基于单片机控制的CCD随动系统

　　　　　　　　　　　　　　　　Vol

2006年2月　ELECTRONICENGINEER　Feb.2006

基于单片机控制的CCD随动系统

张　

,朱肇轩,吴石林

(国防科技大学机电工程与自动化学院,湖南省长沙市410073)

【摘　要】　通过一种设计方案,包括硬件的介绍和组建、控制程序的编写等,详细介绍一种基于单片机控制CCD(电荷耦合器件)随动系统;该系统接收到驾驶员手中的方向盘旋转角度信号后,驱动安装CCD的旋转平台旋转。为了获得较好的随动性,控制系统采用A/D转换技术、利用单片机对信号处理速度快的的特点,使系统的实时性更好。

关键词:步进电机,旋转变压器,P87LPC767,CCD中图分类号:TP273

组和二次绕组耦合程度的变压器,其结构与绕线转子异步电动机相似。定子、转子铁心中各有互相垂直的分布绕组,转子绕组利用滑环和电刷与外电路连接。当一次绕组励磁后,二次绕组的输出信号与转子转角成正余弦函数关系,在控制系统中用于角度数据传输。

正余弦旋转变压器的电气原理图如图1所示。

0　引　言

本文介绍的设计方案是用P87LPC767控制的CCD(电荷耦合器件)随动系统。为了提高装甲战车在作战时及夜间行车时的适应性,拟在装甲战车上装备CCD,要求CCD的方位与驾驶员手中的方向盘保持随动,而CCD安装在由步进电机带动的旋转台上,方向盘上安装测角元件(旋转变压器),车辆驾驶过程中,随着方向盘的旋转,旋转变压器发送相应的角度信号传入P87LPC767,由P87LPC767处理接收到的旋转变压器的信号,发出步进脉冲及方向电平,从而控制步进电机转动。

图1　正余弦旋转变压器电气原理

1　步进电机角度脉冲和方向电平

步进电机是一种电气执行元件,广泛用于控制领

域。步进电机有专用的驱动器驱动,而驱动器的输出由脉冲信号和方向电平控制。每一个脉冲使步进电机转动一个固定的角度,这个角度称为步进角。脉冲个数决定旋转角度,脉冲频率决定旋转速度,方向电平决定旋转方向。因此,通过脉冲数量和方向电平的控制能比较精确地控制步进电机的旋转角度和方向。

此外,为了提高步进电机的精度和稳定性,把步进电机细分运转,由电气控制方式把每一步距分为N小步完成。

由于此系统是一个随动系统,要求实时性好、定位准确和稳定性好,所以要求步进电机启动频率比较大,同时,步进电机细分数N比较大。

在一次(励磁)绕组D1、D2上施加交流励磁电压US1,D3、D4绕组短路,则二次(输出)绕组Z1、Z2和Z3、Z4的输出电压UR2和UR1分别为:

(1)UR1=KUUS1cosθ

(2)UR2=KUUS1sinθ式中:KU为变比,即空载最大输出电压与励磁电压之

比;θ为转子转角,即励磁绕组轴线与余弦输出绕组轴线间的夹角。

该系统采用正余弦旋转变压器,D1、D2上施加正弦交流励磁电压US1=USSsin400t,D3、D4绕组短路。由式(1)、式(2)可知,当方向盘转动时,转子转角θ发生变化,UR1和UR2的幅度分别变化,通过对它们变量的处理来确定转动的方向和角度。

3　硬件设计

3.1　硬件设计思路

2　正余弦旋转变压器

正余弦旋转变压器实质上是可以随意改变一次绕

收稿日期:2005208205;修回日期:2005211213。

控制系统硬件结构如图2所示。

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第32卷第2期张　,等:基于单片机控制的CCD随动系统・计算机与自动化技术・

制角度,并具有较好的实时性,能达到随动的要求。

4　软件设计

4.1　软件设计理论依据

图2　控制系统的硬件结构框图

　　方向盘转动使旋转变压器的输出信号发生变化,

通过处理电路进行一定的处理,再由P87LPC767的内部A/D进行采样,最后通过P87LPC767运算产生脉冲和方向电平,以控制步进电机的驱动器,从而达到控制步进电机的旋转角度、速度和方向。3.2　信号处理部分电路

