单片机和CPLD的望远镜伺服控制器设计

2．4 其他电路
转台上的限位信号、功率级的故障信号、外部逻辑数字信号等输入到CPLD，进行相应的逻辑处理(如输出使能和停止)，从而达到对电机的有效控制和保护。

3 控制算法实现
在控制算法的实现上采用内模控制。其设计思路是将对象模型与实际对象相并联，控制器逼近模型的动态逆。对单变量系统而言，内模控制器取为模型最小相位部分的逆，并通过附加低通滤波器增强系统的鲁棒性。模型和被控对象模型精确匹配时，控制系统的输入等于输出。内模控制能够清楚地表明调节参数和闭环响应及鲁棒性的关系，内模控制器的动态特性取决于内部模型与被控对象的匹配情况。

内模控制原理框图如图5所示。其中，GP(s)为控制对象*****为内部模型，GIMC(s)为内模控制器，Gd(s)为外界干扰模型；x、u、y分别为给定输入、控制量、对象输出，d为外界干扰。在工业过程中，与经典PID控制相比，内模控制仅有一个整定参数，参数调整与系统动态品质和鲁棒性的关系比较明确，故采用内模控制原理可以提高PID控制器的设计水平。由于参数调节简单，此算法利于单片机程序实现。
大型光电望远镜属于大惯量系统，机械时间常数远大于电气时间常数，故可忽略电气时间常数的影响。对象的速度传递函数可简化为：

式中，Tm是机械时间常数，K是增益。因此可以选择内模控制器为：

式中，λ是滤波器参数。如图5所示，点画线内的部分可等效为反馈控制器：

当模型匹配时，存在内模控制系统闭环为一惯性环节。它的时间可以依据需要进行调节，λ值小有利于动态性能，λ值大则有利于增强鲁棒性。对于内模控制器输出不饱和而言，其等效于反馈控制器PI，因而，系统对阶跃输入和阶跃扰动的稳态误差为零，其抗干扰能力与常规PI完全一致。采用增量式PID控制算法，控制变量为：

式中，ek为第k步时刻速度误差，Ts为采样周期，μ(k)为当前控制量输出。

4 实验结果
采用基于高速单片机C8051F120和CPLDEPM570T100设计的伺服控制器硬件平台，实现大型望远镜转台的速度控制，驱动功率级采用H桥双极性功率放大器，反馈采用直径为413 mm的圆光栅，栅道64800，细分1000，分辨率为0．02／s，采样周期1 ms，控制回路计算时间测得为120μs，包含圆光栅数据读取时间。望远镜的一转台的速度传递函数为：

利用板上的通信口发送实际的速度值(波特率115200bps，1ms发送1次)，由上位计算机记录数据，测得的速度响应曲线如图6所示。起始阶段电机以20／s的低速度运行，中间升至1800／s，最后达到3600／s，可见每个阶段的速度都非常平稳。在实际数据处理时，需要对零
位信号时刻的圆光栅数据进行处理，因该光栅有零位信号输出，计算速度时要进行合理的辨别方向和大小分析处理。

结语
本文采用高速单片机和CPLD组成望远镜伺服控制器，实现了圆光栅四倍频细分电路、计数模块以及电机PWM驱动控制信号产生，并用单片机实现了内模控制算法、LCD显示和数据通信等功能。最终通过实验验证了该系统的可行性。