摘  要： 介紹了幾種數(shù)字式手柄控制器的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)某數(shù)字伺服系統(tǒng)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一種具有CAN總線通信功能的新型數(shù)字式手柄控制器。根據(jù)角速度積分原理，詳細(xì)討論各部分硬件組成電路，給出軟件流程。通過實(shí)驗(yàn)比較和效果分析，該手柄不僅能輸出任意角位置，還能實(shí)現(xiàn)跟蹤角速度命令的連續(xù)變化。其結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)，開發(fā)成本低，有較高靈活性和穩(wěn)定性，充分發(fā)揮軟硬件結(jié)合的潛力作用。在雷達(dá)跟蹤、周視監(jiān)控等數(shù)字式伺服控制中有巨大應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞： 伺服控制；角位置；角增量

  角位置伺服控制系統(tǒng)應(yīng)用于飛行器姿態(tài)控制和檢測(cè)導(dǎo)彈制導(dǎo)控制、雷達(dá)天線跟蹤系統(tǒng)，也在工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等方面廣泛應(yīng)用。隨著高速處理器的發(fā)展，原有伺服系統(tǒng)的模擬控制器件逐漸被高性能數(shù)字式控制器取代。以DSP為控制核心和數(shù)字化接口的測(cè)角元件組成的數(shù)字角位置伺服控制系統(tǒng)具有精度高、速度快、穩(wěn)定性好以及計(jì)算機(jī)接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，極大地提高了系統(tǒng)的整體性能。線性連續(xù)變化輸入的數(shù)字式手柄控制器替代了原先的輸出模擬信號(hào)的手柄控制器，成為數(shù)字伺服系統(tǒng)中人機(jī)交互的重要組成部分[1-2]。本文利用數(shù)字式器件準(zhǔn)確、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，結(jié)合模擬式器件控制信號(hào)平滑變化、連續(xù)性好的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種速度可變的數(shù)字式手柄控制器。
1 設(shè)計(jì)方案
1.1 手柄介紹
    在數(shù)字伺服控制系統(tǒng)中，角度用數(shù)碼表示。測(cè)角裝置將圓周等分成2n個(gè)，每個(gè)等分單位角是δ=360°/2n。n越大，單位角δ越小，說明分辨率越高。一旦δ確定，每個(gè)輸出角位置的編碼值對(duì)應(yīng)一個(gè)角度值。通常將數(shù)字式測(cè)角裝置的二進(jìn)制位數(shù)X做為數(shù)字式角位置伺服系統(tǒng)的運(yùn)算位數(shù)n，所以一般取手柄輸入角位置數(shù)字量位數(shù)也等于n。例如，某數(shù)字伺服控制系統(tǒng)選用16位的測(cè)角裝置，其輸出軸旋轉(zhuǎn)一周，角度從0~360°變化，則編碼值從0000H～FFFFH，再回到0000H。此數(shù)字控制系統(tǒng)的運(yùn)算位數(shù)就是16位，手柄輸入角也是16位。
    許多老式模擬角位置伺服系統(tǒng)的手柄控制桿是電位器形式，通過操縱桿的偏轉(zhuǎn)角度改變電位器輸入的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)角位置手動(dòng)控制。其中選用的電位器調(diào)節(jié)精度必須非常高，才能使角度轉(zhuǎn)位穩(wěn)定與準(zhǔn)確，這無疑提高了手柄的成本。在新一代的數(shù)字式角位置伺服控制系統(tǒng)中手柄輸入有以下幾種方法：(1)電信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成離散數(shù)字信號(hào)；(2)電信號(hào)經(jīng)V/f或I/f變換后由加減法計(jì)數(shù)器形成數(shù)字信號(hào)。這兩種方法由電信號(hào)的強(qiáng)弱來控制數(shù)字信號(hào)大小，一般國(guó)內(nèi)高精度的電位器造價(jià)非常昂貴，若選用普通電位器其電信號(hào)不能穩(wěn)定輸出，也不能達(dá)到理想效果；(3)加減法計(jì)數(shù)器直接形成數(shù)字信號(hào)。它通過數(shù)值積分獲得數(shù)字信號(hào)大??；(4)直接使用高精度角位置傳感器輸出數(shù)字量。由于成本較高，該方法也不宜采用。

