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摘 要：本文主要介绍一种以89C51微处理器为中心的两轴伺服定位系统的设计与实现。
关键词：伺服定位；单片机；DAC2813；增量编码器
1 引言
两轴伺服定位有多种实现方法，如步进电机系统，交、直流伺服系统等。本文介绍一种价格低、功能强的小功率两轴伺服定位系统。该系统采用单片机作为中心控制器，角度位置数据采用价格低廉的增量编码器获得，并且两轴的增量编码器信号可以很方便地同时接入单片机中，形成闭环控制；选用一种双路D/A变换器直接控制两轴的机械运动，除了基本的控制之外，单片机还需要处理必要的键盘输入与数据送显，这使得单片机本身的资源、功能得到了充分的利用与发挥。
2 系统的设计与实现
图1 系统原理框图
如图1所示，系统主要由单片机、双路D/A变换器、功率驱动放大器、电机和测速机、减速器、增量编码器和一些结构部件等组成。工作时通过终端（键盘）给单片机指令，经D/A变换后给功率放大器驱动直流电机运转。电机速度用同轴安装的测速机检测；负载的位置用增量编码器测量，并反馈回计算机，从而形成一个闭环控制系统。
2.1 单片机的选择
由于考虑到程序空间、数据空间需求可能都比较大，单片机选用W78E58-40M，它兼容89C52系列，片上可以提供32KB的程序空间，同时晶振可以高达40MHz，数据存储器采用32KB现代HY62256，在管脚上兼容常用的6264。
在电路中，单片机可以通过跳线选择是80C31或W78E58，数据存储器也可以由跳线选择62256或者6264。这样设计大大增加了系统的灵活性与适应性。
2.2 双路D/A变换器
为了简化系统设计，决定采用BB公司的DAC2813双路D/A变换器作为两轴机械转动的控制接口芯片，DAC2813的两路D/A分别有各自的使能信号-EN1、-EN2。-ENX信号在-WR的协同下，将DB0到DB11的数据写入到内部的输入锁存器当中，为了能够将写入的数据进行D/A转换，还必须送来一个信号-LDAC，该信号在-WR的协同下将输入锁存器的数据打入到DAC锁存器当中，在该锁存器中的数据才被进行D/A转换。
DAC2813可以有两种配置方式：0～10V单极性输出，以及-10V～+10V的双极性输出。采用双极性输出正好可以满足驱动直流电机正、反转的要求。
2.3 测角机构
增量编码器以增量的方式为单片机提供转过的角度，一般来说有3个信号UA、UB、UZ，常采用平衡差分传输。在机械转动的过程中每转过一定的角度，UA、UB就分别输出一个脉冲，如果连续转动，UA、UB则输出连续的脉冲。其时序关系如图2所示。
图2 顺/逆转当中UA、UB的时序关系
增量编码器的角度处理可以通过单片机的外部中断-INTX来实现。将UA接入-INTX，并将中断设成沿触发方式，将UB、UZ分别接入一个I/O口线，并设置一个角度码计数器，该计数器长度应当足以容纳增量编码器的分辨率。
在-INTX中断服务程序当中判断UB的状态：若UB为“1”，则角度码计数器+1；若为“0”，则角度码计数器-1，执行递增/减操作完后中断返回。
这样一个-INTX处理一个轴，而两个外部中断-INT0、-INT1配置恰好处理2轴的角度信号。这种利用单片机中断机制、软硬件相结合的方法处理增量编码器的角度数据，相对于用纯硬件来说具有如下几个优点：不仅可以灵活地处理正转、反转，避免硬件电路设计容易造成的过界不能处理的情况，而且稍加修改就可以针对不同分辨率的增量编码器，适用性较强，电路设计简单、容易。
2.4 键盘和数码显示
两轴伺服定位系统还需要操作键盘和数码显示，系统专门采用了一片8279外接4×4个按键的小键盘，以及2×4个七段码数码管（带小数点），两行数码管分别显示两轴的有关数据。某一时刻系统只能对其中一维进行操作显示，小键盘中的一个切换键在两行数码管间来回切换。单片机每50mS查询一次按键输入状态，遵循“用户第一的原则”。用户操作起来相当友好。直到按下回车键，系统才进入运行状态，对输入的字符串进行分析判断，如果是十进制字符串，并且在允许的范围之内，则将该十进制字符串转换成目标角度码，进行定位操作；如果是连续的3个“.”，则进行扇扫操作。
2.5 定位和扇扫
定位算法采用简洁的比例控制，即定位速度正比于当前角度码和目标角度码之间的差值，随着这一差值逐步缩小到一定范围时，采用斜坡方式将控制电压降到0完成定位。算法框图如图3所示，图中除了带虚框的部分之外，其余为单片机数字控制部分。如果改变软件，将控制算法换成PID控制，系统的定位精度还可以提高很多，实际上比例控制就是PID控制的特例。
