【doc】基于PIC的遙控電動(dòng)機(jī)位置控制器的設(shè)計(jì).doc

基于pic的遙控電動(dòng)機(jī)位置控制器的設(shè)計(jì)第14卷第2期2004年6月湖南工程學(xué)院journa1ofhunaninstituteofengineeringvo1.14.no.2june2004基于pic的遙控電動(dòng)機(jī)位置控制器的設(shè)計(jì)劉星平(湖南工程學(xué)院電氣與信息工程系,湖南湘潭411101)摘要:pic是一種采用精簡指令結(jié)構(gòu),輸入/輸出功能強(qiáng)大的8位單片機(jī),應(yīng)用廣泛,本系統(tǒng)是用pic16f877單片機(jī)作為核心部件的遙控電動(dòng)機(jī)位置控制器.這里介紹了這種控制器的工作原理,硬件電路組成及有關(guān)的程序流程.關(guān)鍵詞:pic單片機(jī);電動(dòng)機(jī)位置控制器;遙控中圖分類號(hào):tp391.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:a文章編號(hào):1671119x(2004)02002604目前大部分遙控伺服電動(dòng)機(jī)控制都屬于模擬式,即當(dāng)遙控伺服電動(dòng)機(jī)控制器接到動(dòng)作命令時(shí),會(huì)經(jīng)由電子回路計(jì)算出電動(dòng)機(jī)位置的增減量.但是因?yàn)榭刂破鳛槟M電路.在控制處理過程中很容易因模擬組件的老化及噪聲而造成誤動(dòng)作.模擬式的控制電路技術(shù)已接近成熟,若要提高遙控動(dòng)作的精確度并不容易,因此將遙控伺服電動(dòng)機(jī)控制器數(shù)字化是未來的趨勢.數(shù)字控制器的抗噪能力明顯優(yōu)于模擬控制器,同時(shí)數(shù)字化的結(jié)果可以提高精確度.使得微調(diào)動(dòng)作可以更細(xì)致化.pic單片機(jī)提供不少控制d轉(zhuǎn)換器,pwm產(chǎn)生器等,且成本低,因此非常適合制作數(shù)字控制器.本系統(tǒng)使用pic16f877單片機(jī)制作遙控伺服電動(dòng)機(jī)控制器.1系統(tǒng)組成電動(dòng)機(jī)位置控制器的系統(tǒng)方框圖如圖l所示,虛線方塊部分為本系統(tǒng)的重點(diǎn).pic16f877單片機(jī)為系統(tǒng)的控制核心,重復(fù)地使用內(nèi)置的timerl讀取位置命令信號(hào),使用內(nèi)置的a/i)轉(zhuǎn)換器讀取電位計(jì)的位置反饋信號(hào),以及輸出控制電動(dòng)機(jī)的pwm信電動(dòng)機(jī)所需的相關(guān)外圍i/o.諸如計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)器,a/號(hào).【-_-h及4,其ga機(jī)構(gòu)眥.圖1遙控電動(dòng)機(jī)位置控制系統(tǒng)方框圖電動(dòng)穢l位置控制器陽位置篩令1吾號(hào)源如圖2所示.是一個(gè)周期為20ms的脈沖且脈沖寬度在0.88卜_廠一廠._一20ms圖2電動(dòng)機(jī)位置命令參考信號(hào)2.1ms之間變化.這種使用脈沖寬度對(duì)應(yīng)信號(hào)大小的方式在無線電遙控系統(tǒng)最為普遍.假設(shè)脈沖寬度的變化對(duì)應(yīng)到遙控伺服機(jī)構(gòu)90.的位置,而且1.5ms的脈沖剛好對(duì)應(yīng)在0的位置.此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)與功能在于可反應(yīng)位置命令信號(hào)至2s,此控制精度相當(dāng)于遙控機(jī)構(gòu)的0.3.2硬件電路分析遙控電動(dòng)機(jī)位置控制器的硬件電路主要包括控制器核心pic單片機(jī)(如圖3所示)及直流電動(dòng)機(jī)橋收稿日期:2004一olo6作者簡介:劉星平(1966一),男,高級(jí)實(shí)驗(yàn)師,研究方向:電力電子,自動(dòng)控制第2期劉星平:基于pic的遙控電動(dòng)機(jī)位置控制器的設(shè)計(jì)27式驅(qū)動(dòng)電路(如圖4所示)兩個(gè)部分.整個(gè)硬件電路以pic單片機(jī)為控制核心,其功能包括讀取位置命令信號(hào),讀取電位計(jì)的位置反饋信號(hào),計(jì)算伺服控制vccc10lpf4lr5k,rl0.1k8vc石c2._一gndvccl920程序,以及送出電動(dòng)機(jī)pwm控制信號(hào)給橋式驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng).mcrra0ralra2ra3ra4ra5rz0rzlrz2vddvssosclosc2rc0rclrc2rc3rd0rdlrb4rb3碧:vss黧匡rd4.,27.rc7rd2卜z.i一9_一l0l2uld!