單片機(jī)和CPLD的望遠(yuǎn)鏡伺服控制器設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)基于高速單片機(jī)C8051F120和CPLD的高精度大型望遠(yuǎn)鏡的伺服控制器，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制算法、上位機(jī)通信和LCD顯示控制，CPLD實(shí)現(xiàn)增量式編碼器計(jì)數(shù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)波形發(fā)生以及I／O接口。該控制器可獨(dú)立進(jìn)行電機(jī)控制，也可配合上位機(jī)進(jìn)行控制，具有實(shí)時(shí)性和抗干擾能力強(qiáng)、成本低、調(diào)試方便等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：C8051F120；CPLD；電機(jī)控制；內(nèi)?？刂?；LCD

引言
    微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展推動(dòng)著伺服控制技術(shù)的進(jìn)步，控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)越來越高速化、小型化、模塊化，功能也日趨強(qiáng)大完善；而且，伺服控制技術(shù)是朝著更開放、更加模塊化的控制結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展的，要求控制器算法實(shí)現(xiàn)簡單、控制接口靈活，針對不同的伺服控制對象時(shí)硬件系統(tǒng)不變，軟件系統(tǒng)也可以完成參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整。
    在高精度大型望遠(yuǎn)鏡伺服控制應(yīng)用場所，采用高精度光電編碼器作為主要反饋手段，主要有絕對式和增量式編碼器。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的信號(hào)有模擬電壓輸出或PWM脈沖輸出，通過調(diào)整電壓的大小或PWM的占空比來調(diào)整電機(jī)的速度。系統(tǒng)具有和上位機(jī)的通信接口以及一些邏輯輸入／輸出接口等。大型望遠(yuǎn)鏡是用于跟蹤測量空中飛行目標(biāo)或觀測天體目標(biāo)的精密光學(xué)設(shè)備。伺服系統(tǒng)是望遠(yuǎn)鏡的重要組成部分，它對于跟蹤目標(biāo)、精確測量目標(biāo)的位置以及其他參數(shù)都起著重要作用。伺服系統(tǒng)的性能會(huì)直接影響望遠(yuǎn)鏡的觀測能力，對望遠(yuǎn)鏡的高精度伺服控制需要高精度的位置反饋裝置，以及高分辨率的PWM驅(qū)動(dòng)脈沖。
    本文采用高速單片機(jī)C8051F120作為主控制器，與光電編碼器接口多為AB正交碼和零位信號(hào)輸入；驅(qū)動(dòng)電機(jī)多采用帶死區(qū)PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)有刷直流電機(jī)；采用CPLD實(shí)現(xiàn)高速光電編碼器的AB碼計(jì)數(shù)、計(jì)數(shù)位數(shù)的設(shè)定以及32位的可逆計(jì)數(shù)，同時(shí)可以輸出高分辨率的帶死區(qū)的PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。本文結(jié)合高速單片機(jī)和CPLD的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行望遠(yuǎn)鏡伺服系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)采用高速單片機(jī)作為主控制器來構(gòu)成低成本的伺服控制方案。CPLD具有編程靈活、集成度高、開發(fā)周期短、成本低的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的數(shù)字電路設(shè)計(jì)。因此，選擇一款合適的CPLD可滿足伺服控制系統(tǒng)的AB正交碼計(jì)數(shù)和PWM波形產(chǎn)生等電路接口要求，同時(shí)大大減小PCB面積，增強(qiáng)可靠性。整個(gè)控制器系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

