基于AT89C52的电影机测角伺服系统.doc

基于AT89C52的电影机测角伺服系统哈尔滨哈影电影机械有限公司 富侠 摘 要：本文研究设计了一种电影机的测角伺服系统。首先推导了该测角伺服的动态数学模型，然后研究设计了该测角伺服硬件和软件，可实现系统的运动控制、数据采集、控制律解算及通讯。硬件包括AT89C52、扩展工控机、反馈回路、功率放大器、力矩电机和转轴。控制软件设计采用了模块化设计思想。仿真试验验证了该伺服系统具有很高的静态定位精度、很好的跟踪品质、很高的可靠性及很强的鲁棒性。关键词：测角伺服系统；动态数学模型；AT89C52；工控机；模块化 1. 概 述测角伺服系统是一种在电影机中的测试关键设备1。本文针对测角伺服系统的数学模型，提出了一种基于AT89C52的测角伺服系统设计新方案，半实物仿真物理仿真验证了本文所提方案的有效性。其余部分的组织结构如下：第二部分给出了测角伺服系统的动态数学模型；第三部分给出了测角伺服系统软硬件的详细设计；通过第四部分的含实物仿真测试试验，试验结果表明了该测角伺服系统具有很高的定位精度和跟踪品质；第五部分对全文作了总结。2. 测角伺服系统的动态数学模型本文所开发的测角伺服系统由三个力矩电机驱动，分别控制三个自由度运动：俯仰、偏航和滚转。其对应的三个电机分别定义为俯仰驱动电机、偏向驱动电机和滚转驱动电机。建立测角伺服系统的数学模型是对其进行设计的必要前提2，通过对该伺服系统的理论分析，我们可以得到其动态数学模型。力矩电机： (1) (2) (3)式中，ia 表示电枢电流， 表示转子角速度，Ua 表示电枢电压，K12 表示传动轴刚度，m 表示电机轴转角，L 表示负载轴转角，La 表示电枢电感，Ra表示电枢电阻，Jm 表示电机转动惯量，Ci 表示转矩系数，Dm 表示阻尼系数。转轴： (4)式中，Ja 表示连接轴惯量，表示负载轴转速，TL 表示负载输入转矩。负载： (5)式中， JL 负载转动惯量。对公式(1)(5)进行Laplace变换，可得该测角伺服系统的动态数学模型结构如图1所示。+CeUamK12L图1 测角伺服系统动态数学模型结构图3. 基于AT89C52的测角伺服系统软硬件实现测角伺服系统开发研制的主要环节是对该伺服系统的软硬件进行设计，下面将从硬件设计和软件设计两个方面进行详细阐述。3.1 硬件设计AT89C52含有8KB闪速可编程/擦除只读存储器的8位CMOS，是Atmel公司生产的一种低功耗、高性能的微控制器3, 4。它具有256字节的RAM，32条I/O线，三个16位定时/计数器，其工作原理时序图如下：图2 AT89C52工作原理时序图图3 测角伺服系统总体结构图D/A卡AT89C52控制器AT89C52监控器转轴控制电路IPC力矩电机转轴和负载功率放大集成电路测速调理电路电流环校正测速机光电码盘码盘调理电路数字I/O卡输入指令测角伺服系统硬件总体设计采用了模块化结构，其处理单元的核心是两片8位的AT89C52和一个扩展的工控机(IPC)。AT89C52微处理器用于控制测角伺服系统的运动，并实时显示伺服系统的状态信息。基于AT89C52的测角伺服系统总体结构如图3所示。4 由图3可见，测角伺服系统的硬件结构主要包括AT89C52控制器、AT89C52监控器、IPC、反馈回路、功率放大器、力矩电机和转轴。力矩电机前的功率放大器采用了电流环校正控制，通过转轴控制电路内的模拟控制电路完成力矩电机的速度控制回路的闭环控制，测角伺服系统的位置环回路中，位置反馈元件采用了高精度增量式光电码盘，经码盘调理电路后可获得0.0001度的转角分辨率。这种三闭环控制结构可以有效地提高测角伺服系统的伺服精度，增强了测角伺服系统的鲁棒性和可靠性，满足了测角伺服系统实际运行时各种工作状态的要求。测角伺服系统中核心处理单元AT89C52的硬件配置如图4所示。