基于单片机控制的天线伺服系统

微特电机 2005年第1期

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驱动控制ri v e and co n trol

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收稿日期:2003-10-10改稿日期:2003-12-23

基于单片机控制的天线伺服系统

杨 培,刘 彬,刘景林

(西北工业大学,西安710072)

Antenna Servo Syste m Based onM icro-controller

Y ANG P ei ,LIU B in,LIU J ing -lin

(Northw ester n Po lytechn icalUn iversity ,X i an 710072,Ch i n a)

摘 要:文章介绍了一种基于单片机控制的天线伺服系统,并对系统的工作原理、基本结构、控制方案、驱动技术等进行了分析探讨。实测结果表明,该系统具有优良的运行精度和稳定性。

关键词:单片机;伺服系统;步进电动机中图分类号:T M 383.6 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2005)01-0027-02

Abstract :An tenna se rvo syste m based on m i cro-con tro ll er i s introduced i n t h i s pape r ,and t he pr i nc i ple ,struct ure ,control schem e ,driv techno logy of the syste m a re ana lyzed .T est res u lt i nd i cates that t he sy stem has exce llen t prec i sion and stability .

K eyword s :M CU;se rvo sy stem ;stepper m otor

1前 言

天线伺服系统广泛应用于卫星通讯、地面监控等领域,在这些领域,为了保证通讯的质量和监控的精度要求,往往对伺服系统提出很高的要求,表现为:运行精度高,稳定性好,伺服系统体积小、重量轻、功耗低。

本文介绍了一种以80C31单片机为控制核心、混合式步进电动机为执行机构的双自由度天线伺服系统。该系统由各类高集成度、低功耗芯片构建而成,其体积小、重量轻、功耗低,可以实现对预定目标的精确跟踪与定位。

2系统方案

系统控制结构如图1所示,伺服系统以8031单片机作为主控单元,外扩一片2764EPROM 作为程序存储器;外扩8255芯片作为扩展I/O 口,接收、

发

图1 系统控制框图

送各种控制、数据信号;以一片8253芯片发出电机的驱动信号;为了观察被控对象运行状态,加入LED 显示监控电路实时显示天线两个轴向的位置;为提高系统可靠性,防止程序跑飞,外接MAX813看门狗芯片;这些芯片、电路构成了系统的控制部分。

驱动电路也是一个小型的单片机系统,由AT89C51单片机接收主控单元8031发出的方波信号、天线正反转、细分信号,并控制步进电动机驱动器驱动两个步进电动机分别按不同的要求转动。天线可沿X 轴向、Y 轴向两个自由度运行,每个轴向分

别由一个电动机驱动。

与天线同轴安装了旋转变压器,检测天线的实际位置,该位置量由RDC(模数转换器)转换为数字信号后反馈给主控单元8031进行处理,实现位置闭环运行,从而保证系统跟踪与定位的精确性。

根据系统特点,可以将其抽象成一个离散控制系统,离散化周期就是上位机送数周期T,第k 次送数时间称为k 时刻;在每个时刻,上位机发送天线在下一个时刻X 轴向、Y 轴向的目标位置。系统与上位机通讯使用并口通讯,由系统以硬件中断方式接收数据。

系统主程序是一个循环结构,如图2所示。在中断服务程序中,对上位机发出的满足通讯协议的数据保存并将对应标志位置位。在主程序中,判断这个标志位的状态,并进行对应操作,如果目标位置

图2 程序流程图

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没有改变,则只显示一下无线当前位置,天线速度和转向都不变;天线某轴向到达目标位置后停转。出于可靠性考虑,还要判断天线是否转出了给定范围,当越界时,天线停转;如果开机位置值出错,则天线要首先高速返回到给定范围内。

由于系统有定位和随动两种工作模式,在随动方式下,天线要变速运行,使其始终能够高精度跟踪目标位置;在定位方式下则以给定速度匀速运动。为了简化硬件结构,设置两种方式自动切换,在运行过程中,判断目标位置是否刷新,如果刷新就运行在随动方式,否则以定位方式运行;如果位置值刷新但与上次位置值相差较大,则运行在定位方式。

