51單片機和CPLD的望遠鏡伺服控制器設計

2．2 時鐘電路
CPLD的全局時鐘為100MHz，對其進行分頻提供給內部各個模塊，如計數模塊電路、PWM處理電路和單片機的中斷信號。100MHz可分頻成1kHz、500 Hz、50Hz。本設計中，采樣周期為1ms，即1kHz采樣頻率，用于單片機的外部中斷信號。在采樣周期內，單片機完成對圓光柵計數采樣、速度計算、算法實現、PWM控制變量產生，以及過程狀態變量賦值等工作。實際測得完成單個電機控制所需的時間為120μs左右，剩余時間可用于實現LCD顯示控制和通信功能。可見，利用該單片機可以勝任望遠鏡伺服閉環工作。
2．3 PWM脈沖電路
功率級采用H橋電路，需要4路帶死區的PWM信號，避免直通。如圖4所示，首先由100 MHz產生12．5kHz的三角波信號，與單片機輸出的數據(0～8000)進行比較，得到1路PWM信號(數據的大小決定占空比的值，O對應O％，8000對應100％)，再由該PWM信號產生與之反向的信號。同時，經死區電路得到2路死區時間至少為5μs的PWM信號，以及經電機工作模式控制電路處理得到的4路驅動功率級PWM信號，可控制電機工作在單極性或雙極性方式。當需要控制多個電機時，采用上述方法同樣處理就行，這就是CPLD靈活性的具體體現。

2．4 其他電路
轉臺上的限位信號、功率級的故障信號、外部邏輯數字信號等輸入到CPLD，進行相應的邏輯處理(如輸出使能和停止)，從而達到對電機的有效控制和保護。

3 控制算法實現
在控制算法的實現上采用內模控制。其設計思路是將對象模型與實際對象相并聯，控制器逼近模型的動態逆。對單變量系統而言，內模控制器取為模型最小相位部分的逆，并通過附加低通濾波器增強系統的魯棒性。模型和被控對象模型精確匹配時，控制系統的輸入等于輸出。內模控制能夠清楚地表明調節參數和閉環響應及魯棒性的關系，內模控制器的動態特性取決于內部模型與被控對象的匹配情況。

內模控制原理框圖如圖5所示。其中，GP(s)為控制對象*****為內部模型，GIMC(s)為內模控制器，Gd(s)為外界干擾模型；x、u、y分別為給定輸入、控制量、對象輸出，d為外界干擾。在工業過程中，與經典PID控制相比，內模控制僅有一個整定參數，參數調整與系統動態品質和魯棒性的關系比較明確，故采用內模控制原理可以提高PID控制器的設計水平。由于參數調節簡單，此算法利于單片機程序實現。