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1、基于PIC的遥控电动机位置控制器的设计第14卷第2期2004年6月湖南工程学院Journa1ofHunanInstituteofEngineeringVo1.14.No.2June2004基于PIC的遥控电动机位置控制器的设计刘星平(湖南工程学院电气与信息工程系,湖南湘潭411101)摘要:PIC是一种采用精简指令结构,输入/输出功能强大的8位单片机,应用广泛,本系统是用PIC16F877单片机作为核心部件的遥控电动机位置控制器.这里介绍了这种控制器的工作原理,硬件电路组成及有关的程序流程.关键词:PIC单片机;电动机位置控制器;遥控中图分类号:TP391.8文献标识码:A文章编号:16711
2、19X(2004)02002604目前大部分遥控伺服电动机控制都属于模拟式,即当遥控伺服电动机控制器接到动作命令时,会经由电子回路计算出电动机位置的增减量.但是因为控制器为模拟电路.在控制处理过程中很容易因模拟组件的老化及噪声而造成误动作.模拟式的控制电路技术已接近成熟,若要提高遥控动作的精确度并不容易,因此将遥控伺服电动机控制器数字化是未来的趋势.数字控制器的抗噪能力明显优于模拟控制器,同时数字化的结果可以提高精确度.使得微调动作可以更细致化.PIC单片机提供不少控制D转换器,PWM产生器等,且成本低,因此非常适合制作数字控制器.本系统使用PIC16F877单片机制作遥控伺服电动机控制器.1
3、系统组成电动机位置控制器的系统方框图如图l所示,虚线方块部分为本系统的重点.PIC16F877单片机为系统的控制核心,重复地使用内置的Timerl读取位置命令信号,使用内置的A/I)转换器读取电位计的位置反馈信号,以及输出控制电动机的PWM信电动机所需的相关外围I/O.诸如计时/计数器,A/号.【-_-H及4,其ga机构眦.图1遥控电动机位置控制系统方框图电动秽L位置控制器阳位置筛令1吾号源如图2所示.是一个周期为20ms的脉冲且脉冲宽度在0.88卜_厂一厂._一20ms图2电动机位置命令参考信号2.1ms之间变化.这种使用脉冲宽度对应信号大小的方式在无线电遥控系统最为普遍.假设脉冲宽度的变化
4、对应到遥控伺服机构90.的位置,而且1.5ms的脉冲刚好对应在0的位置.此系统的设计目标与功能在于可反应位置命令信号至2s,此控制精度相当于遥控机构的0.3.2硬件电路分析遥控电动机位置控制器的硬件电路主要包括控制器核心PIC单片机(如图3所示)及直流电动机桥收稿日期:2004一OlO6作者简介:刘星平(1966一),男,高级实验师,研究方向:电力电子,自动控制第2期刘星平:基于PIC的遥控电动机位置控制器的设计27式驱动电路(如图4所示)两个部分.整个硬件电路以PIC单片机为控制核心,其功能包括读取位置命令信号,读取电位计的位置反馈信号,计算伺服控制Vccc10lpF4lR5K,Rl0.1K
5、8Vc石c2._一GNDVccl920程序,以及送出电动机PWM控制信号给桥式驱动电路进而控制电动机的运动.MCRRA0RAlRA2RA3RA4RA5RZ0RZlRZ2VDDVSSOSClOSC2RC0RClRC2RC3RD0RDlRB4RB3碧:VSS黧匡RD4.,27.Rc7RD2卜Z.I一9_一l0l2UlD!兰7486图3PICl6F877单片机控制电路位置命令信号与电位计的位置反馈信号由PIC内部的16位计数器以中断的方式读取.位置命令信号源接至PIC的RCI/CCP2引脚,分别记录下命令脉宽的上升沿与下降沿的计数值,然后相减即可求得位置命令.PIC定时器的工作模式设定为捕捉模式(C
6、aptureMode),且不使用预分频器(Prescalar),并使用内部时钟4MHz为计数时钟.计数器在每4个周期会自动加1,因此计数频率为振荡频率4MHz的四分之一,故计数器的周期为1.0s.对于位置命令信号源的周期为20ms而言,不至于产生16位的溢出问题.电动机位置反馈信号是由电位计的反馈电压连接至PIC的RA2模拟输入端,再经由PIC内部10位精度的A/I)转换器获得.值得注意的是位置命令的计数值和位置反馈的转换值的比例最好为1,以便达到电动机准确定位控制的目的.表1所示是位置命令脉冲宽度与电位计的位置反馈电压的测试结果,其中脉冲宽度的计数值经过偏移量的调整后和l3UlC74o8Ul
7、Dvcc8M+位置反馈电压转换值的测量值范围一致.表1所示也显示出了位置命令脉冲宽度的计数值呈现高度的线性,而电位计的位置反馈模拟电压的A/D转换值的线性度稍差.表1位置命令脉冲宽度与电位计位置反馈电压的测试结果直流电动机的驱动电路由两对NMOS构成的28湖南工程学院2004正桥式驱动器(如图4所示)来推动电动机运转.其工作原理为当M+为高电位且M一为低电位时,T1,T4截止,T3,T2导通,故电动机反转.当M一为高电位且M+为低电位时,T3,截止,T1,T4导通故电动机正转.当M+与M一均为高电位或M+与M一均为低电位时,T1,T3,T4都截止,故电动机停止运转.由R2,C2,D5,R3,C