信号处理部分对旋转变压器的输出信号进行处理,电路如图3所示。

该系统的软件主要是控制A/D对信号(从旋转变压器输出再经过运放处理后的信号)的采样,以及对采样所得数据进行处理和运算,从而控制方位。

图4　AD0口输入信号图3　信号处理部分电路图

图4是转子的转角为θ0和转角为θ1时AD0口

θ的输入信号,(θ0、1是任意连续两次数据采集(两次

对峰值和谷值采集)时转子转动的角度。由于该系统

θ(θ对数据的处理时间比较短,所以Δ1-θ0)很小。由

旋转变压器原理可知:

US0a=KKUsinθ0+U0US0b=U0-KKUsinθ0US1a=KKUsinθ1+U0

US1b=U0-KKUsinθ1

　旋转变压器Z1、Z2的输出信号(该信号比较大)

通过运放进行缩小,由运放的基本原理可知,其衰减因子为K=R3/R1;而电路中同相输入端通过R4接地,R4为补偿电阻,以保证运放输入级差分放大电路的对称性,其值为R4//R3=R1//R2。接着把缩减后的信号与一个直流电压进行求和,从而AD0口的信号变为U1=KUR2(R11/R9)+5(R11+R10),其目的是把信号变为P87LPC767内置A/D的电压采样范围(0～5V),而R12的作用与R4完全一样,其值为R9//R11=R10//R12;Z3、Z4的输出信号与Z1、Z2的信号处理完全一样,不再叙述。3.3　单片机与驱动器

P87LPC767通过其内置A/D对信号(从AD0和AD1输入的信号)进行采样,再由它对采集而来的数据进行处理、运算,转换为角度脉冲和方向电平,分别从P1.6口和P1.7口输出;步进电机驱动器获得角度脉冲和方向电平,从而驱动步进电机,由此步进电机跟随方向盘转动。

由图2和图3可知,此系统的硬件比较简单,但是通过合适软件设计,它完全能够准确控制方向,精确控

　　不妨又设AD1口在t0a和t0b时刻的输入信号的值分别为UC0a、UCob,t1a和t1b时刻的输入信号的值分别为

UC1a、UC1b;同理可得:

UC0a=KKUsinθ0+U0UC0b=U0-KKUsinθ0UC1a=KKUsinθ1+U0UC1b=U0-KKUsinθ1

θ　　方向盘旋转角度Δ的算法如下:

US0=US0a-US0b=2KKUUsinθ0US1=US1a-US1b=2KKUUsinθ1

US0,1=|US1|-|US0|=　　　　　　　　　　　　　2KKUUSS|sinθ1|-2KKUUSS|sinθ0|=

2KKUUSS(|sinθ1|-|sinθ0|)

　　当θ1和θ0为第1象限和第2象限时:

US0,1=2KKUUSS(sinθ1-sinθ0)=

θθ1+θ01-θ0　　　　　4KKUUSScossin=

22θΔθ1+θ0

　　　4KKUUSScossin=

22Δθ

(3)4KKUUSScosθ0sin

2

・73・

・计算机与自动化技术・电子工程师2006年2月

　　当θ1和θ0为第3象限和第4象限时:US0,1=-2KKUUSS(sinθ1-sinθ0)=　　　

θθ1+θ01-θ0

　　-4KKUUSScossin=

22θΔθ1+θ0

-4KKUUSScossin=

22Δθ

(4)-4KKUUSScosθ　　　0sin

2

　　由式(3)、式(4)可知:

θ|=|Δ

|US0,1|

对4个值求平均,如果均值等于零点值,那么这4个点

的中间时刻就是出现零点的时刻。

2KKUUSS|cosθ0|

(5)

　　由式(5)可以确定从θ0到θ1方向盘旋转角度;

