基于MSP430 單片機的光電跟蹤伺服系統的研究方案

　　由于位置式控制算法會(huì )出現積分飽和問(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調節器輸出的方法、積分分離法和欲限削弱積分法。由于限制PI調節器輸出法有可能在正常操作中不能消除系統的余差，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控制算法設計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中，位置式適用于控制精度要求較高的控制系統中[4].

　　由于位置式控制算法會(huì )出現積分飽和問(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調節器輸出的方法、積分分離法和欲限削弱積分法。由于限制PI調節器輸出法有可能在正常操作中不能消除系統的余差，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。研究中控制參數的確定采用先選定控制度，依據不同的控制度預設控制參數通過(guò)實(shí)驗輸出波形，調整控制參數取值，從而達到研究期望的控制精度。

　　5 測試結果及分析

　　實(shí)驗中采用波長(cháng)為650 nm 激光作為目標物，實(shí)驗過(guò)程中先調用目標搜尋程序，大范圍搜尋目標，一旦探測到目標，四象限探測器即會(huì )有較大電流輸出。通過(guò)磁性判斷轉入目標精定位及追蹤程序。利用PID 算法配合調節電機轉動(dòng)，使光斑移至四象限光敏面中心。實(shí)驗結果如圖7所示。

　　本設計采用性能優(yōu)越的MSP430F169 作為控制核心。使用MSP430內部的A/D模塊以及定時(shí)器模塊能夠實(shí)現精準的多路數據采集。外圍電路的設計，利用RC濾波器，減小了噪聲對信號的影響，同時(shí)利用相位補償技術(shù)消除了自激干擾，使信號穩定輸出。軟件編程部分采用位置式PID算式，當達到設定的門(mén)限值之后再加入積分運算，這樣就能夠避免積分飽和問(wèn)題，使跟蹤設備平緩地到達指定位置。

　　6 結語(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)四象限光電探測器將光照強度轉化成電流信號，經(jīng)過(guò)四象限信號處理電路轉化成MSP430F169單片機ADC能夠采集到的電壓范圍，利用PID 算法及相關(guān)轉化控制兩路PWM 波輸出控制電機轉動(dòng)，實(shí)現目標定位跟蹤。通過(guò)使用激光器將定位和追蹤過(guò)程直觀(guān)顯示，便于直接觀(guān)察。使用MSP430內部A/D 模塊和時(shí)鐘模塊能夠快速實(shí)現精準的PID 誤差信號與PWM波占空比的轉換。

　　該研究方案一方面對四象限探測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械對準結構設計以及為低成本跟蹤系統的研制提供一種可行性方案