    作為主控制器的高速單片機(jī)選擇C8051F120。它是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型芯片，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算、控制算法和A／D采集等功能。
    C8051F120具有如下特性：
    ◆高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核(100 MIPS或50MIPS)；
    ◆真正12位、100 ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān)；
    ◆兩個(gè)12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式；
    ◆2周期的16×16乘法和累加引擎；
    ◆128 KB可在系統(tǒng)編程的Flash存儲(chǔ)器；
    ◆8448(8 K+256)字節(jié)的片內(nèi)RAM；
    ◆可尋址64 KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口；
    ◆硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus／I2C和2個(gè)UART串行接口；
    ◆5個(gè)通用的16位定時(shí)器；
    ◆具有6個(gè)捕捉／比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器／定時(shí)器陣列；
    ◆片內(nèi)看門狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。
    CPLD選用A1tera公司的低功耗MAXII系列的EPM570T100。它含有570個(gè)邏輯單元(LE)，等效于440個(gè)宏單元；8192位的用戶Flash存儲(chǔ)器，可滿足用戶小容量信息存儲(chǔ)要求；最大用戶I／0數(shù)為76，最短訪問時(shí)間為4．5ns，內(nèi)部最大時(shí)鐘頻率為304 MHz，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。EPM570T100主要和C8051F120的P1、P5、P6、P7接口，以及和編碼器的ABZ碼、8路輸出和8路輸入接口電路相接，實(shí)現(xiàn)和C8051F120的數(shù)據(jù)總線和地址總線接口電路、外部定時(shí)中斷電路、譯碼電路、PWM脈沖發(fā)生電路、倍頻鑒向電路、計(jì)數(shù)電路、故障保護(hù)電路等功能。
    LCD顯示模塊主要顯示系統(tǒng)的狀態(tài)變量值，如位置、速度、編碼器值等信息。采用串口電平轉(zhuǎn)換收發(fā)器SP3223實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的兩路RS232通信，可完成工作模式(如定點(diǎn)、等速模式)，以及數(shù)值大小的設(shè)定；同時(shí)，單片機(jī)可實(shí)時(shí)地將工作狀態(tài)變量送至上位機(jī)，利于數(shù)據(jù)記錄和分析?？刂破鲄?shù)(如比例系數(shù)KP和積分系數(shù)KI等)也可由上位機(jī)進(jìn)行設(shè)置，對于開放式運(yùn)動(dòng)控制模塊，這是必需的。
    另外，設(shè)計(jì)了8路按鍵，用于功能參數(shù)設(shè)置等。如圖2所示。光電增量式編碼器的接口一般為RS422差分對輸入接口。

    如圖3所示，光電增量式編碼器接口電路具有終端匹配電阻和濾波網(wǎng)絡(luò)電路，可增強(qiáng)抗干擾能力。其中，接口芯片SP489將RS422信號(hào)轉(zhuǎn)換為TTL電平。

2 CPLD片上各模塊實(shí)現(xiàn)
2．1 倍頻鑒向和計(jì)數(shù)電路
    經(jīng)過圖3所示的編碼器接口電路處理后，輸出TTL電平的A1、B1、Z1信號(hào)到CPLD。首先，對波形進(jìn)行整形、數(shù)字濾波處理；經(jīng)過4細(xì)分后，進(jìn)入辨向電路；然后由可逆計(jì)數(shù)電路完成對脈沖的計(jì)數(shù)，輸出32位的二進(jìn)制碼值；單片機(jī)在每個(gè)采樣周期中讀取計(jì)數(shù)值來獲得位置值，通過微分即可得到速度值。望遠(yuǎn)鏡的位置反饋圓光柵輸出的AB碼頻率可達(dá)10MHz，高頻CPLDEPM570T100完全可以勝任。在CPLD輸入端口進(jìn)行施密特觸發(fā)和濾波處理，以避免尖峰毛刺干擾，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性。
2．2 時(shí)鐘電路
    CPLD的全局時(shí)鐘為100MHz，對其進(jìn)行分頻提供給內(nèi)部各個(gè)模塊，如計(jì)數(shù)模塊電路、PWM處理電路和單片機(jī)的中斷信號(hào)。100MHz可分頻成1kHz、500 Hz、50Hz。本設(shè)計(jì)中，采樣周期為1ms，即1kHz采樣頻率，用于單片機(jī)的外部中斷信號(hào)。在采樣周期內(nèi)，單片機(jī)完成對圓光柵計(jì)數(shù)采樣、速度計(jì)算、算法實(shí)現(xiàn)、PWM控制變量產(chǎn)生，以及過程狀態(tài)變量賦值等工作。實(shí)際測得完成單個(gè)電機(jī)控制所需的時(shí)間為120μs左右，剩余時(shí)間可用于實(shí)現(xiàn)LCD顯示控制和通信功能。可見，利用該單片機(jī)可以勝任望遠(yuǎn)鏡伺服閉環(huán)工作。
2．3 PWM脈沖電路
    功率級(jí)采用H橋電路，需要4路帶死區(qū)的PWM信號(hào)，避免直通。如圖4所示，首先由100 MHz產(chǎn)生12．5kHz的三角波信號(hào)，與單片機(jī)輸出的數(shù)據(jù)(0～8000)進(jìn)行比較，得到1路PWM信號(hào)(數(shù)據(jù)的大小決定占空比的值，O對應(yīng)O％，8000對應(yīng)100％)，再由該P(yáng)WM信號(hào)產(chǎn)生與之反向的信號(hào)。同時(shí)，經(jīng)死區(qū)電路得到2路死區(qū)時(shí)間至少為5μs的PWM信號(hào)，以及經(jīng)電機(jī)工作模式控制電路處理得到的4路驅(qū)動(dòng)功率級(jí)PWM信號(hào)，可控制電機(jī)工作在單極性或雙極性方式。當(dāng)需要控制多個(gè)電機(jī)時(shí)，采用上述方法同樣處理就行，這就是CPLD靈活性的具體體現(xiàn)。

