基于单片机的快速位置伺服系统的设计

O 引言
    本设计要求对某火炮的水平和高低角进行控制，达到快速位置伺服系统的要求。而这个火炮角度控制系统首先要求有快速性，它的反应时间大于或等于12°／s；角度转动控制精度小于或等于1’，水平角转动范围从一120°～+120°，高低角转动范围从0°～+85°；最后系统要有很好的稳定性和动态性能。
    由于位置伺服系统一般是以足够的位置控制精度、位置跟踪精度和足够快的跟踪速度作为它的主要控制目标，系统运行时要求能以一定的精度随时跟踪指令的变化。所以对于这种快速位置伺服系统，要求整个系统各部分配合良好，其中的关键是控制器的选择，综合考虑高精度、抗干扰能力、灵活性、可靠性、实时性、性价比等各因素的情况下。选择了Frees—cale公司的MC9Sl2DGl28B作为控制器。MC9Sl2DGl28B芯片是一款16位的单片机，功能强大，性能优越。本文采用该型号的单片机保证了所设计系统的稳定可靠。

1 系统控制方案
    由于设计的角度伺服系统的负载比较大，而且相对于工业控制要求而言系统精度和快速性要求高，所以整个系统采用混合闭环的控制结构，所谓混合闭环的控制结构，就是系统内同时存在半闭环和闭环。半闭环起到控制作用，而全闭环只用于稳态误差补偿，两者相结合可获得较高的位置控制精度和跟踪速度。包括：MJX40—14型光电编码器、90LCX一3直流伺服电机、12A8型PWM直流伺服电机驱动器、单片机控制系统。单片机控制系统由MC9Sl2DGl28B单片机实现，使用Code Warrior for HCl2 V4．6编译器，采用C语言编程。由于水平角和高低角的控制是一样的，而且共用一个单片机，以角度控制方框图(图1)来说明。

 如图1所示，系统的任务是使光电编码器测得的炮架转动角度θ2与给出的指令θ1相等。当θ1≠θ2时，θ1一θ2的偏差信号在单片机里进行处理，放大后输入到PWM直流伺服电机驱动器，由PWM驱动器驱动直流伺服电机，伺服电机带动减速器，驱动炮架向着减少偏差的方向移动，直到θ1=θ2，电机停止转动，达到目标。同时，炮架要准确的跟踪目标，必须减少在跟踪过程中可能出现的速度变化(如风速等原因)，因为直流伺服电机本身带有测速机端，可以把速度反馈信号进行负反馈输入到PWM伺服电机驱动器，这样使转动机械的转速度变化很小，起着稳速的作用。

2 硬件系统设计
2．1 总体设计
    整个硬件系统采用模块化思想设计，硬件系统框图如图2所示，分为单片机CPU最小系统、键盘／显示控制模块、直流伺服电机驱动电路、系统输入模块、光电编码器等。设计时，各个模块可相对独立设计调试，最后集成为整个系统。

2．2 模块结构和功能简要说明
    CPU最小系统：系统的主控模块，用以控制和协调其它模块工作。
    键盘／显示控制：由键盘及LED管理芯片CH451控制。系统输入模块：用通用8155芯片做数据采集，获取光电编码器所测得的火炮当前角度(位置)值，并传给主控芯片。伺服电机驱动电路：用带有缓冲基准输入的双路12位电压输出数字一模拟转换器(TLC5618)作为单片机的一个外围的D／A接口；当系统把偏差值算好后，利用PID算法得出的数据量输出到两路TLC5618，再通过驱动器去驱动水平和高低角的伺服电机，精确控制火炮的高低角和水平角位置和速度。
    SCI通信：通过串行通信模块。系统可以与上位机连接，方便对系统软件的更新和升级，且可通过上位机进行控制角度控制，监视单片机的输入与输出。光电编码器：用于得到炮架的转动角度。
2．3 主要模块设计

2．3．1 单片机CPU最小系统
    HCSl2系列MCU的硬件结构中仅有一个MCU(微控制器)是无法工作的，它必须结合其它相应的外围电路(即MCU支撑电路)，才能构成一个最小系统。HCSl2系列MCU的最小系统一般包括电源电路、时钟电路、复位电路、BDM调试头电路，MC9Sl2DGl28芯片最小系统支撑电路示意图如图3所示。其中各个部分功能如下：

