亏歹驱碘控唧∥ ：…己釜Zr一／刷妒矗，∥—吗喀占’^厂………………………………………………………………………一二．……………………一：…．． 触持电棚 2懈年第10期 基于PIC单片机的舵机控制系统设计 王志远，闫建国，孙倩 (西北工业大学，陕西西安710072) 摘要：以高性能无人机舵机伺服控制系统的研制为背景，介绍了一种基于PIc单片机的高精度伺服控制系 统。以PIc单片机为控制芯片产生PwM信号．控制功率驱动电路，驱动直流电动机，实现伺服控制系统。软件采 用位置、速度和电流三闭环控制算法，利用模糊控制算法对位置环的PID参数进行实时调整，同时在速度环与电流 环中使用积分分离的PI控制算法。实验结果表明，系统具有强抗干扰、响应速度快、可靠性高等特点。 关键词：舵机；Plc单片机；三闭环控制算法；模糊PID 中图分类号：TM33 文献标识码：A 文章编号：10咀一7018(20帱)10一∞28—03 Design for Servo Control System Based on PIC Sin掣e Cllip Micmcomputer 耽ⅣG劢i一邶n，MⅣ胁凡一g∞，Js洲∞n (Northwestem P01)rtechnical University，XiAn 710072，China) Abstrad：The high accumcy解rvo control system b鹬ed on PIc single chip micmcomputer w船introduced，which w鹅 set in high舵curacy UAV servo development．To achieve the servo contmI objective，PIC which w舾∞rved鹊main control chip pmducts PWM si印al to contmlled power driver circuit thus drove DC motor． r11lree closed 100p con￡ml strateg)r衍th position，velocity肌d current was adoPted in software． Fuzzy contml algorithm adjusted PID p锄meter at real time in posi- tion loop，肌d integral separation PI aJgo—thm w鹊used in velocity明d cu兀．entloop．The initial results 8howed that the sys— tem achieved good interl．erence rejection，fht response and high reIiability． Key、帅rds：servo；PIC 8ingle chip micmcomputer；three closed 100p contml stmfegy；fuzzy PID 苗Ⅱ．Q《鬯。苫窆．事亭声Il筻昭●瓣盘铎^i04芒氍S神圆*越敷 0引 言 机控制系统的设计与实现，并给出了调试结果。 舵机作为无人机制导系统的主要组成部分，是 1系统组成 操纵机动飞行的重要执行机构。舵机的作用是根据 飞行器制导控制电路输出的一定大小和极性的信 无人机舵机由主控制电路、电机、减速齿轮组与 电位计构成，高速转动的电机提供了原始动力，经齿 号，操纵无人机的舵面或副翼或改变发动机的推力 矢量，控制舵面按要求快速、精确地偏转，实现舵机 轮减速后，通过输出轴对外提供高的力矩i 2|。系统 组成如图l所示。 控制的各项指标，以达到对无人机的飞行稳定控制。 飞行器经过近半个多世纪的发展，关键技术渐已成 熟，但输出力矩大，响应速度快，控制精度高，体积小， 重量轻，高可靠性始终是无人机舵机发展的目标…。 PIc单片机的突出特点是体积小、功耗低、指令 集精简、抗干扰性好，有较强的模拟接口，代码保密 性好，其兼容的Flash程序存储器，支持低电压快速 擦写，程序修改方便。在一些小型的应用中比传统 的51单片机更灵活，外围电路更少，因而得到了广 泛应用。