蘭7486圖3picl6f877單片機(jī)控制電路位置命令信號(hào)與電位計(jì)的位置反饋信號(hào)由pic內(nèi)部的16位計(jì)數(shù)器以中斷的方式讀取.位置命令信號(hào)源接至pic的rci/ccp2引腳,分別記錄下命令脈寬的上升沿與下降沿的計(jì)數(shù)值,然后相減即可求得位置命令.pic定時(shí)器的工作模式設(shè)定為捕捉模式(capturemode),且不使用預(yù)分頻器(prescalar),并使用內(nèi)部時(shí)鐘4mhz為計(jì)數(shù)時(shí)鐘.計(jì)數(shù)器在每4個(gè)周期會(huì)自動(dòng)加1,因此計(jì)數(shù)頻率為振蕩頻率4mhz的四分之一,故計(jì)數(shù)器的周期為1.0s.對(duì)于位置命令信號(hào)源的周期為20ms而言,不至于產(chǎn)生16位的溢出問題.電動(dòng)機(jī)位置反饋信號(hào)是由電位計(jì)的反饋電壓連接至pic的ra2模擬輸入端,再經(jīng)由pic內(nèi)部10位精度的a/i)轉(zhuǎn)換器獲得.值得注意的是位置命令的計(jì)數(shù)值和位置反饋的轉(zhuǎn)換值的比例最好為1,以便達(dá)到電動(dòng)機(jī)準(zhǔn)確定位控制的目的.表1所示是位置命令脈沖寬度與電位計(jì)的位置反饋電壓的測試結(jié)果,其中脈沖寬度的計(jì)數(shù)值經(jīng)過偏移量的調(diào)整后和l3ulc74o8uldvcc8m+位置反饋電壓轉(zhuǎn)換值的測量值范圍一致.表1所示也顯示出了位置命令脈沖寬度的計(jì)數(shù)值呈現(xiàn)高度的線性,而電位計(jì)的位置反饋模擬電壓的a/d轉(zhuǎn)換值的線性度稍差.表1位置命令脈沖寬度與電位計(jì)位置反饋電壓的測試結(jié)果直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路由兩對(duì)nmos構(gòu)成的28湖南工程學(xué)院2004正橋式驅(qū)動(dòng)器(如圖4所示)來推動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn).其工作原理為當(dāng)m+為高電位且m一為低電位時(shí),t1,t4截止,t3,t2導(dǎo)通,故電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn).當(dāng)m一為高電位且m+為低電位時(shí),t3,截止,t1,t4導(dǎo)通故電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn).當(dāng)m+與m一均為高電位或m+與m一均為低電位時(shí),t1,t3,t4都截止,故電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn).由r2,c2,d5,r3,c3,136構(gòu)成邏輯延時(shí)環(huán)節(jié).這種接法可以防止切換電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的瞬間可能導(dǎo)致4個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通的情形或任意單臂上的2個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通,當(dāng)此情形發(fā)生時(shí)晶體管將被燒毀.圖4直流電動(dòng)機(jī)橋式驅(qū)動(dòng)電路電動(dòng)機(jī)控制使用脈沖寬度調(diào)制(pwm)的方式,這是通過控制晶體管導(dǎo)通的工作周期(dutycycle),使得電動(dòng)機(jī)獲得不同的平均電壓,從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度.pic的timer2的pwm工作模式可在rc2引腳輸出振幅為5v具有可調(diào)整工作周期的電壓信號(hào).picrc2引腳的pwm輸出信號(hào)與控制電動(dòng)機(jī)方向的數(shù)字輸出信號(hào)rdl引腳經(jīng)過一個(gè)簡單的轉(zhuǎn)換電路后,再連接至橋式驅(qū)動(dòng)器的兩個(gè)控制信號(hào)m+與m一.圖5主程序流程圖3程序流程與軟件說明此系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制軟件,用一個(gè)16位的計(jì)數(shù)器作為內(nèi)部的時(shí)間計(jì)數(shù)器.