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控制系統(tǒng)

基于MC9S12DGl28單片機(jī)的快速位置伺服系統(tǒng)的設(shè)計

星之球激光 來源:中電網(wǎng)2011-11-15 我要評論(0 )   

O 引言 本設(shè)計要求對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。而這個火炮角度控制系統(tǒng)首先要求有快速性,它的反應(yīng)時間大于或等于12/s;角度轉(zhuǎn)動控...

O 引言

本設(shè)計要求對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。而這個火炮角度控制系統(tǒng)首先要求有快速性,它的反應(yīng)時間大于或等于12°/s;角度轉(zhuǎn)動控制精度小于或等于1’,水平角轉(zhuǎn)動范圍從一120°~+120°,高低角轉(zhuǎn)動范圍從0°~+85°;最后系統(tǒng)要有很好的穩(wěn)定性和動態(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)行時要求能以一定的精度隨時跟蹤指令的變化。所以對于這種快速位置伺服系統(tǒng),要求整個系統(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)時性、性價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。本文采用該型號的單片機(jī)保證了所設(shè)計系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

1 系統(tǒng)控制方案

由于設(shè)計的角度伺服系統(tǒng)的負(fù)載比較大,而且相對于工業(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,而且共用一個單片機(jī),以角度控制方框圖(圖1)來說明。

角度控制方框圖

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

2.1 總體設(shè)計

整個硬件系統(tǒng)采用模塊化思想設(shè)計,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/顯示控制模塊、直流伺服電機(jī)驅(qū)動電路、系統(tǒng)輸入模塊、光電編碼器等。設(shè)計時,各個模塊可相對獨(dú)立設(shè)計調(diào)試,最后集成為整個系統(tǒng)。

硬件系統(tǒng)框圖

2.2 模塊結(jié)構(gòu)和功能簡要說明

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/顯示控制:由鍵盤及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,再通過驅(qū)動器去驅(qū)動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:通過串行通信模塊。系統(tǒng)可以與上位機(jī)連接,方便對系統(tǒng)軟件的更新和升級,且可通過上位機(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)動角度。

2.3 主要模塊設(shè)計

2.3.1 單片機(jī)CPU最小系統(tǒng)

HCSl2系列MCU的硬件結(jié)構(gòu)中僅有一個MCU(微控制器)是無法工作的,它必須結(jié)合其它相應(yīng)的外圍電路(即MCU支撐電路),才能構(gòu)成一個最小系統(tǒng)。HCSl2系列MCU的最小系統(tǒng)一般包括電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路、BDM調(diào)試頭電路,MC9Sl2DGl28芯片最小系統(tǒng)支撐電路示意圖如圖3所示。其中各個部分功能如下:

(1)電源電路主要給MCU提供+5V,+12V和+3.3V電源。

(2)時鐘電路給MCU提供一個外接的石英晶振。

(3)復(fù)位電路主要完成系統(tǒng)上電復(fù)位和系統(tǒng)在運(yùn)行時用戶按鍵復(fù)位。

(4)BDM接口電路主要完成與BDM調(diào)試工具相連,向MC9S12單片機(jī)寫入和調(diào)試程序。

MC9Sl2DGl28芯片最小系統(tǒng)支撐電路示意圖

2.3.2 鍵盤/顯示控制電路

鍵盤控制模塊采用鍵盤及LED管理芯片CH451。CH45l是一個整合了數(shù)碼管顯示驅(qū)動和鍵盤掃描控制以μP監(jiān)控的多功能外圍芯片。CH451內(nèi)置RC振蕩電路,可以動態(tài)驅(qū)動8位數(shù)碼管或者64位LED,具有BCD譯碼、閃爍、移位等功能;同時還可以進(jìn)行64鍵的鍵盤掃描;CH451通過可以級聯(lián)的串行接口與單片機(jī)等交換數(shù)據(jù);并且提供上電復(fù)位和看門狗等監(jiān)控功能。該芯片支持SPI同步串行通訊方式,可以與MC9S12DGl28B單片機(jī)的SPI通訊口進(jìn)行告訴數(shù)據(jù)通訊,控制方便。鍵盤采用4×4矩陣式鍵盤,系統(tǒng)共使用16個按鍵。顯示數(shù)據(jù)用數(shù)碼管,由鍵盤輸入火炮要旋轉(zhuǎn)的水平和高低角度值,并顯示出來,系統(tǒng)第一次采集來的角度值也是通過它顯示的。

