【doc】基于PIC的遙控電動機位置控制器的設(shè)計.doc

基于pic的遙控電動機位置控制器的設(shè)計第14卷第2期2004年6月湖南工程學(xué)院journa1ofhunaninstituteofengineeringvo1.14.no.2june2004基于pic的遙控電動機位置控制器的設(shè)計劉星平(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/輸出功能強大的8位單片機,應(yīng)用廣泛,本系統(tǒng)是用pic16f877單片機作為核心部件的遙控電動機位置控制器.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;電動機位置控制器;遙控中圖分類號:tp391.8文獻標(biāo)識碼:a文章編號:1671119x(2004)02002604目前大部分遙控伺服電動機控制都屬于模擬式,即當(dāng)遙控伺服電動機控制器接到動作命令時,會經(jīng)由電子回路計算出電動機位置的增減量.但是因為控制器為模擬電路.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作.模擬式的控制電路技術(shù)已接近成熟,若要提高遙控動作的精確度并不容易,因此將遙控伺服電動機控制器數(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,同時數(shù)字化的結(jié)果可以提高精確度.使得微調(diào)動作可以更細致化.pic單片機提供不少控制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單片機制作遙控伺服電動機控制器.1系統(tǒng)組成電動機位置控制器的系統(tǒng)方框圖如圖l所示,虛線方塊部分為本系統(tǒng)的重點.pic16f877單片機為系統(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,使用內(nèi)置的a/i)轉(zhuǎn)換器讀取電位計的位置反饋信號,以及輸出控制電動機的pwm信電動機所需的相關(guān)外圍i/o.諸如計時/計數(shù)器,a/號.【-_-h及4,其ga機構(gòu)眥.圖1遙控電動機位置控制系統(tǒng)方框圖電動穢l位置控制器陽位置篩令1吾號源如圖2所示.是一個周期為20ms的脈沖且脈沖寬度在0.88卜_廠一廠._一20ms圖2電動機位置命令參考信號2.1ms之間變化.這種使用脈沖寬度對應(yīng)信號大小的方式在無線電遙控系統(tǒng)最為普遍.假設(shè)脈沖寬度的變化對應(yīng)到遙控伺服機構(gòu)90.的位置,而且1.5ms的脈沖剛好對應(yīng)在0的位置.此系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)與功能在于可反應(yīng)位置命令信號至2s,此控制精度相當(dāng)于遙控機構(gòu)的0.3.2硬件電路分析遙控電動機位置控制器的硬件電路主要包括控制器核心pic單片機(如圖3所示)及直流電動機橋收稿日期:2004一olo6作者簡介:劉星平(1966一),男,高級實驗師,研究方向:電力電子,自動控制第2期劉星平:基于pic的遙控電動機位置控制器的設(shè)計27式驅(qū)動電路(如圖4所示)兩個部分.整個硬件電路以pic單片機為控制核心,其功能包括讀取位置命令信號,讀取電位計的位置反饋信號,計算伺服控制vccc10lpf4lr5k,rl0.1k8vc石c2._一gndvccl920程序,以及送出電動機pwm控制信號給橋式驅(qū)動電路進而控制電動機的運動.mcrra0ralra2ra3ra4ra5rz0rzlrz2vddvssosclosc2rc0rclrc2rc3rd0rdlrb4rb3碧:vss黧匡rd4.,27.rc7rd2卜z.i一9_一l0l2uld!蘭7486圖3picl6f877單片機控制電路位置命令信號與電位計的位置反饋信號由pic內(nèi)部的16位計數(shù)器以中斷的方式讀取.位置命令信號源接至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數(shù)值,然后相減即可求得位置命令.pic定時器的工作模式設(shè)定為捕捉模式(capturemode),且不使用預(yù)分頻器(prescalar),并使用內(nèi)部時鐘4mhz為計數(shù)時鐘.計數(shù)器在每4個周期會自動加1,因此計數(shù)頻率為振蕩頻率4mhz的四分之一,故計數(shù)器的周期為1.0s.對于位置命令信號源的周期為20ms而言,不至于產(chǎn)生16位的溢出問題.電動機位置反饋信號是由電位計的反饋電壓連接至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數(shù)值和位置反饋的轉(zhuǎn)換值的比例最好為1,以便達到電動機準(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的位置反饋電壓的測試結(jié)果,其中脈沖寬度的計數(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數(shù)值呈現(xiàn)高度的線性,而電位計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位置反饋電壓的測試結(jié)果直流電動機的驅(qū)動電路由兩對nmos構(gòu)成的28湖南工程學(xué)院2004正橋式驅(qū)動器(如圖4所示)來推動電動機運轉(zhuǎn).其工作原理為當(dāng)m+為高電位且m一為低電位時,t1,t4截止,t3,t2導(dǎo)通,故電動機反轉(zhuǎn).當(dāng)m一為高電位且m+為低電位時,t3,截止,t1,t4導(dǎo)通故電動機正轉(zhuǎn).當(dāng)m+與m一均為高電位或m+與m一均為低電位時,t1,t3,t4都截止,故電動機停止運轉(zhuǎn).由r2,c2,d5,r3,c3,136構(gòu)成邏輯延時環(huán)節(jié).這種接法可以防止切換電動機正反轉(zhuǎn)的瞬間可能導(dǎo)致4個晶體管同時導(dǎo)通的情形或任意單臂上的2個晶體管同時導(dǎo)通,當(dāng)此情形發(fā)生時晶體管將被燒毀.圖4直流電動機橋式驅(qū)動電路電動機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),使得電動機獲得不同的平均電壓,從而控制電動機的轉(zhuǎn)動速度.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.picrc2引腳的pwm輸出信號與控制電動機方向的數(shù)字輸出信號rdl引腳經(jīng)過一個簡單的轉(zhuǎn)換電路后,再連接至橋式驅(qū)動器的兩個控制信號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)的實時控制軟件,用一個16位的計數(shù)器作為內(nèi)部的時間計數(shù)器.整個位置控制器的軟件以前臺時間及后臺時間的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)電動機的伺服控制,其程序流程圖如圖5及圖6所示.在位置命令的每個20ms周期內(nèi),控制程序在后臺時間以中斷方圖6中斷服務(wù)程序的流程圖第2期劉星平:基于pic的遙控電動機位置控制器的設(shè)計29式讀取位置命令的脈寬,主程序在前臺時間不斷地重復(fù)讀取電位計的位置反饋值,計算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)生進入中斷程序時,將rc1改成下降沿觸發(fā)中斷并將計數(shù)值清零.隨后當(dāng)rc1下降沿觸發(fā)中斷發(fā)生進入中斷程序時,此時的計數(shù)值即為位置命令的脈寬值,同時需將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,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,微分項及積分項組成.比例項正比于命令值與實際輸出值之間的誤差,微分項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.pd控制法則為16位的計算式(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控制法則中每一項會對系統(tǒng)的特性產(chǎn)生不同程度的影響,通?？赏ㄟ^先單獨使用比例項直至穩(wěn)態(tài)誤差最小,再慢慢地加入微分項以改善系統(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)論此電動機位置控制器以單片機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,電位計的位置反饋信號,計算pid伺服控制程序,以及輸出電動機的pwm控制信號等任務(wù).對于電動機位置控制而言,pic16f877單片機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1武峰.pic系列單片機的開發(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.計算機控制技術(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