整個(gè)位置控制器的軟件以前臺(tái)時(shí)間及后臺(tái)時(shí)間的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的伺服控制,其程序流程圖如圖5及圖6所示.在位置命令的每個(gè)20ms周期內(nèi),控制程序在后臺(tái)時(shí)間以中斷方圖6中斷服務(wù)程序的流程圖第2期劉星平:基于pic的遙控電動(dòng)機(jī)位置控制器的設(shè)計(jì)29式讀取位置命令的脈寬,主程序在前臺(tái)時(shí)間不斷地重復(fù)讀取電位計(jì)的位置反饋值,計(jì)算pd控制程序及輸出pwm工作周期.使用pictimer1的捕捉功能讀取位置命令脈寬值的中斷程序如圖7所示.首先需在主程序中將timer1初始化為上升沿觸發(fā)中斷.當(dāng)位置命令rc1引腳上升沿觸發(fā)中斷發(fā)生進(jìn)入中斷程序時(shí),將rc1改成下降沿觸發(fā)中斷并將計(jì)數(shù)值清零.隨后當(dāng)rc1下降沿觸發(fā)中斷發(fā)生進(jìn)入中斷程序時(shí),此時(shí)的計(jì)數(shù)值即為位置命令的脈寬值,同時(shí)需將rc1改成下降沿觸發(fā)中斷以便等待讀取下一次的位置命令脈寬值.圖7讀取位置命令脈沖的程序流程圖要注意的是,a/d轉(zhuǎn)換初始化時(shí),a/dcon1寄存器的<7>位a/dfm必須設(shè)為1,表示a轉(zhuǎn)換結(jié)果的格式為adresh及adresl寄存器的低10位,即adresh寄存器的高6都為0.pid位置控制器由比例項(xiàng),微分項(xiàng)及積分項(xiàng)組成.比例項(xiàng)正比于命令值與實(shí)際輸出值之間的誤差,微分項(xiàng)是誤差的變化量與微分增益的乘積.為避免控制器發(fā)生飽和現(xiàn)象,并未使用積分項(xiàng).pd控制法則為16位的計(jì)算式(如圖8所示),因此最后的控制量必須映射到pwm工作周期的范圍,即一128127之間.pd控制法則控制著系統(tǒng)的特性,如穩(wěn)定時(shí)間,穩(wěn)態(tài)誤差及系統(tǒng)穩(wěn)定性等.pd控制法則中每一項(xiàng)會(huì)對(duì)系統(tǒng)的特性產(chǎn)生不同程度的影響,通常可通過先單獨(dú)使用比例項(xiàng)直至穩(wěn)態(tài)誤差最小,再慢慢地加入微分項(xiàng)以改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性至最佳為止.(pdcontro1)lerror=cmdfbl0utkperr+kd(errerr1)imappingouttopwm=一l28l27調(diào)用sendpwm予程序圖8pd位置控制器的程序流程圖4結(jié)論此電動(dòng)機(jī)位置控制器以單片機(jī)pic16f877為控制核心并使用匯編語言編程,完成讀取位置命令信號(hào),電位計(jì)的位置反饋信號(hào),計(jì)算pid伺服控制程序,以及輸出電動(dòng)機(jī)的pwm控制信號(hào)等任務(wù).對(duì)于電動(dòng)機(jī)位置控制而言,pic16f877單片機(jī)具有完整的外圍功能,以及有執(zhí)行指令較快的優(yōu)勢,有助于遙控器的控制性能的提高及產(chǎn)品的小型化.參考文獻(xiàn)1武峰.pic系列單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用技術(shù)m.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001.2俞光昀,陳錫周,陳瑞芬.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)m.北京:電子工業(yè)出版社,2001.3劉和平.pic16f87x數(shù)據(jù)手冊m.北京:北京航天大學(xué)出版社,2001.designofelectromotorpositioncontrollerwithremotecontrolbasedonpicliuxingping(dept.ofelect.andinformationeng.,hunaninstituteofengineering,xiantan411101,chim)abstract:picisasortof8digitsinglechipcomputerwithsimplifiedinstructionstructureandpowerfulfunctionofinput/outputwhichcanbewidelyused.thepositionc