2.3.3 系統(tǒng)輸入模塊

從光電碼盤中輸出的數(shù)據(jù)有15位,要是單一的用單片機(jī)去讀取光電碼盤的數(shù)據(jù),一個光電碼盤就會用到15個數(shù)據(jù)線,占用了單片機(jī)的大量資源。利用8155的豐富的I/O口資源,可以減少對單片機(jī)資源的占用。單片機(jī)給光電編碼器一個讀取信號脈沖,8155的PA和PB口立即得到光電編碼器的數(shù)據(jù),并存到了PA和PB寄存器中,此時單片機(jī)只要讀取8155的PA和PB寄存器就能得到光電碼盤的數(shù)據(jù),通過計算就能獲得此時炮架的方位角和高低角。

2.3.4 伺服電機(jī)驅(qū)動電路

對于一般的D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端都用并行輸入,但是前面的芯片已經(jīng)占用了單片機(jī)大量的接口,為了系統(tǒng)的輸入輸出能同步進(jìn)行,本設(shè)計選用了串行輸入的TLC5618,它是一種快速帶緩沖基準(zhǔn)輸入(高阻抗)的雙路12位電壓輸出數(shù)字一模擬轉(zhuǎn)換器(DAC),彌補(bǔ)了串行輸出的速度慢的不足,TLC5618具有1.21 MHz的輸入數(shù)據(jù)更新速率,DACA和DACB兩路同時更新,O.5LSB的建立時間為2.5 ms,它的最大串行時鐘速率為20 MHz,轉(zhuǎn)換速度達(dá)到要求;且它有兩路12位CMOS電壓輸出,精度符合設(shè)計要求;高阻抗基準(zhǔn)輸入使輸出有很強(qiáng)抗干擾能力。TLC5618在+5V單電源工作,其輸出電壓范圍為基準(zhǔn)電壓的兩倍,因此,電路設(shè)計采用2.5V基準(zhǔn)電壓。通過CMOS兼容的3線串行總線,可對TLC5618實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制,單片機(jī)串行數(shù)據(jù)通過PTl輸入TLC5618,串行時鐘通過PT2輸入,PTO接片選端,TLC5618接收到數(shù)據(jù)后,經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生O~5V的模擬信號,經(jīng)過減法器,得到一2.5~2.5的模擬信號,只有達(dá)到一1OV~10V的模擬信號才能更精確的控制電機(jī),所以用高速放大器LM318進(jìn)行兩級兩倍放大,就可以達(dá)到設(shè)計的要求。#p#分頁標(biāo)題#e#

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計思想,主要模塊有:主程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、鍵盤與顯示模塊、IRQ定時中斷處理程序、D/A數(shù)據(jù)輸出模塊、串行通信模塊。開發(fā)調(diào)試平臺是CodeWarrior軟件。CodeWarrior系列集成開發(fā)環(huán)境(IDE,Integrated Development Environment)是Metrowerks公司為開發(fā)嵌入式微處理器而設(shè)計的一套強(qiáng)大易用的開發(fā)工具,使用它可以有效地提高軟件開發(fā)效率。系統(tǒng)的總的流程如圖4所示。

系統(tǒng)的總的流程

4 結(jié)束語

基于Freescale公司的MC9S12DGl28B單片機(jī),設(shè)計了火炮的快速位置伺服系統(tǒng)。對硬件系統(tǒng)的鍵盤/顯示控制模塊、系統(tǒng)輸入模塊、直流伺服電機(jī)驅(qū)動電路等各個功能模塊進(jìn)行了詳細(xì)的電路設(shè)計,在CodeWarrior系列集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)了軟件系統(tǒng),最后對軟硬件進(jìn)行了綜合調(diào)試。目前,設(shè)計的系統(tǒng)功能完善、運(yùn)行可靠。結(jié)果表明:該系統(tǒng)方案設(shè)計合理,對角度控制精確度高,系統(tǒng)平穩(wěn),可靠性高,操作簡單,達(dá)到要求的指標(biāo),稍加改造,還可應(yīng)用到其它位置伺服系統(tǒng)中。

 



 

 

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