2．4 其他電路
    轉(zhuǎn)臺(tái)上的限位信號(hào)、功率級(jí)的故障信號(hào)、外部邏輯數(shù)字信號(hào)等輸入到CPLD，進(jìn)行相應(yīng)的邏輯處理(如輸出使能和停止)，從而達(dá)到對電機(jī)的有效控制和保護(hù)。

3 控制算法實(shí)現(xiàn)
    在控制算法的實(shí)現(xiàn)上采用內(nèi)?？刂啤Ｆ湓O(shè)計(jì)思路是將對象模型與實(shí)際對象相并聯(lián)，控制器逼近模型的動(dòng)態(tài)逆。對單變量系統(tǒng)而言，內(nèi)?？刂破魅槟Ｐ妥钚∠辔徊糠值哪妫⑼ㄟ^附加低通濾波器增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。模型和被控對象模型精確匹配時(shí)，控制系統(tǒng)的輸入等于輸出。內(nèi)?？刂颇軌蚯宄乇砻髡{(diào)節(jié)參數(shù)和閉環(huán)響應(yīng)及魯棒性的關(guān)系，內(nèi)?？刂破鞯膭?dòng)態(tài)特性取決于內(nèi)部模型與被控對象的匹配情況。

    內(nèi)?？刂圃砜驁D如圖5所示。其中，GP(s)為控制對象*****為內(nèi)部模型，GIMC(s)為內(nèi)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(yè)過程中，與經(jīng)典PID控制相比，內(nèi)模控制僅有一個(gè)整定參數(shù)，參數(shù)調(diào)整與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)和魯棒性的關(guān)系比較明確，故采用內(nèi)模控制原理可以提高PID控制器的設(shè)計(jì)水平。由于參數(shù)調(diào)節(jié)簡單，此算法利于單片機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)。
    大型光電望遠(yuǎn)鏡屬于大慣量系統(tǒng)，機(jī)械時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于電氣時(shí)間常數(shù)，故可忽略電氣時(shí)間常數(shù)的影響。對象的速度傳遞函數(shù)可簡化為：
   
式中，Tm是機(jī)械時(shí)間常數(shù)，K是增益。因此可以選擇內(nèi)?？刂破鳛椋?/p>

   
式中，λ是濾波器參數(shù)。如圖5所示，點(diǎn)畫線內(nèi)的部分可等效為反饋控制器：

    
    當(dāng)模型匹配時(shí)，存在內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)閉環(huán)為一慣性環(huán)節(jié)。它的時(shí)間可以依據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，λ值小有利于動(dòng)態(tài)性能，λ值大則有利于增強(qiáng)魯棒性。對于內(nèi)模控制器輸出不飽和而言，其等效于反饋控制器PI，因而，系統(tǒng)對階躍輸入和階躍擾動(dòng)的穩(wěn)態(tài)誤差為零，其抗干擾能力與常規(guī)PI完全一致。采用增量式PID控制算法，控制變量為：

   
式中，ek為第k步時(shí)刻速度誤差，Ts為采樣周期，μ(k)為當(dāng)前控制量輸出。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    采用基于高速單片機(jī)C8051F120和CPLDEPM570T100設(shè)計(jì)的伺服控制器硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)大型望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)臺(tái)的速度控制，驅(qū)動(dòng)功率級(jí)采用H橋雙極性功率放大器，反饋采用直徑為413 mm的圓光柵，柵道64800，細(xì)分1000，分辨率為0．02"／s，采樣周期1 ms，控制回路計(jì)算時(shí)間測得為120μs，包含圓光柵數(shù)據(jù)讀取時(shí)間。望遠(yuǎn)鏡的一轉(zhuǎn)臺(tái)的速度傳遞函數(shù)為：
    
    利用板上的通信口發(fā)送實(shí)際的速度值(波特率115200bps，1ms發(fā)送1次)，由上位計(jì)算機(jī)記錄數(shù)據(jù)，測得的速度響應(yīng)曲線如圖6所示。起始階段電機(jī)以20"／s的低速度運(yùn)行，中間升至1800"／s，最后達(dá)到3600"／s，可見每個(gè)階段的速度都非常平穩(wěn)。在實(shí)際數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要對零
位信號(hào)時(shí)刻的圓光柵數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，因該光柵有零位信號(hào)輸出，計(jì)算速度時(shí)要進(jìn)行合理的辨別方向和大小分析處理。

結(jié)語
    本文采用高速單片機(jī)和CPLD組成望遠(yuǎn)鏡伺服控制器，實(shí)現(xiàn)了圓光柵四倍頻細(xì)分電路、計(jì)數(shù)模塊以及電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)產(chǎn)生，并用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了內(nèi)?？刂扑惴āCD顯示和數(shù)據(jù)通信等功能。最終通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。