1.3 技術(shù)方案
    由于某數(shù)字伺服系統(tǒng)的角位置數(shù)字量是16位數(shù)，所以設(shè)計(jì)一個(gè)16位計(jì)數(shù)器輸出手柄角位置命令。設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)采樣系統(tǒng)不斷采集由電位器輸出的可變的模擬電信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化成離散數(shù)字量，用來表示本周期內(nèi)的角增量?茲并累加到16位計(jì)數(shù)器中。由于每個(gè)周期的角增量可以任意變化，只要采樣周期選取合適，任意角位置命令都可以快速發(fā)出。也實(shí)現(xiàn)了可變的角速度命令與加速度命令實(shí)時(shí)輸出。采用CAN總線通信方式實(shí)現(xiàn)手柄對(duì)伺服系統(tǒng)的控制。CAN總線即控制器局域網(wǎng)，是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，它是一種多主方式的串行通信總線設(shè)計(jì)規(guī)范，具有高位速率、高抗電磁干擾性、低成本、極高的總線利用率等特性，最大通信速率為1 Mb/s，最大傳輸距離達(dá)10 km。
2 手柄設(shè)計(jì)
2.1 硬件電路
    手柄電路由單片機(jī)系統(tǒng)、A/D采集、CAN總線通信、鍵盤與顯示電路等組成。其原理圖如圖1所示。以高速單片機(jī)為控制核心的單片機(jī)系統(tǒng)，主要控制采集兩路幅值可變的雙極性模擬電壓信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)變成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，作為本周期內(nèi)的角增量值Δθ累加到16位計(jì)數(shù)器中。循環(huán)發(fā)送計(jì)數(shù)器中的數(shù)據(jù)，通過CAN總線告知數(shù)字伺服系統(tǒng)不斷更新當(dāng)前的方位與俯仰角位置命令。

    MCU選用LPC932芯片，它是單片封裝的增強(qiáng)型8051微控制器，采用高性能處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時(shí)間只需2～4個(gè)時(shí)鐘周期[3]。執(zhí)行代碼速率是標(biāo)準(zhǔn)8051芯片的6倍。它繼承了許多系統(tǒng)級(jí)的功能，適合于高集成度、低成本、低功耗的場(chǎng)合，可以滿足多方面的性能要求。
    A/D采集芯片選用Analog Device的AD976A。它是一款單路高速、低功耗、16位的并行ADC，片內(nèi)帶有采樣保持器和輸出緩存。采樣速率最高可達(dá)到200 KS/s，采用5 V單電源供電，可對(duì)輸入雙極性±10 V范圍內(nèi)模擬電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)用2片AD976A分別對(duì)方位、俯仰兩路模擬電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使用FPGA作為選通轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、發(fā)出轉(zhuǎn)換命令，并且對(duì)其他功能電路有邏輯控制的作用，方便、準(zhǔn)確、可靠性高。
    通信部分采用PHILIPS公司的CAN控制器芯片SJA1000和CAN總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C50。CAN總線通信具有Basic CAN和Peli CAN兩種工作模式。Basic CAN工作在CAN2.0A協(xié)議，Peli CAN工作在CAN2.0B協(xié)議。在本設(shè)計(jì)中考慮到通信節(jié)點(diǎn)不多，故采用了Basic CAN工作模式。設(shè)置總線通信波特率為200 KB/s，總線的驅(qū)動(dòng)器選用PCA82C50，它是協(xié)議控制器和物理傳輸線路間的接口芯片，此器件對(duì)總線上的數(shù)據(jù)提供差動(dòng)發(fā)送與接收能力。在控制器和收發(fā)器之間采用高速光電耦合器6N137，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能和安全性能[4]。
    顯示電路采用8279芯片驅(qū)動(dòng)兩個(gè)4位LED顯示，用來實(shí)時(shí)輸出顯示方位和俯仰角命令值，以便及時(shí)與數(shù)字伺服控制系統(tǒng)中人機(jī)界面的實(shí)際方位、俯仰角位置進(jìn)行比較，分析其伺服控制性能。角位置命令也可由鍵盤輸入，用來測(cè)試數(shù)字伺服系統(tǒng)的階躍信號(hào)響應(yīng)。
2.2 軟件設(shè)計(jì)
    根據(jù)對(duì)手柄控制器方位、俯仰角位置輸出量的技術(shù)要求，結(jié)合硬件電路構(gòu)成，系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能：
    （1）模擬電信號(hào)的快速A/D采集，通過極性判斷后，獲得單位周期內(nèi)的角增量Δθ，將其累加入角位置命令寄存器。
    （2）CAN總線通信初始化、CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送及配置鍵盤中斷、驅(qū)動(dòng)顯示模塊。
    軟件總體設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。流程圖包括系統(tǒng)初始化、單位周期內(nèi)角增量測(cè)量、計(jì)算方位、俯仰角位置命令和CAN總線數(shù)據(jù)通信。