在无人机舵机控制系统的设计中，PIC单 片机很好地满足了其小体积限制、抗干扰高、功耗低 等要求。 图l系统组成图 系统的工作原理：当电机处于运行状态时，给定 的位置信号与位置反馈信号的偏差经过位置环算法 调节得到速度参考值，系统由位置反馈信号计算出 当前转速，与参考值按照速度环的算法得出电流参 考值，电机绕组电流信号经电流检测模块转换得到 电流反馈值，与参考值经过电流环算法计算出的结 果来调节占空比，进而控制功率驱动芯片的导通关 断，从而实现对直流电机位置、转速及电流的控制‘3l。 基于PIo单片机的舵机控制系统设计 本文介绍以PIC单片机为控制核心的无人机舵 2系统硬件设计 收稿FIj朝：2008一cr7一04 改稿日期：2008一09一16 系统硬件由单片机与其外围电路、反馈采样电 路、功率驱动电路等组成。硬件结构图如图2所示。 

搬持之棚 2∞8年第lo期历矿驱砘控趔， ……～…………………………………………………………………………………………一·芒-Z二，／／1御＆斩∥盯"崭彬…-’‘： }犀爵{匝壶画卜；^遁鑫 由三闭环控制算法、数据采集与处理及各保护功能 组成。在结构上采用模块化的设计思想，降低了程 序复杂度，从而提高了控制系统软件的可读性、可靠 性和可移植性。其具体涉及到：解析给定PWM位 置信号，舵面位置信号的采集与处理，舵面速度的计 算与处理，电机电流信号的采集与处理，位置环、速 度环和电流环控制算法的实现，电机变速换向的实 现。整个控制系统软件体系结构图如图4所示。 图4软件结构整体框图 系统采用三闭环控制策略，其中电流环的循环 时间最短，而位置环最慢。因此在系统的调试过程 中，先调试最内的电流环，当性能满足要求后，再调 节速度环与位置环，最终实现调节目标，从而减小了 三环调节的耦合性，当电流环和速度环的性能满足 要求后，此时可以专注于位置环参数的调整，而不改变 其它两环的调节参数。三环具体算法实现介绍如下。 3．1位置环设计 位置环作为最外环，直接决定舵机伺服控制系 统的动、静态性能指标。经典PID算法虽然结构简 单且鲁棒性较强，但三个参数固定，很难保证系统有 较快的响应速度，同时具有较好的静态性能和小超 调量，所以必须对传统PID算法进行改进，尽可能兼 顾各项性能指标。 系统的位置环调节选用PID参数模糊自整定算 法，由模糊推理机和经典PJD控制器组成。通过计 算当前的位置偏差和变化率，找出与P1D三个参数 之间的模糊关系，并不断检测，根据模糊法则对PID 三个参数进行在线调整。系统采用此算法计算量较 小，易于用单片机来实现，提高了位置环的整体调节 效果和实时性，具有良好的动静态性能。 将位置偏差统一到一定范围内，规范后为△Is， 及PID三个参数的规范公式如下： s I

巧歹驱碘控掣∥ ：。‘_圭￥∥／“彬d，z∥d马侣占彬…一……………………一………～……………………………一…：…………．一…．．一：…．二：…．． 儆持'龟棚2咖年第lo期 Q亟回 匝塑直要訇 匝堑厘熊煎回笙≤鞘． 甲孽 口南 秒(s)：K掣 (6) 3．3电流反馈 当电流发生变化时，系统须做出迅速响应，使输 出电流快速跟踪给定信号的变化。由于电流响应速 度很快，电流环算法采用积分分离PI算法，以避免 微分因子造成电流环震荡。电流环产生PwM调制 信号，控制功率驱动来实现电流调节的目的。 PI控制公式如下： ，(n)=，(n一1)+后。[△，(几)一△，(乃一1)] +m盂I△，(n) m：f1 【O △Jf审萍令 。叫选取Pl算法，限幅}-—-J 出，=K警存黼 ㈩ (a) (b) 图6 速度环与电流环流程图 4试验结果 m。=筹 ml 2再万 m：：#字 m2 2亓西 系统接收飞控计算机发送周期7—20 ms，有效 占空比0．9—2．1 ms的PwM控制信号，输出最高堵 转力矩350 N·m，无载荷速度180(。)／s，标准设置 最大偏转角为+／一65。，堵转电流750-I认。系统工 作速度一扭矩、工作电流一扭矩曲线如图7所示。 (9) Ly’ (10) o 1U 7 2．4 2．O 1．6 1．2 O．B 0．4 O O O．5 1 1．5 2．0 2．5 3 r，(N·m) 图7速度、电流与扭矩图 (下转第36页) 30 苗Ⅱ．Q《鬯。苗苫．堇呈I筻略●搬盎铎Q《04垂隧S对哑}：I聋f农 基于PIn单片机的舵机控制系统设计 