3控制策略

一般在电机运动控制中,应用比较多的是PI D 和PI 控制,对于本系统来说,为了充分利用单片机有限的RAM,提高运算效率,一般采用一种比较简单可行的控制方案。

在随动方式下,天线位置值和速度值有积分关系:

S (t)=

t

v(x,t)d t 其中:x 是某个与当前误差有关的参量,可以看出,v

的计算比较麻烦,需要对其进行改进。

将上式右侧部分转换一下,可得到:

S (t)= N

k =0

v k T +v *(t -NT )+ 其中:N 为t/T 的整数部分,当T 足够小时, 和(t -NT )可近似取0。上式说明一个变速运动过程可以分解为一系列匀速运动过程,即有:S k+1=v k T +S k (k =0,1,2!)从而可以得到在k 时间段内天线转速为:

v k =(S k+1-S k )/T

结合系统特点,可以设D k 是系统在k 时刻收到的目标位置值,S k 为天线实际位置,则可以得到天线在k 时间段内的速度:

v k =(D k -S k )/T

这样,只需知道天线的目标位置和当前位置就可以得到天线运动速度。实际应用时,对v k 要进行修正,先计算 v =K *e k -1,从而v k =v k + v,对于K *的取值,为简单起见,在计算基础上采用试探法取得一个最佳值,e k -1是k 时刻位置误差,e k -1=D k -1-S k 。对象转动方向由D k -S k 决定。运行结果表明,系统运行平稳,并且误差在给定误差带内。

由于受到步进电动机特征限制,在驱动方波信号频率f 过大时,电动机进入失步状态,所以电动机速度有一个上限,因而天线也有个最大转速v max ,当v k >v max 时,要进行限速保护;由于最小步长限制,其

速度不能小于某一下限,当速度过小时,根据不同情况,要么停机,要么以下限速度运行。

4步进电动机及其驱动技术

步进电动机采用组装式稀土永磁混合式步进电动机,可以象磁阻式步进电机实现小步距角运行,有较高的起动和运行频率;同时又具有永磁式步进电机控制功率小、低功耗、有定位转距的优点。系统所用步进电动机步长为1.8∀,由于采用细分驱动技术,使得电动机可以以0.225∀的步距角运行,便于平滑调速以及精确定位。

驱动电路采用芯片驱动,其中包括两个AT89C51单片机,由它来处理控制部分发来的X 轴、Y 轴电动机方波驱动信号、正反转信号以及细分信号,控制步进电动机专用控制芯片驱动电机以1/2、1/4、1/8等细分状态转动。步进电动机所需的方波控制信号由8253定时/计数器提供,它有三路16位计数器。工作在方式3时,向某路计数器写入计数值T x ,即写在该路得到频率为f /T x 的方波信号,f 为该路信号源频率。如果向某一路计数器写入0或者直接将其门控信号改为低电平,则该路输出为电平信号,即0H z 方波信号。可以通过向计数器中写入不同的数值,改变方波频率,使步进电动机以不同速度转动或停止。

5结 论

天线伺服系统已成功应用于航天某项目,模块化设计和高集成度、低功耗芯片使得系统体积小、重量轻、功耗低,同时具有较高可靠性;采用合理的控制策略,使得系统运行平稳、控制精度高。测试结果表明,其定位指向精度误差<1 ,随动精度误差<3 ,完全满足天线伺服系统的技术指标要求。作为典型的位置伺服系统,该系统还可广泛应用于其它各种军用及民用伺服控制系统,应用前景广阔。参考文献

[1] 李 华等.M CS -51系列单片机实用接口技术[M ].北京:北

京航天航空大学出版社,1993

[2] 周雪琴.计算机控制系统[M ].西安:西北工业大学出版社,

1998

[3] 李钟明.稀土永磁电机[M ].北京:国防工业出版社,1999

作者简介:杨 培(1980-),男,硕士研究生,主要从事伺服系统方面的研究。

刘 彬(1975-),男,硕士研究生,主要从事电机控制方面研究。刘景林(1964-),男,教授。

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