【文章內(nèi)容簡介】 數(shù)和伺服電機(jī)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(jī)反饋電流值通過A/D通道轉(zhuǎn)換以后和實(shí)際電流存在一個(gè)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(gè)控制系統(tǒng)的最內(nèi)環(huán)，動(dòng)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(shí)間常數(shù)，Kpi為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)。為了滿足設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)則[18]，應(yīng)使系統(tǒng)的超調(diào)量，此時(shí)KITW=，從而可以計(jì)算出Kpi。至此電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)完成，電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 ()由于TW/KI是一個(gè)近乎于零的值，Td的高次項(xiàng)可以忽略。 速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)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(gè)積分環(huán)節(jié)，為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(yīng)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(shè)計(jì)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(jì)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(shè)計(jì)完成。實(shí)際控制過程中，在系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止時(shí)速度環(huán)的積分環(huán)節(jié)很容易達(dá)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(yán)重時(shí)會(huì)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(shè)計(jì)快速性是位置隨動(dòng)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(diǎn)，可以在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，提高響應(yīng)時(shí)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(biāo)位置值，為負(fù)載反饋位置值，由EnDat編碼器測量得到。 ()為一個(gè)近乎于零的值，所以可以忽略高次項(xiàng)，同時(shí)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(xué)結(jié)構(gòu)可以看出在位置環(huán)校正前已經(jīng)包含一個(gè)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(jì)算出，至此位置環(huán)的PID調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)完成。由于=0，所以位置環(huán)的調(diào)節(jié)器其實(shí)屬于PI調(diào)節(jié)器。 簡化后的伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖按照工程設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出了本系統(tǒng)三個(gè)調(diào)節(jié)器，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和響應(yīng)速度，滿足伺服控制系統(tǒng)的動(dòng)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(shí)現(xiàn)的功能要求設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。分析了電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和PWM控制原理，在此基礎(chǔ)上根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)在全自動(dòng)目標(biāo)跟蹤儀中擔(dān)任著至關(guān)重要的作用，是目標(biāo)跟蹤儀的執(zhí)行部件，因此其性能的好壞直接決定了目標(biāo)跟蹤儀的運(yùn)行效果。伺服系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本章在上一章伺服控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上給出了硬件電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)。 硬件總結(jié)結(jié)構(gòu) 伺服控制系統(tǒng)功能需求全自動(dòng)目標(biāo)跟蹤儀主要用于軍事、導(dǎo)航、國防等相關(guān)領(lǐng)域。伺服控制系統(tǒng)是目標(biāo)跟蹤儀的核心，結(jié)合全自動(dòng)目標(biāo)跟蹤儀特殊的應(yīng)用環(huán)境和伺服系統(tǒng)要實(shí)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(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸入信號是隨機(jī)變化的，要求輸出量能準(zhǔn)確、快速地跟隨輸入信號的變化，及時(shí)地對采集到的反饋信號進(jìn)行分析和處理，同時(shí)還能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)外設(shè)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)主控制器和上位機(jī)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(dòng)電機(jī)，因此需要具有PWM模塊。另外系統(tǒng)的輸入信號是跟蹤目標(biāo)的當(dāng)前位置值，由于系統(tǒng)給定量具有隨機(jī)變化的無規(guī)律性，在運(yùn)動(dòng)控制過程中，電機(jī)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(shí)在電機(jī)的控制過程中，要實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)對電壓的實(shí)時(shí)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(jìn)行檢測。同時(shí)還需要采集電機(jī)反饋電流值，實(shí)現(xiàn)電流環(huán)的閉環(huán)控制，而這些模擬量在運(yùn)用時(shí)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(jì)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(jī)所需要的PWM控制信號，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制，因此要求伺服系統(tǒng)有較強(qiáng)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(shí)現(xiàn)伺服控制系統(tǒng)的功能是最佳選擇。因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)具有面向特定應(yīng)用、執(zhí)行速度高、低功耗、高實(shí)時(shí)性、高可靠性、高穩(wěn)定性、系統(tǒng)內(nèi)核比較小等特點(diǎn)。在嵌入式系統(tǒng)中，整個(gè)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(jià)比和代碼密度以及出色的實(shí)時(shí)中斷響應(yīng)和極低的功耗，是嵌入式系統(tǒng)的理想選擇，應(yīng)用范圍非常廣泛。ARM公司開發(fā)了很多系列的處理器核，應(yīng)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(gè)內(nèi)核，具有強(qiáng)大的通信功能。