基于MC9S12DGl28單片機的快速位置伺服系統的設計

O 引言
本設計要求對某火炮的水平和高低角進行控制，達到快速位置伺服系統的要求。而這個火炮角度控制系統首先要求有快速性，它的反應時間大于或等于12°／s；角度轉動控制精度小于或等于1’，水平角轉動范圍從一120°～+120°，高低角轉動范圍從0°～+85°；最后系統要有很好的穩定性和動態性能。
由于位置伺服系統一般是以足夠的位置控制精度、位置跟蹤精度和足夠快的跟蹤速度作為它的主要控制目標，系統運行時要求能以一定的精度隨時跟蹤指令的變化。所以對于這種快速位置伺服系統，要求整個系統各部分配合良好，其中的關鍵是控制器的選擇，綜合考慮高精度、抗干擾能力、靈活性、可靠性、實時性、性價比等各因素的情況下。選擇了Frees―cale公司的MC9Sl2DGl28B作為控制器。MC9Sl2DGl28B芯片是一款16位的單片機，功能強大，性能優越。本文采用該型號的單片機保證了所設計系統的穩定可靠。

1 系統控制方案
由于設計的角度伺服系統的負載比較大，而且相對于工業控制要求而言系統精度和快速性要求高，所以整個系統采用混合閉環的控制結構，所謂混合閉環的控制結構，就是系統內同時存在半閉環和閉環。半閉環起到控制作用，而全閉環只用于穩態誤差補償，兩者相結合可獲得較高的位置控制精度和跟蹤速度。包括：MJX40―14型光電編碼器、90LCX一3直流伺服電機、12A8型PWM直流伺服電機驅動器、單片機控制系統。單片機控制系統由MC9Sl2DGl28B單片機實現，使用Code Warrior for HCl2 V4．6編譯器，采用C語言編程。由于水平角和高低角的控制是一樣的，而且共用一個單片機，以角度控制方框圖(圖1)來說明。

如圖1所示，系統的任務是使光電編碼器測得的炮架轉動角度θ2與給出的指令θ1相等。當θ1≠θ2時，θ1一θ2的偏差信號在單片機里進行處理，放大后輸入到PWM直流伺服電機驅動器，由PWM驅動器驅動直流伺服電機，伺服電機帶動減速器，驅動炮架向著減少偏差的方向移動，直到θ1=θ2，電機停止轉動，達到目標。同時，炮架要準確的跟蹤目標，必須減少在跟蹤過程中可能出現的速度變化(如風速等原因)，因為直流伺服電機本身帶有測速機端，可以把速度反饋信號進行負反饋輸入到PWM伺服電機驅動器，這樣使轉動機械的轉速度變化很小，起著穩速的作用。

2 硬件系統設計
2．1 總體設計
整個硬件系統采用模塊化思想設計，硬件系統框圖如圖2所示，分為單片機CPU最小系統、鍵盤／顯示控制模塊、直流伺服電機驅動電路、系統輸入模塊、光電編碼器等。設計時，各個模塊可相對獨立設計調試，最后集成為整個系統。

2．2 模塊結構和功能簡要說明
CPU最小系統：系統的主控模塊，用以控制和協調其它模塊工作。
鍵盤／顯示控制：由鍵盤及LED管理芯片CH451控制。系統輸入模塊：用通用8155芯片做數據采集，獲取光電編碼器所測得的火炮當前角度(位置)值，并傳給主控芯片。伺服電機驅動電路：用帶有緩沖基準輸入的雙路12位電壓輸出數字一模擬轉換器(TLC5618)作為單片機的一個外圍的D／A接口；當系統把偏差值算好后，利用PID算法得出的數據量輸出到兩路TLC5618，再通過驅動器去驅動水平和高低角的伺服電機，精確控制火炮的高低角和水平角位置和速度。
SCI通信：通過串行通信模塊。系統可以與上位機連接，方便對系統軟件的更新和升級，且可通過上位機進行控制角度控制，監視單片機的輸入與輸出。光電編碼器：用于得到炮架的轉動角度。
2．3 主要模塊設計