基于MSP430 單片機(jī)的光電跟蹤伺服系統(tǒng)的研究方案

　　由于位置式控制算法會(huì)出現(xiàn)積分飽和問(wèn)題。工程中通常采用的消除積分飽和問(wèn)題的方法有限制PI調(diào)節(jié)器輸出的方法、積分分離法和欲限削弱積分法。由于限制PI調(diào)節(jié)器輸出法有可能在正常操作中不能消除系統(tǒng)的余差，而積分法可以在小偏差時(shí)利用積分作用消除偏差。因此本文選用位置式算法的改進(jìn)形式，即積分分離法。

　　采用的PID控制算法的公式如下式（1）所示：4 PID控制算法設(shè)計(jì)PID 算法主要有位置式算法和增量式算法兩類(lèi)。

　　一般增量式算法適用于控制精度要求不高的系統(tǒng)中，位置式適用于控制精度要求較高的控制系統(tǒng)中[4].

　　由于位置式控制算法會(huì)出現(xiàn)積分飽和問(wèn)題。工程中通常采用的消除積分飽和問(wèn)題的方法有限制PI調(diào)節(jié)器輸出的方法、積分分離法和欲限削弱積分法。由于限制PI調(diào)節(jié)器輸出法有可能在正常操作中不能消除系統(tǒng)的余差，而積分法可以在小偏差時(shí)利用積分作用消除偏差。因此本文選用位置式算法的改進(jìn)形式，即積分分離法。

　　采用的PID控制算法的公式如下式（1）所示：

　　PID算法程序流程圖如圖6所示。研究中控制參數(shù)的確定采用先選定控制度，依據(jù)不同的控制度預(yù)設(shè)控制參數(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)輸出波形，調(diào)整控制參數(shù)取值，從而達(dá)到研究期望的控制精度。

　　5 測(cè)試結(jié)果及分析

　　實(shí)驗(yàn)中采用波長(zhǎng)為650 nm 激光作為目標(biāo)物，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中先調(diào)用目標(biāo)搜尋程序，大范圍搜尋目標(biāo)，一旦探測(cè)到目標(biāo)，四象限探測(cè)器即會(huì)有較大電流輸出。通過(guò)磁性判斷轉(zhuǎn)入目標(biāo)精定位及追蹤程序。利用PID 算法配合調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使光斑移至四象限光敏面中心。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

　　本設(shè)計(jì)采用性能優(yōu)越的MSP430F169 作為控制核心。使用MSP430內(nèi)部的A/D模塊以及定時(shí)器模塊能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的多路數(shù)據(jù)采集。外圍電路的設(shè)計(jì)，利用RC濾波器，減小了噪聲對(duì)信號(hào)的影響，同時(shí)利用相位補(bǔ)償技術(shù)消除了自激干擾，使信號(hào)穩(wěn)定輸出。軟件編程部分采用位置式PID算式，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的門(mén)限值之后再加入積分運(yùn)算，這樣就能夠避免積分飽和問(wèn)題，使跟蹤設(shè)備平緩地到達(dá)指定位置。

　　6 結(jié)語(yǔ)

　　本研究方案中采用性能優(yōu)越的MSP430F169 作為控制核心。通過(guò)四象限光電探測(cè)器將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)四象限信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)化成MSP430F169單片機(jī)ADC能夠采集到的電壓范圍，利用PID 算法及相關(guān)轉(zhuǎn)化控制兩路PWM 波輸出控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位跟蹤。通過(guò)使用激光器將定位和追蹤過(guò)程直觀顯示，便于直接觀察。使用MSP430內(nèi)部A/D 模塊和時(shí)鐘模塊能夠快速實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的PID 誤差信號(hào)與PWM波占空比的轉(zhuǎn)換。

　　該研究方案一方面對(duì)四象限探測(cè)器件以及新式低功耗高集成的微處理器的使用和推廣；另一方面探索一種新的機(jī)械對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及為低成本跟蹤系統(tǒng)的研制提供一種可行性方案