地、外界供電電源輸入端。功率放大模塊有兩處需要溫度監(jiān)測，分別為MOS管和雙高端開關(guān)器件MC33486芯片。因此系統(tǒng)采用兩片DS18B20數(shù)字溫度傳感器分別監(jiān)測這兩塊芯片的溫度。微控制器與DS18B20連接時只要一根信號線就可以實現(xiàn)兩者的雙向通信，、逐位發(fā)送、接收數(shù)據(jù)即可[29]。測溫范圍為55℃～+125℃，足夠滿足系統(tǒng)的測溫范圍。DS18B20有兩種供電方式，外接電源供電和數(shù)據(jù)線供電，供電電壓為3 V～。，保證供電電壓的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)信號免受干擾[30]。此外由于DS18B20的數(shù)據(jù)線輸出引腳為開漏輸出，因此數(shù)據(jù)線需要一個大約5KΩ的上拉電阻R5和R6。 溫度監(jiān)控電路 系統(tǒng)復位電路設計在嵌入式系統(tǒng)中，由于微控制器的工作常常受到外界干擾，從而使程