引言

微電子技術(shù)和計算機的發(fā)展推動著伺服控制技術(shù)的進步，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，要求控制器算法實現(xiàn)簡單、控制接口靈活，針對不同的伺服控制對象時硬件系統(tǒng)不變，軟件系統(tǒng)也可以完成參數(shù)的自動調(diào)整。

在高精度大型望遠鏡伺服控制應(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)動電機的信號有模擬電壓輸出或PWM脈沖輸出，通過調(diào)整電壓的大小或PWM的占空比來調(diào)整電機的速度。系統(tǒng)具有和上位機的通信接口以及一些邏輯輸入／輸出接口等。大型望遠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)的性能會直接影響望遠鏡的觀測能力，對望遠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)動脈沖。

本文采用高速單片機C8051F120作為主控制器，與光電編碼器接口多為AB正交碼和零位信號輸入；驅(qū)動電機多采用帶死區(qū)PWM信號驅(qū)動有刷直流電機；采用CPLD實現(xiàn)高速光電編碼器的AB碼計數(shù)、計數(shù)位數(shù)的設(shè)定以及32位的可逆計數(shù)，同時可以輸出高分辨率的帶死區(qū)的PWM電機驅(qū)動信號。本文結(jié)合高速單片機和CPLD的優(yōu)點進行望遠鏡伺服系統(tǒng)的控制器設(shè)計。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計

設(shè)計采用高速單片機作為主控制器來構(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，可實現(xiàn)較大規(guī)模的數(shù)字電路設(shè)計。因此，選擇一款合適的CPLD可滿足伺服控制系統(tǒng)的AB正交碼計數(shù)和PWM波形產(chǎn)生等電路接口要求，同時大大減小PCB面積，增強可靠性。整個控制器系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

作為主控制器的高速單片機選擇C8051F120。它是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型芯片，主要實現(xiàn)數(shù)學(xué)運算、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(100MIPS或50MIPS)；

◆真正12位、100ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān)；

◆兩個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；

◆128KB可在系統(tǒng)編程的Flash存儲器；

◆8448(8K+256)字節(jié)的片內(nèi)RAM；

◆可尋址64KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口；

◆硬件實現(xiàn)的SPI、SMBus／I2C和2個UART串行接口；

◆5個通用的16位定時器；

◆具有6個捕捉／比較模塊的可編程計數(shù)器／定時器陣列；

◆片內(nèi)看門狗定時器、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個邏輯單元(LE)，等效于440個宏單元；8192位的用戶Flash存儲器，可滿足用戶小容量信息存儲要求；最大用戶I／0數(shù)為76，最短訪問時間為4．5ns，內(nèi)部最大時鐘頻率為304MHz，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。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，實現(xiàn)和C8051F120的數(shù)據(jù)總線和地址總線接口電路、外部定時中斷電路、譯碼電路、PWM脈沖發(fā)生電路、倍頻鑒向電路、計數(shù)電路、故障保護電路等功能。

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實現(xiàn)與上位機的兩路RS232通信，可完成工作模式(如定點、等速模式)，以及數(shù)值大小的設(shè)定；同時，單片機可實時地將工作狀態(tài)變量送至上位機，利于數(shù)據(jù)記錄和分析。控制器參數(shù)(如比例系數(shù)KP和積分系數(shù)KI等)也可由上位機進行設(shè)置，對于開放式運動控制模塊，這是必需的。

另外，設(shè)計了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，可增強抗干擾能力。其中，接口芯片SP489將RS422信號轉(zhuǎn)換為TTL電平。

2CPLD片上各模塊實現(xiàn)

2．1倍頻鑒向和計數(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信號到CPLD。首先，對波形進行整形、數(shù)字濾波處理；經(jīng)過4細分后，進入辨向電路；然后由可逆計數(shù)電路完成對脈沖的計數(shù)，輸出32位的二進制碼值；單片機在每個采樣周期中讀取計數(shù)值來獲得位置值，通過微分即可得到速度值。望遠鏡的位置反饋圓光柵輸出的AB碼頻率可達10MHz，高頻CPLDEPM570T100完全可以勝任。在CPLD輸入端口進行施密特觸發(fā)和濾波處理，以避免尖峰毛刺干擾，進一步增強系統(tǒng)魯棒性。