历矿驱砘控制， ：…圭；t!／／Kf々9 d，々々／詹伟％zoE’^，…一……………～…………………………………………………-…-…一……一一……_--…_-_ 触持电棚 2帅8年第lo期 24面棱体，当电机带动旋转台运动时，通过对准棱 据可以看出：系统的静态误差<±20”；没有发生丢 体表面的自准直仪读数。当棱体每转动15。时读出 脉冲的现象；系统的重复性也比较好；可以用在精度 对应点的系统误差值。本测试中细分数为128，电 机运动的初速度为500 P／s；恒速度为l 000 P／s；加 速度为l 500 P／50 ms，P代表脉冲数。 要求比较高的场合。误差测试说明，虽然该系统为 一开环系统，但是只要在程序设计上充分考虑到电 机的运动特性，还是可以达到较高的控制精度。 测试结果如表l所示。通过表中的三组误差数 表l 系统静态误差测试结果 4结语 采用电流矢量恒幅均匀旋转的细分驱动技术， 提高了系统的分辨率，降低了电机的低频振荡；采用 专用细分模组，提高了整个系统的稳定性，该步进电 [2] 沈正海，何明一．基于神经网络的步进电动机细分电流最佳设 计[J]．微电机，2005．38(3)：20一22． [3] 谭建成．新编电机控制专用集成电路与应用[M]．北京：机械 工业出版社，2005． [4] 王晓明．电动机的单片机控制[M]．北京：北京航空航天大学 出版社，2002． 动机运动控制系统已经运用到某传感器校正系统 [5] 李铁才，杜坤梅．电机控制技术[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学 中，整个系统运行稳定可靠。 参考文献 出版社，2000． [6] 陈理壁．步进电动机及其应用[M]．上海：上海科技出版社，1985． [1]何希才，姜余祥．电动机控制电路应用实例[M]．北京：中国电 作者简介：黄勇(1978一)，男，硕士，研究方向为信息获取与处 力出版社．2005． (上接第30页) 理、电子系统设计与仿真。 时间，加速了无人机的研发速度。同时，本系统对深 位置环调试结果如图8a所示的方波跟踪响应， 入了解PIC单片机及直流伺服电机等控制系统也有 表明系统有良好的跟踪效果，但仍需改善硬件结构 与进一步优化算法。 很好的借鉴作用。 参考文献 苗Ⅱ．Q《20芑至．耋善I筻皓●拇扛簿Q《U+圣瞍S婶匦*嚣农 图8b、图8c反应了速度环的跟踪效果。图8b 为图8c的局部放大，说明了速度环调节的响应速 度，对于无负载3 200 r／min的给定阶跃能在100 ms 内达到稳态。 可看出动态性能良好。 图8d为电流环0．1—0．3 A的方波跟踪响应， 暮描镪。噜 黛4 (a) (b) O O 0 0 ∥s 3 1‘I nr l。 g o． -o． 言； 目 专：： (c) (d) 图8三闭环调试结果 5结语 高稳定性步进电动机细分驱动控制系统的设计与实现 本系统电路简单、成本低、控制精度高、小型化 的特点可满足小型无人机的要求，现已通过某型无 人机的现场联调，试验证明本系统可节约大量联调 36 [1]李月中．电动舵机的集成设计与控制[J]．北京：北京交通大 学．2006(12)：5—30． [2] Myke P∞dl【o著．PIC微控制器基础与实践[M]．科学出版社． 2007． [3]吴春英．某型无人机飞控系统控制律设计与实现[D]．西北工 业大学硕士学位论文，2005． [4] 李学海．PIc单片机实用教程基础篇[M]．北京：航空航天大学 出版社．2007． [5] 李学海．PIc单片机高级实用教程[M]．北京：航空航天大学出 版社，2007． [6]刘仁．PIc软硬件系统设计[M]．北京：电子工业出版社。2005． [7]付丽，刘卫国．单片机控制的多路舵机用PwM渡产生方法 [J]．微特电机，2006，(2)：28—30． [8] 贺灿花．杨向宇．无刷直流电动机模糊神经网络PI控制方法 [J]．微特电机，2005，(8)：24—27． [9] 岑汉彬，杨宜民．足球机器人中电动机控制系统的研究[J]．微 特电机．2005．(1)：11—13． [10]I‘im J H。oh s J．A Fuzzy PID contmuer for nonlinear帅d uncer- tain 8y8tem．S曲Computing，2000(4)：123一129． 作者简介：王志远(1983一)．男，硕士研究生．研究方向为现代 控制理论及应用，从事无人机舵机控制系统研究。 

