电机随动系统单片机控制器的设计.docx

1、电机随动系统单片机控制器的设计电机随动系统单片机控制器的设计3胡敏,杨栓虎(中国兵器工业第203研究所,西安710065摘要运用滑模理论设计了一种随动系统的控制器,并详细阐述了该控制器的基本组成、原理、特点、动态特性及其具体的电路。试验结果表明:所设计的控制器达到系统技术指标要求,从而为导弹随动系统设计提供了一种新方法。关键词电机随动系统;单片机控制器;滑模控制中图分类号TJ 765文献标识码A1系统结构该系统由直流伺服电机、减速传动装置、控制器和反馈电位计等部分组成。系统的结构原理图如图1所示 。图1电机随动系统组成2控制器设计该控制器由P I C 作为CPU ,再与L F 347、74L

2、S 04等组成最小的单片机系统,同时配上输入、输出驱动电路。2.1P I C 单片机单片机选用P I C 16C 73A ,该芯片采用R ISC 结构的高性价比嵌入式控制器,总线结构采取数据总线和指令总线分离独立的哈佛结构(HA RVA RD ,具有很高的流水处理速度。精减指令集结构(R ISC 使它所有的指令都是单字节,因此其程序空间的效率比一般的单片机高。且具有丰富的I O 控制机能,自带A D ,PWM 输出等,有多种复位方式,多种中断方式,低功耗睡眠功能,掉电复位锁定等。内部自带上电复位电路,看门狗电路,I O 口弱上拉等,可以大大减少外围器件,节省空间和成本,这对弹上的应用十分有利。

3、95第1期弹箭与制导学报收稿日期:2000201207作者简介:胡敏,工程硕士研究生,从事制导兵器与系统技术研究。具体应用如图2,误差信号从模拟输入口1、2至P I C ,经P I C 产生PWM 控制信号,从PWM 口输出到驱动器 。图2单片机应用原理图2.2输入回路输入回路的作用是采样信号并作误差运算,给单片机提供可读的输入信号。控制器的4个输入分别经输入回路加到P I C 的4个输入口。具体电路如图3所示 。图3输入电路图其中,稳压管D l 提供偏置电压,当e =0时,电位提到2.5V ,电阻R 5和电容C l 组成滤波电路,为的是减少电噪声,抑制干扰,稳压管D 2和D 3的作用是限制输

4、出电压,以保护P I C 单片机的输入口不因输入过大而烧毁,运放A l 的作用是改善反馈放大器的输出阻抗,运放A 2的作用是改变放大倍数。2.3输出驱动回路单片机控制器控制4个系统,每一路的输出控制信号,经单片机的PWM 口输出,然后接至H 桥驱动器上,再到电机。驱动器选用N SC 公司生产的LM D 18200,工作电压可达55V ,连续工作电流可达3A ,峰值电流6A 。它有很低的导通电阻,R =0.38,在同一芯片上制作了B i C M O S 控制电路和DM O S 功率器件。该驱动器体积小、重量轻,响应速度快,开关06弹箭与制导学报2000年工作频率允许达500kH z 。该驱动器还

5、有过电压、过电流和过热保护功能。当电机出现短路、堵转等过载情况时,会自动关断输出的功率开关。但内电路会周期性地使功率开关恢复正常工作方式。如果过电流仍旧发生,最后由过热保护动作来关闭整个集成电路。LM D 18200原理如图4所示 。图4LM D 18200原理图PWM 信号从D I R ECT I ON 脚输入,50%占空比PWM 信号对应于零驱动,平均负载电流为零。而大于50%占空比的PWM 信号对应于正向电流,负载电流从2脚向10脚方向流过。小于50%占空比的PWM 信号对应于负向电流,负载电流从10脚向2脚方向流过。2.4滑模控制算法设计电机随动系统方块图如图5所示 :图5电机随动系统

6、方块图对单输入控制系统的变结构问题,反馈控制系统如图 6:图6输出反馈控制系统其中:G (s =bs 2+a 2s +a 1,则b =K m T m ,a 1=0,a 2=1 T M 。取K m =250,T m =16第1期电机随动系统单片机控制器的设计胡敏等0.01时,b =25000,a 2=100。在上述结构图中r (t 为闭环系统的参考输入,f 1=f 1(t ;f 2=f 2(t 为系统的外部扰动。在本系统中设f 1=f 2=0。采用比例切换控制,切换函数为S =C 1X 1+X 2(1取控制策略为U = X 1(2其中:X 1=e ,X 2=e ,=1X 1S 01X 2S 01

7、按广义滑模条件,S S 0。由S =X 1+C 1X 2得X 2=S -C 1X 1,则:d S d t =d X 2d t +C d X 1d t=(C 1-a 2S +(C 1a 2-C 21-a 1-b X 1(3为使广义滑模条件成立首先要使式(3等号后边第一项的系数为负。即:C 1-a 20,X 0时,C 1a 2-C 21-a 1-b 10,X 0;当S 0时,C 1a 2-C 21-a 1-b 10;当S 0,X 0时,C 1a 2-C 21-a 1-b 1(a 22-4 a 1 4b =0.1。取1=1,1=-1,C 1=250,取对称的参数,使电路实现更容易。为保证以上取值的合

8、理性,可在误差的综合部分加适当的放大倍数,以期使系统的增益足够大。3试验结果按以上控制算法,控制器控制单通道1路电机时,在小信号输入下,系统的幅频、相频特性如图7、图8,其中的23dB 的频率可达43H z ,290相移频率达18H z 。26弹箭与制导学报2000年 图7 系统幅频特性图8系统相频特性操满舵下,斜坡跟踪精度如图 9:图9系统跟踪特性在小信号输入下,系统阶跃响应如图10,系统基本无纹波,无超调。36第1期电机随动系统单片机控制器的设计胡敏等64 弹箭与制导学报 2000 年 图 10系统阶跃响应 4结论 本文运用变结构控制理论设计的控制器在一种导弹电机随动系统中应用, 该系统快

9、速 性好, 无超调, 达到了性能指标要求。 而且结构简单, 容易实现, 适合弹上应用。 该系统获得 了强鲁棒性, 对于变参数和干扰不具有敏感性。 参考文献 1王丰尧. 滑模变结构控制 M . 机械工业出版社 1997. . 2诸静等. 滑模控制原理与应用 M . 机械工业出版社 1997. . 3周军 变结构控制理论在电动舵机系统中的应用 J . 西北工业大学学报 ( 8. 1992 ( 3. . 4李东星等. P IC16CXX 系列单片机应用设计 M . . 1996. 5戴忠达. 自动控制原理基础 M . 清华大学出版社 1989. . D es ign of E lectr ic M

10、otor Stocha tic System S inglech ip Processor Con troller H u M in, Yang Shuanhu ( 203 In st itu te of Ch ina O rdnance Indu st ry, X i an 710065 Abstract B y u sing slid ing m ode system theo ry, having fin ished som e electric m o to r stocha stic system con tro ller, w h ile describ ing ba sic co

11、n struction、 rincinp le、 p dynam ic cha racteristic and sp ecific circu it abou t the con tro ller. Exp eri en ta l resu lts show the designed con tro ller ha s ach ieved techno logy index, w h ile m p rovid ing a new reseach w ay fo r electic m o to r stocha stic system. Key words E lectric m o to r stocha stic system ; Sing le ch ip p rocesso r con tro ller; Slid ing m ode con tro l . 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.