图4 测角伺服系统AT89C52硬件配置框图AT89C52控制器限位信号选择按键信号位置速度显示限位信号IPC位置速度信号状态信号0AT89C52监控器伺服系统故障保护信号故障保护报警灯8255码盘计数器74LS193825574063.2 软件设计图5 测角伺服系统AT89C52程序流程图将故障信号送IPC并切断功放置“时间到”标志上电开始控制AT89C52初始化8255I/O初始化并置定时器工作方式字和定时常数值开中断定时时间到否按键识别及限位信号选择并各功能键处理子程序读码盘计数值和限位信号值监控AT89C52初始化计算实际转角NY实际转角限位转角显示实际转角并送IPC控制律解算并送IPCY开中断系统有无故障NYN定时时间到否中断保护压栈中断保护出栈返 回NY8255I/O初始化、置定时常数值并清”时间到”标志测角伺服系统的软件也采用了模块化设计思想，其优点是思路清晰、通用性强、便于调试。该软件主要用来可采集其三个轴的位置、速度、按键、越位、故障保护等信号，并联合工控机对测角伺服系统进行综合控制。AT89C52程序流程如图5所示。由图5可见，该软件主要包括如下子处理模块：(1) 初始化模块：主要负责AT89C52控制器、AT89C52监控器以及8255的初始化；(2) 中断处理模块：主要负责测角伺服系统的中断处理；(3) 数据采集模块：主要负责测角伺服系统位置、速度、按键、越位、故障保护等信号的采集，并根据相应按键状态转至相应子程序处理；(4) 数据通讯模块：主要负责AT89C52控制器、AT89C52监控器与工控机之间的通讯；(5) 故障监控与保护模块模块：主要负责测角伺服系统运行过程中各种非正常状态的检测，并上报工控机以作出相应保护处理。4. 仿真试验为了验证所研制测角伺服系统的综合性能，我们利用它做了一系列含实物仿真测试试验。对基于AT89C52设计的测角伺服系统进行静态定位精度和动态响应仿真测试结果如下：给定转角 实测转角 绝对误差(degree) (degree) (degree)320 320.0007 0.0007 210 210.0005 0.0005 100 100.0004 0.0004 50 50.0003 0.0003 0 0.0001 0.0001 -50 -50.0002 0.0002 -100 -100.0005 0.0005 -210 -210.0006 0.0006 -320 -320.0009 0.0009表1 静态定位测试数据图6 测角伺服系统动态响应结果由仿真实验结果可见，该基于AT89C52设计的测角伺服系统的静态定位误差和动态跟踪误差均很小，对输入信号的动态响应很快，系统的鲁棒性很强。5. 结 论本文设计研究了一种基于AT89C52的测角伺服系统，该测角伺服系统的软硬件已研制成功,并在实验室环境中对其进行含实物仿真试验。试验证明上述系统功能及各子程序功能全部圆满实现，试验结果达到了设计要求。采用该控制方案的测角伺服系统不仅具有很高的控制品质，而且成本相对较低。实践表明, 基于AT89C52设计的测角伺服系统具有功能强、精度高、成本低、使用方便、可靠、易于扩充等优点,具有较好的推广应用前景。参 考 文 献1 Xie Yue, Mahinda Vilathgamuwa, K. J. Tseng, et al. Modeling and Robust Adaptive Control of a Three-axis Motion Simulator. Proceedings of IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, 2001, Vol.1: 553-5602 Li Xiao-min, Wang Wei-hong, Wang Zong-xue. Servo System Feedforward Controller Design and Simulation Research Based on RBFN. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2003, 24(3): 266-268.3 He Li-min. Application and Design of MCS-51 Single Chip Computer FamilyM. Beijing: University of Aeronautics and Astronautics Publishing House, 1990. 4 Miodrag Bolic, Vujo Drnda