2．2時鐘電路

CPLD的全局時鐘為100MHz，對其進行分頻提供給內(nèi)部各個模塊，如計數(shù)模塊電路、PWM處理電路和單片機的中斷信號。100MHz可分頻成1kHz、500Hz、50Hz。本設(shè)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(nèi)，單片機完成對圓光柵計數(shù)采樣、速度計算、算法實現(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(xiàn)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(huán)工作。

2．3PWM脈沖電路

功率級采用H橋電路，需要4路帶死區(qū)的PWM信號，避免直通。如圖4所示，首先由100MHz產(chǎn)生12．5kHz的三角波信號，與單片機輸出的數(shù)據(jù)(0～8000)進行比較，得到1路PWM信號(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PWM信號產(chǎn)生與之反向的信號。同時，經(jīng)死區(qū)電路得到2路死區(qū)時間至少為5μs的PWM信號，以及經(jīng)電機工作模式控制電路處理得到的4路驅(qū)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(dāng)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(xiàn)。

2．4其他電路

轉(zhuǎn)臺上的限位信號、功率級的故障信號、外部邏輯數(shù)字信號等輸入到CPLD，進行相應(yīng)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(xiàn)

在控制算法的實現(xiàn)上采用內(nèi)模控制。其設(shè)計思路是將對象模型與實際對象相并聯(lián)，控制器逼近模型的動態(tài)逆。對單變量系統(tǒng)而言，內(nèi)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(tǒng)的魯棒性。模型和被控對象模型精確匹配時，控制系統(tǒng)的輸入等于輸出。內(nèi)模控制能夠清楚地表明調(diào)節(jié)參數(shù)和閉環(huán)響應(yīng)及魯棒性的關(guān)系，內(nèi)模控制器的動態(tài)特性取決于內(nèi)部模型與被控對象的匹配情況。

內(nèi)模控制原理框圖如圖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)模控制僅有一個整定參數(shù)，參數(shù)調(diào)整與系統(tǒng)動態(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)計水平。由于參數(shù)調(diào)節(jié)簡單，此算法利于單片機程序?qū)崿F(xiàn)。

大型光電望遠鏡屬于大慣量系統(tǒng)，機械時間常數(shù)遠大于電氣時間常數(shù)，故可忽略電氣時間常數(shù)的影響。對象的速度傳遞函數(shù)可簡化為：

式中，Tm是機械時間常數(shù)，K是增益。因此可以選擇內(nèi)模控制器為：

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

當(dāng)模型匹配時，存在內(nèi)模控制系統(tǒng)閉環(huán)為一慣性環(huán)節(jié)。它的時間可以依據(jù)需要進行調(diào)節(jié)，λ值小有利于動態(tài)性能，λ值大則有利于增強魯棒性。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步時刻速度誤差，Ts為采樣周期，μ(k)為當(dāng)前控制量輸出。

4實驗結(jié)果

采用基于高速單片機C8051F120和CPLDEPM570T100設(shè)計的伺服控制器硬件平臺，實現(xiàn)大型望遠鏡轉(zhuǎn)臺的速度控制，驅(qū)動功率級采用H橋雙極性功率放大器，反饋采用直徑為413mm的圓光柵，柵道64800，細分1000，分辨率為0．02"／s，采樣周期1ms，控制回路計算時間測得為120μs，包含圓光柵數(shù)據(jù)讀取時間。望遠鏡的一轉(zhuǎn)臺的速度傳遞函數(shù)為：

利用板上的通信口發(fā)送實際的速度值(波特率115200bps，1ms發(fā)送1次)，由上位計算機記錄數(shù)據(jù)，測得的速度響應(yīng)曲線如圖6所示。起始階段電機以20"／s的低速度運行，中間升至1800"／s，最后達到3600"／s，可見每個階段的速度都非常平穩(wěn)。在實際數(shù)據(jù)處理時，需要對零位信號時刻的圓光柵數(shù)據(jù)進行處理，因該光柵有零位信號輸出，計算速度時要進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和CPLD組成望遠鏡伺服控制器，實現(xiàn)了圓光柵四倍頻細分電路、計數(shù)模塊以及電機PWM驅(qū)動控制信號產(chǎn)生，并用單片機實現(xiàn)了內(nèi)模控制算法、LCD顯示和數(shù)據(jù)通信等功能。最終通過實驗驗證了該系統(tǒng)的可行性。