图3 定位算法框图
在指定区域进行扇扫时，是匀速扫描，只是在转向交替时，原速度由斜坡过程变换为新的速度。为了方便用户观察和测试，可以通过小键盘对扇扫速度进行4级的调整，其中包括一级停止。
在定位、扇扫的过程当中，单片机除了执行必须的控制程序之外，还要将当前的角度数据动态地显示出来。试验当中可以看到，角度数据在机械转动中实时送显的动态效果较好，单片机实时处理浮点运算能力在这里也得到了很好的证明。
2.6 系统一些特点
2.6.1 系统电路板的配置情况及通用性。系统的电路板进行了合理的配置，共划分为两个电路板：控制板和驱动显示板。控制板包括单片机、增量编码器接口、DAC2813、8279，以及两个串口；驱动显示板包括两轴上的速度闭环、功率放大驱动以及另一部分的小键盘、数码显示管。实际上，该系统的控制板和驱动板分离设计，已经使控制板具有更大的通用性：即控制板可以脱离现有的驱动板，外挂更大功率的直流驱动板，形成大功率的伺服系统。
2.6.2 功能齐备。为了将来可能的需要，伺服系统还设计有一个RS-422和一个RS-232C接口，用户可以通过跳线选择其中一个，和远方微机进行全双工串行遥控，效果和直接在伺服系统上操作完全一摸一样，这时候微机上的键盘完全等效于伺服系统面板上的小键盘。
2.6.3 易拆卸性。伺服系统控制箱体积小、重量轻，和机械结构之间由一根可以拆卸的电缆线连接，随用随接，两轴上的接线设计保证不会接错。不用时将电缆从两端拔掉，控制箱体、连接电缆随时携带，非常方便。
3 结论
系统所有功能在试验当中经过严格测试，工作稳定可靠。通过该两轴伺服定位系统的设计与实现，对单片机在数字控制领域内的作用有了具体的、比较实际的认识。由于单片机具有足够的程序空间和数据空间、高级语言支持浮点运算，本身擅长的通用逻辑运算，足够的速度、较高的性价比，相信基于单片机的数字控制系统将会在越来越多的场合得到应用。
参考文献
[1]《BURR-BROWN IC DATA BOOK 1994 DATA CONVERSION PRODUCTS》.
[2]陈启宗.线性控制系统的分析与综合[M].北京：国防工业出版社，1982.
[3]孙涵芳，徐爱卿.MCS51/96系列单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，1988.
关键词：伺服定位；单片机；DAC2813；增量编码器
1 引言
两轴伺服定位有多种实现方法，如步进电机系统，交、直流伺服系统等。本文介绍一种价格低、功能强的小功率两轴伺服定位系统。该系统采用单片机作为中心控制器，角度位置数据采用价格低廉的增量编码器获得，并且两轴的增量编码器信号可以很方便地同时接入单片机中，形成闭环控制；选用一种双路D/A变换器直接控制两轴的机械运动，除了基本的控制之外，单片机还需要处理必要的键盘输入与数据送显，这使得单片机本身的资源、功能得到了充分的利用与发挥。
2 系统的设计与实现
图1 系统原理框图
如图1所示，系统主要由单片机、双路D/A变换器、功率驱动放大器、电机和测速机、减速器、增量编码器和一些结构部件等组成。工作时通过终端（键盘）给单片机指令，经D/A变换后给功率放大器驱动直流电机运转。电机速度用同轴安装的测速机检测；负载的位置用增量编码器测量，并反馈回计算机，从而形成一个闭环控制系统。
2.1 单片机的选择
由于考虑到程序空间、数据空间需求可能都比较大，单片机选用W78E58-40M，它兼容89C52系列，片上可以提供32KB的程序空间，同时晶振可以高达40MHz，数据存储器采用32KB现代HY62256，在管脚上兼容常用的6264。
在电路中，单片机可以通过跳线选择是80C31或W78E58，数据存储器也可以由跳线选择62256或者6264。这样设计大大增加了系统的灵活性与适应性。
2.2 双路D/A变换器
为了简化系统设计，决定采用BB公司的DAC2813双路D/A变换器作为两轴机械转动的控制接口芯片，DAC2813的两路D/A分别有各自的使能信号-EN1、-EN2。-ENX信号在-WR的协同下，将DB0到DB11的数据写入到内部的输入锁存器当中，为了能够将写入的数据进行D/A转换，还必须送来一个信号-LDAC，该信号在-WR的协同下将输入锁存器的数据打入到DAC锁存器当中，在该锁存器中的数据才被进行D/A转换。
DAC2813可以有两种配置方式：0～10V单极性输出，以及-10V～+10V的双极性输出。采用双极性输出正好可以满足驱动直流电机正、反转的要求。
2.3 测角机构
