控制系统选型

定日镜跟踪控制系统

一、控制实现的功能

根据系统要求，控制系统实现如下功能：

（1）模拟量采集：定位光电传感器输出电压差动信号；

（2）电机控制：M1电动机控制（(方位角方向的控制)，M2电动机的控制(高度角方向的控制）；

（3）开关量输入：手动开关输入和接近开关输入。

二、控制信号

（1）3路模拟量输入：定位光电池电压总和信号，方位角方向电压差信号，高度角方向电压差信号

（2）4路PWM输出：分别控制高度角和方位角电机的运行方向和速度；

（3）开关量输入：手动开关输入量用于调试电机，接近开关输入量用于防止电机运行超过机械结构的极限位置；

（4）3行通信接口：上位监控计算机、方位角编码器、高度角编码器；

（5）人机界面装置，采用触摸屏；

其处理电路接口原理图如下：

三、DSP外围器件接口

（1）DSP主芯片选择

根据上述要求，选择TMS320C2812 DSP芯片，主要技术参数为：

指令周期：150MHz 6.67ns；4M字线性程序地址；4M字数据地址；具有外部存储器接口；看门狗定时模块；TM320C2812 DSP是32位定点DSP，速度可达150MPS，是电动机控制专用DSP的高端产品。

具体引脚功能如下：

XA[0]~ XA[18]：19位地址总线

XD[0]~ XA[15]：16位数据总线

ADCINA0~ ADCINA7：采样/保持A的8通道模拟输入

ADCINB0~ ADCINB7：采样/保持B的8通道模拟输入

GPIOA0~ GPIOA5：PWM输出引脚#1~#6

GPIOB0~ GPIOB5：PWM输出引脚#7~#12

TMS320LF2407 DSP芯片，高性能、低价位16位定点，单指令周期25ns（40MHz），40MIPS。32K程序存储器，8个16位PWM

或者使用STC12系列单片机

STC12C5410AD系列及STC12C2052AD系列是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容8051，但速度快8~12倍。

STC12C5410AD：4路PWM，8路高速10位AD转换，具有10KFlash程序存储器，针对电机控制，强干扰场合。

STC12C2052AD：2路PWM，8路高速8位AD转换，具有5KFlash程序存储器；

（2）无线通信模块选择ZF02 系列无线数传模块

无线传输应用

主要技术指标：

1）频段： 433M ISM 频段内，8 个信道，信道通过用跳线自行设置

2）通信方式： FSK 半双工

3) 波特率：根据客户需求，可提供（1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps）

4) 输出功率： 10mW(毫瓦)

5) 接口数据格式：TTL 和RS232（或485）接口，数据格式8E1/8N1，用户可通过跳线自行选择8 位或9位数据

6) 传输距离： 800 米（室外空旷地），室内100--300米

7) 通信接口：异步串行，一位起始位，8 位数据位，一位停止位；三种电平接口：

TL(CMOS)，RS232 ，RS485

8) 电源: 直流 3.3V---5V

9) 电流：接收时 25 mA；发送时 35 mA

10) 外形尺寸： 47*26 mm

（3）PWM电机驱动模块

伺服电机：将电压信号转换为转矩和转速以驱动控制对象，可分为交流伺服和直流伺服电机，交流伺服电机是一台两相交流异步电机，它的定子上装有空间互差90°的两个绕组，励磁绕组和控制绕组。交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机有相似之处。励磁绕组固定接在电源上，若有控制电压加在控制绕组上，产生旋转磁场，转子转动。当控制电压为零时，电机无启动转矩，转子不转。控制电压反相时，转子反转。交流伺服电机输出功率一般为0.1-100W，直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬，通常应用于功率稍大的系统中，输出功率一般为1-600W。

步进电机：将脉冲信号转换为角位移或线位移。其特点是来一个脉冲，转一个步距角；控制脉冲频率，可控制电机转速。改变脉冲顺序，可改变转动方向。

步进电机和交流伺服电机性能比较：步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。

一、控制精度不同

两相混合式步进电机步距角一般为 3.6°、 1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通

公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为 1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。

交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。

二、低频特性不同

步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。

交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。

三、矩频特性不同

步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。

四、过载能力不同