P87LPC767按照上面的算法算出转子转角从θ0转到θ1这段时间转的角度,再由脉冲与角度的关系把角度转化为脉冲,控制步进电机的转动角度。

方向盘旋转方向确定的算法如下:

UC0=UC0a-UC0b=2KKUUSScosθ0

　　当US0和UC0的符号相同时,由于KU>0、KSS>0,所以sinθ0和cosθ0同号,故θ0是第1象限和第3象限象限的角度;当US0和UC0的符号相反时,同理可得θ0是第2象限和第4象限的角度。判断完象限后,再根据US0,1的符号判断方向盘的旋转方向。根据式(3)和式(4)可知,当US0,1为正时,且θ0是第1象限和第3象限的角度,则转子转角在增加,方向盘按逆时针旋转;当US0,1为正时,且θ0是第2象限和第4象限的角度,则转子转角在减少,方向盘按顺时针旋转;当US0,1为负时,且θ0是第1象限和第3象限的角度,则转子转角在减少,方向盘按顺时针旋转;当US0,1为负时,而且θ0是第2象限和第4象限的角度,则转子转角在增加,方向盘按逆时针旋转。单片机按上面的判断方法判断旋转方向,从而控制方向电平。

下面把本系统的软件设计分为3个摸块:A/D采样模块、方向控制模块、角度控制模块介绍该系统的软件设计思想。

4.2　A/D采样模块

A/D采样的流程如图5所示。

图5　A/D采样流程

4.3　方向控制模块

方向控制模块流程如图6所示。

图6　旋转方向判断流程

此流图完全按照上述方向判断的算法,只要准确判断出θ0或θ1的象限以及AD0输入信号在转子的转角θ从θt刻)到θ0(时1(t1时刻)时幅值的增减性,就能判断出旋转方向。4.4　角度控制模块

角度控制模块流程如图7所示。

根据所使用的算法可知,所要采集的是转角为θ0

和θ1时AD0口输入信号的峰值和谷值以及同时刻AD1口输入信号的峰值和谷值;由于θ0和θ1是两个不确定的角度,所以峰值和谷值是不确定的,由此采集峰值和谷值较困难,因而采集它们的零点A,B,C,…(这些点的值U0是不变的)。找到零点后,延迟1/4周期,就可采到峰值或谷值点,再延迟1/2周期又可采集到谷值或峰值点。这样将可以采集到所需要的值。为了找准零点,使用求平均的方法,连续采集4个值,・74・

图7　角度控制流程

第32卷第2期张　,等:基于单片机控制的CCD随动系统・计算机与自动化技术・

步骤如下:先把转角为θ0(t0时刻)和θ1(t1时刻)

时的AD0口输入信号幅值差的绝对值乘以脉冲与旋转角度比值,再去除以转角为θ0或θ1时的AD1口输入信号幅值和传动比。这样先乘后除可以减少运算误差;由于单片机只能进行整数运算,如果先除后乘,把它除时所带的余数丢失,再用商去乘,那么所丢失的数是余数乘以乘数,会带来较大的误差;不把余数丢失,而是把它进行处理,将使运算变得更加复杂,而运算精度和先乘后除相同。

核,证明具有很好的随动性,且精度比较高,是一种可行的电气控制方案。

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5　结束语

用此方案实现的控制系统经过几个月的运行考

动定位系统.测控技术,1998,18(3):39～40

ACCDServoSystemBasedonSCMControling

ZhangQi,ZhuZhaoxuan,WuShilin

(NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China)

【Abstract】　ThepaperintroducesaSCMcontroledCCDservosystemofadesignproject,includingin2

troductionofhardwareanddesignofcontrolprogram.Afterreceivingthesignaloftherotatinganglefromthesteeringwheel,thesystemdrivestheplatformwithCCDtorotate.ThesystemadoptsADconversiontechnolo2gyandmakesuseofthecharacteristicoftheSCMfastspeedtotreatsignalsoastogetthebetterrealtimecharacteristic.

Keywords:steppingmoter,circumrotatingtransformer,P87LPC767,CCD

(上接第69页)

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