增量编码器以增量的方式为单片机提供转过的角度，一般来说有3个信号UA、UB、UZ，常采用平衡差分传输。在机械转动的过程中每转过一定的角度，UA、UB就分别输出一个脉冲，如果连续转动，UA、UB则输出连续的脉冲。其时序关系如图2所示。
图2 顺/逆转当中UA、UB的时序关系
增量编码器的角度处理可以通过单片机的外部中断-INTX来实现。将UA接入-INTX，并将中断设成沿触发方式，将UB、UZ分别接入一个I/O口线，并设置一个角度码计数器，该计数器长度应当足以容纳增量编码器的分辨率。
在-INTX中断服务程序当中判断UB的状态：若UB为“1”，则角度码计数器+1；若为“0”，则角度码计数器-1，执行递增/减操作完后中断返回。
这样一个-INTX处理一个轴，而两个外部中断-INT0、-INT1配置恰好处理2轴的角度信号。这种利用单片机中断机制、软硬件相结合的方法处理增量编码器的角度数据，相对于用纯硬件来说具有如下几个优点：不仅可以灵活地处理正转、反转，避免硬件电路设计容易造成的过界不能处理的情况，而且稍加修改就可以针对不同分辨率的增量编码器，适用性较强，电路设计简单、容易。
2.4 键盘和数码显示
两轴伺服定位系统还需要操作键盘和数码显示，系统专门采用了一片8279外接4×4个按键的小键盘，以及2×4个七段码数码管（带小数点），两行数码管分别显示两轴的有关数据。某一时刻系统只能对其中一维进行操作显示，小键盘中的一个切换键在两行数码管间来回切换。单片机每50mS查询一次按键输入状态，遵循“用户第一的原则”。用户操作起来相当友好。直到按下回车键，系统才进入运行状态，对输入的字符串进行分析判断，如果是十进制字符串，并且在允许的范围之内，则将该十进制字符串转换成目标角度码，进行定位操作；如果是连续的3个“.”，则进行扇扫操作。
2.5 定位和扇扫
定位算法采用简洁的比例控制，即定位速度正比于当前角度码和目标角度码之间的差值，随着这一差值逐步缩小到一定范围时，采用斜坡方式将控制电压降到0完成定位。算法框图如图3所示，图中除了带虚框的部分之外，其余为单片机数字控制部分。如果改变软件，将控制算法换成PID控制，系统的定位精度还可以提高很多，实际上比例控制就是PID控制的特例。
图3 定位算法框图
在指定区域进行扇扫时，是匀速扫描，只是在转向交替时，原速度由斜坡过程变换为新的速度。为了方便用户观察和测试，可以通过小键盘对扇扫速度进行4级的调整，其中包括一级停止。
在定位、扇扫的过程当中，单片机除了执行必须的控制程序之外，还要将当前的角度数据动态地显示出来。试验当中可以看到，角度数据在机械转动中实时送显的动态效果较好，单片机实时处理浮点运算能力在这里也得到了很好的证明。
2.6 系统一些特点
2.6.1 系统电路板的配置情况及通用性。系统的电路板进行了合理的配置，共划分为两个电路板：控制板和驱动显示板。控制板包括单片机、增量编码器接口、DAC2813、8279，以及两个串口；驱动显示板包括两轴上的速度闭环、功率放大驱动以及另一部分的小键盘、数码显示管。实际上，该系统的控制板和驱动板分离设计，已经使控制板具有更大的通用性：即控制板可以脱离现有的驱动板，外挂更大功率的直流驱动板，形成大功率的伺服系统。
2.6.2 功能齐备。为了将来可能的需要，伺服系统还设计有一个RS-422和一个RS-232C接口，用户可以通过跳线选择其中一个，和远方微机进行全双工串行遥控，效果和直接在伺服系统上操作完全一摸一样，这时候微机上的键盘完全等效于伺服系统面板上的小键盘。
2.6.3 易拆卸性。伺服系统控制箱体积小、重量轻，和机械结构之间由一根可以拆卸的电缆线连接，随用随接，两轴上的接线设计保证不会接错。不用时将电缆从两端拔掉，控制箱体、连接电缆随时携带，非常方便。
3 结论
系统所有功能在试验当中经过严格测试，工作稳定可靠。通过该两轴伺服定位系统的设计与实现，对单片机在数字控制领域内的作用有了具体的、比较实际的认识。由于单片机具有足够的程序空间和数据空间、高级语言支持浮点运算，本身擅长的通用逻辑运算，足够的速度、较高的性价比，相信基于单片机的数字控制系统将会在越来越多的场合得到应用。
参考文献
[1]《BURR-BROWN IC DATA BOOK 1994 DATA CONVERSION PRODUCTS》.
[2]陈启宗.线性控制系统的分析与综合[M].北京：国防工业出版社，1982.
[3]孙涵芳，徐爱卿.MCS51/96系列单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，1988.