(1)电源电路主要给MCU提供+5V，+12V和+3．3V电源。
    (2)时钟电路给MCU提供一个外接的石英晶振。
    (3)复位电路主要完成系统上电复位和系统在运行时用户按键复位。
    (4)BDM接口电路主要完成与BDM调试工具相连，向MC9S12单片机写入和调试程序。
2．3．2 键盘／显示控制电路
    键盘控制模块采用键盘及LED管理芯片CH451。CH45l是一个整合了数码管显示驱动和键盘扫描控制以μP监控的多功能外围芯片。CH451内置RC振荡电路，可以动态驱动8位数码管或者64位LED，具有BCD译码、闪烁、移位等功能；同时还可以进行64键的键盘扫描；CH451通过可以级联的串行接口与单片机等交换数据；并且提供上电复位和看门狗等监控功能。该芯片支持SPI同步串行通讯方式，可以与MC9S12DGl28B单片机的SPI通讯口进行告诉数据通讯，控制方便。键盘采用4×4矩阵式键盘，系统共使用16个按键。显示数据用数码管，由键盘输入火炮要旋转的水平和高低角度值，并显示出来，系统第一次采集来的角度值也是通过它显示的。
2．3．3 系统输入模块
    从光电码盘中输出的数据有15位，要是单一的用单片机去读取光电码盘的数据，一个光电码盘就会用到15个数据线，占用了单片机的大量资源。利用8155的丰富的I／O口资源，可以减少对单片机资源的占用。单片机给光电编码器一个读取信号脉冲，8155的PA和PB口立即得到光电编码器的数据，并存到了PA和PB寄存器中，此时单片机只要读取8155的PA和PB寄存器就能得到光电码盘的数据，通过计算就能获得此时炮架的方位角和高低角。
2．3．4 伺服电机驱动电路
    对于一般的D／A转换器的输入端都用并行输入，但是前面的芯片已经占用了单片机大量的接口，为了系统的输入输出能同步进行，本设计选用了串行输入的TLC5618，它是一种快速带缓冲基准输入(高阻抗)的双路12位电压输出数字一模拟转换器(DAC)，弥补了串行输出的速度慢的不足，TLC5618具有1．21 MHz的输入数据更新速率，DACA和DACB两路同时更新，O．5LSB的建立时间为2．5 ms，它的最大串行时钟速率为20 MHz，转换速度达到要求；且它有两路12位CMOS电压输出，精度符合设计要求；高阻抗基准输入使输出有很强抗干扰能力。TLC5618在+5V单电源工作，其输出电压范围为基准电压的两倍，因此，电路设计采用2．5V基准电压。通过CMOS兼容的3线串行总线，可对TLC5618实现数字控制，单片机串行数据通过PTl输入TLC5618，串行时钟通过PT2输入，PTO接片选端，TLC5618接收到数据后，经过数模转换，产生O～5V的模拟信号，经过减法器，得到一2．5～2．5的模拟信号，只有达到一1OV～10V的模拟信号才能更精确的控制电机，所以用高速放大器LM318进行两级两倍放大，就可以达到设计的要求。

3 软件系统设计
    系统软件采用模块化设计思想，主要模块有：主程序模块、数据采集模块、键盘与显示模块、IRQ定时中断处理程序、D／A数据输出模块、串行通信模块。开发调试平台是CodeWarrior软件。CodeWarrior系列集成开发环境(IDE，Integrated Development Environment)是Metrowerks公司为开发嵌入式微处理器而设计的一套强大易用的开发工具，使用它可以有效地提高软件开发效率。系统的总的流程如图4所示。

4 结束语
    基于Freescale公司的MC9S12DGl28B单片机，设计了火炮的快速位置伺服系统。对硬件系统的键盘／显示控制模块、系统输入模块、直流伺服电机驱动电路等各个功能模块进行了详细的电路设计，在CodeWarrior系列集成开发环境开发了软件系统，最后对软硬件进行了综合调试。目前，设计的系统功能完善、运行可靠。结果表明：该系统方案设计合理，对角度控制精确度高，系统平稳，可靠性高，操作简单，达到要求的指标，稍加改造，还可应用到其它位置伺服系统中。