3 實(shí)驗(yàn)分析
    普通電位器的調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)定性較差，并且受到電源電路的紋波影響，使得電位器輸出模擬電信號(hào)的紋波較大，在±30 mV之間。而AD976A的轉(zhuǎn)換精度是0.3 mV，這樣得到的16位數(shù)字量不停跳變，難以達(dá)到功能要求。所以將轉(zhuǎn)換的數(shù)字量取高8位表示角增量?駐θ，犧牲A/D采集轉(zhuǎn)換精度來?yè)Q取穩(wěn)定、不跳變的數(shù)字量。
    雖然表示單位周期角增量的范圍降低到-256~+255，測(cè)得采樣周期是5 ms，但它可以提供的角速度命令最高可達(dá)280°/s，在角位置伺服跟蹤系統(tǒng)中已滿足最高速度要求。所以本設(shè)計(jì)方案克服了普通電位器調(diào)節(jié)精度差和電源紋波大的影響。
    圖3(a)是用加減法計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)的角位置命令。圖3(b)是設(shè)計(jì)出的16位數(shù)字式手柄控制器用示波器測(cè)試角增量變化和角位置命令數(shù)字量D/A轉(zhuǎn)換后的曲線圖。角位置命令是0000H，電壓是-5 V，當(dāng)角位置命令連續(xù)變化到FFFFH時(shí)，電壓是+5 V，超過此位置電壓又重新回到-5 V，即在0000H。角位置變化曲線的斜率即是角速度。

    從圖中角位置變化曲線看出，用此方案設(shè)計(jì)的手柄控制器只能實(shí)現(xiàn)角速度恒定的角位置命令變化。比較兩圖可以分析得出，本文設(shè)計(jì)的手柄控制器不僅可以輸出任意角位置量，還可輸出連續(xù)變化的跟蹤角速度。
    本文依據(jù)角速度積分原理，選用高性能增強(qiáng)型單片機(jī)與高速率的轉(zhuǎn)換芯片，設(shè)計(jì)出一種新型數(shù)字式手柄控制器。在角位置數(shù)字伺服控制系統(tǒng)中，既能輸出任意角位置命令，又能實(shí)現(xiàn)跟蹤角速度命令的連續(xù)可變。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高、系統(tǒng)抗電磁干擾能力強(qiáng)、數(shù)字量輸出穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。并且應(yīng)用先進(jìn)的CAN總線技術(shù)，優(yōu)化了通信平臺(tái)，為進(jìn)一步拓展手柄控制功能和實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化伺服系統(tǒng)的控制與管理奠定基礎(chǔ)。適于在雷達(dá)跟蹤、周視監(jiān)控等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
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