8、3,136构成逻辑延时环节.这种接法可以防止切换电动机正反转的瞬间可能导致4个晶体管同时导通的情形或任意单臂上的2个晶体管同时导通,当此情形发生时晶体管将被烧毁.图4直流电动机桥式驱动电路电动机控制使用脉冲宽度调制(PwM)的方式,这是通过控制晶体管导通的工作周期(DutyCycle),使得电动机获得不同的平均电压,从而控制电动机的转动速度.PIC的Timer2的PWM工作模式可在RC2引脚输出振幅为5V具有可调整工作周期的电压信号.PICRC2引脚的PWM输出信号与控制电动机方向的数字输出信号RDl引脚经过一个简单的转换电路后,再连接至桥式驱动器的两个控制信号M+与M一.图5主程序流程图3程
9、序流程与软件说明此系统的实时控制软件,用一个16位的计数器作为内部的时间计数器.整个位置控制器的软件以前台时间及后台时间的结构来实现电动机的伺服控制,其程序流程图如图5及图6所示.在位置命令的每个20ms周期内,控制程序在后台时间以中断方图6中断服务程序的流程图第2期刘星平:基于PIC的遥控电动机位置控制器的设计29式读取位置命令的脉宽,主程序在前台时间不断地重复读取电位计的位置反馈值,计算PD控制程序及输出PWM工作周期.使用PICTimer1的捕捉功能读取位置命令脉宽值的中断程序如图7所示.首先需在主程序中将Timer1初始化为上升沿触发中断.当位置命令RC1引脚上升沿触发中断发生进入中断
10、程序时,将RC1改成下降沿触发中断并将计数值清零.随后当RC1下降沿触发中断发生进入中断程序时,此时的计数值即为位置命令的脉宽值,同时需将RC1改成下降沿触发中断以便等待读取下一次的位置命令脉宽值.图7读取位置命令脉冲的程序流程图要注意的是,A/D转换初始化时,A/DCON1寄存器的<7>位A/DFM必须设为1,表示A转换结果的格式为ADRESH及ADRESL寄存器的低10位,即ADRESH寄存器的高6都为0.PID位置控制器由比例项,微分项及积分项组成.比例项正比于命令值与实际输出值之间的误差,微分项是误差的变化量与微分增益的乘积.为避免控制器发生饱和现象,并未使用积分项.PD控
11、制法则为16位的计算式(如图8所示),因此最后的控制量必须映射到PWM工作周期的范围,即一128127之间.PD控制法则控制着系统的特性,如稳定时间,稳态误差及系统稳定性等.PD控制法则中每一项会对系统的特性产生不同程度的影响,通常可通过先单独使用比例项直至稳态误差最小,再慢慢地加入微分项以改善系统的稳定性至最佳为止.(PDContro1)lError=CmdFbl0utKPErr+Kd(ErrErr1)IMappingOutToPWM=一l28l27调用SendPWM予程序图8PD位置控制器的程序流程图4结论此电动机位置控制器以单片机PIC16F877为控制核心并使用汇编语言编程,完成读取位
12、置命令信号,电位计的位置反馈信号,计算PID伺服控制程序,以及输出电动机的PWM控制信号等任务.对于电动机位置控制而言,PIC16F877单片机具有完整的外围功能,以及有执行指令较快的优势,有助于遥控器的控制性能的提高及产品的小型化.参考文献1武峰.PIC系列单片机的开发应用技术M.北京:北京航空航天大学出版社,2001.2俞光昀,陈锡周,陈瑞芬.计算机控制技术M.北京:电子工业出版社,2001.3刘和平.PIC16F87X数据手册M.北京:北京航天大学出版社,2001.DesignofElectromotorPositionControllerwithRemoteControlBasedon
13、PICLIUXingping(Dept.ofElect.andInformationEng.,HunanInstituteofEngineering,Xiantan411101,Chim)Abstract:PICisasortof8digitsinglechipcomputerwithsimplifiedinstructionstructureandpowerfulfunctionofinput/outputwhichcanbewidelyused.ThepositioncontrolleradoptsPIC16F877thatisnucleuscomponent.Thispaperintroducestheworkprinciple,componentsofhardwarecircuitandrelativeprogramflowofthecontro1.Keywords:PIC;electromotorpositioncontroller;remotecontrol
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