而ARM9系列控制器強(qiáng)化了數(shù)字信號處理(DSP)功能，同時(shí)提供支持現(xiàn)代操作系統(tǒng)多程序設(shè)計(jì)所需的虛擬存儲(chǔ)器功能[21]，由于本設(shè)計(jì)不使用LINUX等操作系統(tǒng)，因此不需要具備虛擬存儲(chǔ)器管理單元。綜上所述，可選用不提供虛擬存儲(chǔ)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?yàn)長PC2368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(dá)512KB的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)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(dá)72MHz的工作頻率下穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)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(gè)操作同時(shí)進(jìn)行，滿足系統(tǒng)的快速性要求。216。 1個(gè)SPI接口、2個(gè)同步串行接口(SSP)、具有2路CAN通道、3個(gè)I2C接口、4個(gè)異步串行接口(UART)。強(qiáng)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(gè)通用I/O管腳；4個(gè)定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器具備一個(gè)外部計(jì)數(shù)輸入，1個(gè)PWM/定時(shí)器模塊，支持電機(jī)控制。因此系統(tǒng)具備采集反饋電流和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功能。216。 支持實(shí)時(shí)跟蹤，具有兩個(gè)獨(dú)立的電源域，允許根據(jù)所需特性對功耗進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；先進(jìn)的向量中斷控制器，支持多達(dá)32個(gè)向量中斷。 硬件總體設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的硬件由微控制器和外圍接口電路構(gòu)成，實(shí)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(shè)計(jì)微控制器LPC2368有兩個(gè)獨(dú)立的電源域，第一組為CPU、片內(nèi)外圍設(shè)備供電；第二組為RTC振蕩器提供電源。同時(shí)RTC電源管腳還給2KB靜態(tài)RAM供電，當(dāng)芯片的其它部分掉電時(shí)允許數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)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(jī)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(shè)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(shè)計(jì)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(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)。該芯片的最大輸出電流為3A，具有過熱保護(hù)和限流保護(hù)功能[25]，符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。，為微控制器的不同片內(nèi)外圍設(shè)備供電。 通信電路設(shè)計(jì)通信電路包括RS232串行接口電路和CAN總線電路，前者實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和上位機(jī)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(xì)介紹通信模塊接口電路的設(shè)計(jì)。 RS232串行通信接口電路設(shè)計(jì)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(shè)備和數(shù)據(jù)通信設(shè)備。系統(tǒng)中為了方便調(diào)試，采用了微控制器的兩個(gè)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(biāo)準(zhǔn)電平定義的電平信號不同，兩者間要實(shí)現(xiàn)通信，需要用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232實(shí)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(biāo)位置信息接收電路設(shè)計(jì)目標(biāo)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(luò)，屬于工業(yè)現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持實(shí)時(shí)控制或分布式控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，是國際上應(yīng)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(diǎn)有：數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)、速度高；發(fā)送的信息遭到破壞后可自動(dòng)重發(fā)，直到發(fā)送成功為止；可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文；節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下自動(dòng)關(guān)閉輸出，保證總線上其它節(jié)點(diǎn)不會(huì)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(gè)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(dāng)系統(tǒng)有錯(cuò)誤,多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)RS485網(wǎng)絡(luò)中總線呈現(xiàn)短路，損壞某些節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)象 [28]。電阻R1連接收發(fā)器的兩個(gè)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(hù)收發(fā)器免受過流沖擊。 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)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(shí)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(diǎn)介紹，本節(jié)只介紹A/D接口電路。LPC2368提供了一個(gè)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(shí)進(jìn)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(yùn)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(yīng)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(shè)計(jì)由于功率放大電路在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)通過的電流較大，會(huì)導(dǎo)致芯片發(fā)熱，溫度過高甚至?xí)p壞芯片。因此，為了保證功率放大電路能正常運(yùn)行，需要采用溫度傳感器監(jiān)控功率放大模塊的溫度，當(dāng)溫度超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)，控制電路將使電機(jī)停轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)中使用DS18B20作為溫度傳感器。DS18B20只有三個(gè)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(shí)只要一根信號線就可以實(shí)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(gè)大約5KΩ的上拉電阻R5和R6。 溫度監(jiān)控電路 系統(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計(jì)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