基于PIC单片机的舵机控制系统设计 作者： 王志远， 闫建国， 孙倩， WANG Zhi-yuan， YAN Jian-guo， SUN Qian 作者单位： 刊名： 西北工业大学,陕西西安,710072 微特电机 英文刊名： SMALL & SPECIAL ELECTRICAL MACHINES 年，卷(期)： 2008，36(10) 0次 被引用次数： 参考文献(10条) 1.李月中 电动舵机的集成设计与控制 2006 2.Myke Predko PIC微控制器基础与实践 2007 3.吴春英 某型无人机飞控系统控制律设计与实现 2005 4.李学海 PIC单片机实用教程基础篇 2007 5.李学海 PIC单片机高级实用教程 2007 6.刘仁 PIC软硬件系统设计 2005 7.付丽.刘卫国 单片机控制的多路舵机用PWM渡产生方法[期刊论文]-微特电机 2006(02) 8.贺灿花.杨向宇 无刷直流电动机模糊神经网络PI控制方法[期刊论文]-微特电机 2005(08) 9.岑汉彬.杨宜民 足球机器人中电动机控制系统的研究[期刊论文]-微特电机 2005(01) 10.Kim J H.Oh S J A Fuzzy PID Controller for nonlinear and uncertain systems 2000(04) 相似文献(2条) 1.期刊论文 王志远.闫建国.孙倩.WANG Zhi-yuan.YAN Jian-guo.SUN Qian 无人机微型舵机伺服控制器及其测试系 统的设计 -航空计算技术2008,38(5) 针对高性能的无人机微型舵机伺服控制系统,介绍了一种基于PIC单片机的高精度舵机伺服控制器及其测试系统.通过操纵测试软件,计算机发出模拟 飞控计算机发送的位置信号,输入以单片机为主控制芯片的舵机控制器,控制功率驱动电路,驱动直流电机,实现伺服控制.控制器软件采用位置、速度和电 流三闭环控制算法,利用模糊比例积分微分(PID)控制算法对位置环进行实时调整,同时在速度环与电流环引入积分分离PI控制算法.实验结果表明,控制器 具有抗干扰性好、响应速度快、精度高和输出力矩大等特点. 2.学位论文 刘学菁 类人机器人运动控制关键技术研究 2008 机器人的研究应用领域不断拓宽，其中类人机器人的研究和应用尤其受到了普遍的关注，并成为智能机器人领域中最活跃的研究热点之一。研制与 人类外观特征类似，具有人类智能、灵活性，并能够与人交流、不断适应环境的类人机器人一直是人类的梦想之一。基于这样的目的，本文阐述了： （1）利用PC机作为上位机，利用PIC单片机作为下位机进行了硬件平台的设计，运用运动学与动力学的基础对机器人多关节运动与移动控制进行了 建模与编程实现。在硬件设计方面，采用了PIC系列单片机对机器人各功能子系统进行控制，其中，通过对舵机的优化控制使机器人具有多关节协调运动 模仿人类动作的能力。 （2）在类人机器人多关节协调运动控制方面，研究了由多电机组合而成的机器人手臂的多关节控制模型，并通过编程实现了机器人对人类动作的学 习和模仿，使机器人动作的流畅以及灵活性得到了解决。 （3）在类人机器人移动问题上，本文提出了一种对传统同轴两独立驱动轮的移动控制新方法，即以其中一独立轮作为圆心（参照点）进行路径规划 ，使机器人的移动控制更加简单，从而使机器人自主移动能力大大提高。 本文提出的新方法在制作成功的类人机器人身上得到了具体实现。 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_wtdj200810010.aspx 授权使用：石家庄学院(sjzxy)，授权号：15828287-cd79-4bdf-838c-9e34011714a2 下载时间：2010年11月20日