（系统工程专业论文）基于DSP的数字伺服系统研制及控制算法的研究.pdf

abs tract withth e a p p l i ca ti on ofhi gh一 t e c h incrui 货而ss il es ， s te a l thai r 派武 姚erw ea pon s ， u n m a n n edai rc 招 政 ， 口 吐 肚 5 ， th e ta rg e t i d enti 尔n g c apa b i li ti es ， h l d in g d e gr eeand a t ta c k i n g acc u ra c y are l m p ro v edsogrea t 1 y th atth e requ es t for s e rv o sy s t e minair d e fe 钊 沁s y s t e m s h o u l d b e hi g h erand n e w e r b as ed泥e l 忱 “ 。 m e c h ani 司 i n 沈 gr a ti onand au t o m a 血c ontl o 1 t ec 恤of o gyan d b d ngasth e o rg 俪c pr 冈u c s e r y o s y s te mh asa v ery b r o adpr o s 详 以an d， and th e res已 江 c h b e c o l n esa h o t s pet . f ir s ti y，th e p aperel abo ra tes g e n 曰 忍 】 d es i gn for th e d s p 一 b as eddi gi tal s ery。卿s t 曰 刀 . n 五 s paper elab o ra t esthe d s p 七 韶 曰di gi 妞s e rv o sys比 m .s ovo ra l l s tl u c 皿 ， 胡d b as edon the system o u tput ca paa tyl 闪 u 价叱， 山 的父 s r are一 叭 h pe ent 珊卯e t brush less s ync 知 图 n ouss e r y omo tor and面v er; th en 即c o rd i n gtoth ep r 。 匀 滋 on of th esy s t e m 化 q u 湘m e n ts ， c h oose s a dual -c h a n 叭 elro t a l y tl 妞 il s fo rm曰 rsand ro t a ryenc ede r com b in a t j o n ofd e te c t i on d e v i ces; 6 n ally，in tr edu 渭 the d es i gn ofd s ps e rv osyst e m ， and阳ai y ses 5 曰 ， o co o tr o n er.the saln p l i n g con 。 习 i c 任 c ll 讯th e o u 甲 u t c o n tr o i c u u it an d the pe n p h er al 访t “角优 d r c u l t b ase don the n ” a c o n tr o 】 l ert m3 2 0 f206. s eco n d l 苏而s p a p e r p n 落 entsa so ft w ar e d es i gn b as e d on d s p d i 乡 tals e r v o s y s t e n 上 the c o n trol so ftware o f s ervo s ys 比 mc o n 妞 】 i s c o m pos e d o f the n l 刃 卫 l si gnala c q u i s in on 朋ds end i n g ， d a tap r ocessi n gandcon 仃 0 】 川 g o ri th mc o m 详 拍 eno . si gnaicou ecti ng and 哭 n d in g i n c 】 u d esthe i n fo n 刀 口 ti one x c h an 罗inc o m p u t 日 rsand posi 石 o d d ata c ollec ting;dsta p r o c es s in gissaln p l in gandfi 】 泊 初gki n ds ofsi gn出; co n trol at g oritb n l c h arges th e c 习 c u l 如ononc ontroili n g p 肚 ts . t 址 r d l y.it m ak esa d e ta i l eds 加 dyincon tr 劝 l al gori l h lllc onc e n ” 习 g the hi ghac cura c y 翻 d hi gh即 eed ofdsp 七 璐 目山 91 血sery o sy s t 。 残m ak esa c o m p aj 吧 b e 。 刃 e e n the n 绍 u lts 丘 。 mti 习 d i 五 。 几 目p id al g o n t 知 ms l 立 lu l ationand in te 伍 g ent p idal g o n 比 口 1 5 加u 】 a ti o n ， 皿d it s h o ws t h attr 司l ti o nal p idal gori t 加 叮can not m e e t performancecrit eri几 r n ally， inthe 鱿 tu altes仁toac 址 ev e th e v arious 吹hnical indi c a to rs ， th e sy s t e mu ses 加 t e llj g e n t p d ai g o n th m， 丘 笼 dfo ，aj 对co卿 pe nsation toco口 p lex 咖 。 叹al g orith n ls to a c h i eveth e taxg ets， 叨 ds ystem ，s叨 刀 tl o l accu 农 yism 甲 r o v ed si g 硒cand y，andthe sys t e mperfo ceisgr ea t l y e nhanc ed. 仕 a c 瓦 由 gall kinds of typi cai si gn山， the 压91 以 s eryos ys te m h a v ea c hi ev目 幼巨 s fact o rycon tr 0 1 e 西 比 仁 w hi c h ru 刀 5 函l y add m 茂 ts众 加 ni o al 众 习 u 派 油e n ts . k e 卿or ds: 5 。 四 o s y s t ef 氏d sp，b te lli g ent p id. 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的 研究成果， 尽我所知， 在本 学位论文中， 除了加以 标注和致谢的部分外， 不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的 学位或学历而使 用过的材料。 与我一同工作的同 事对本学位论文做出的 贡献均己 在论文 中作了明确的说明。 研 。名 遨蟀加 夕 年 2 月 / 口 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以借阅或 上网公 布本学 位论文的 部分或全部内 容， 可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的部 分或全部内 容。 对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研 究 生 签 名 : 画车一 呵年 2 那 “ 日 硕士论文基于d s p 的数字 伺服系统研制及控制算法的研究 1 引言 l l工程背轰 随着现代科学技术日 新月异， 特别是微电子、 计算机、 电子半导体和电机制造技 术在军事领域的 广泛应用，各种用高新技术武装的巡航导弹、隐形飞机、激光武器、 无人驾驶侦察机、 雷达不断涌现， 其目 标识别能力、 隐蔽程度、 攻击能力、目 标命中 精度均大大提高，因 此， 对防空体系中的伺服系统提出了 更高、更新的要求。当今， 在防空体系中， 对雷达天线的自 动瞄准跟踪控制， 高射炮、 战术导弹发射架的瞄准运 动控制， 防空导弹的制导控制等伺服系统而言， 必须具有很高的角速度、 角加速度和 跟踪精度， 具有良 好的快速性和动态品质， 具有很高的可靠性和可维护性，以 及与其 他武器协同作战，才能担负起未来战争中 对空作战和防御的任务. 国外发达国家在复杂武器系统研制上起步比我国早， 目 前已 研制出的近程反导高 炮系统己 有十余种之多，其中美国、意大利、荷兰、瑞士、俄罗斯等国均走在前列。 如:俄罗斯亚速海光学机械制造厂和诺德尔曼国家精密机械设计局联合研制推出的 “ 斑蛙蛇” 防空导弹系统， 性能指标已 臻国际一流; 美国波音公司 单独研制的“ 复仇 者” 防空导弹系统在海湾战争中尽显神威;舰载系统尚有意大利、瑞士联合研制的 “ 米瑞德” 系统; 这些反导武器的伺服系统均具有高速度、 高加速度、 高精度的特点， 而我国在小高炮的交流数字随动系统的研制上， “ 以矢量控制变频调速异步机” 和“ 自 控式变频同步电动机” 代替“ 直流p w m驱动双永磁直流电 动机” 为执行电机， 大大 提高了系统的性能指标。 尽管我国在这方面取得了喜人的成绩， 但与世界先进水平相 比仍存在较大差距。 为了 缩小与世界先进水平的差距， 更好地缩短伺服系统的研制时间， 开发出性能 更优越、 精度更高的自 动瞄准跟踪控制、 高射炮发射架的瞄准运动控制、 战术导弹发 射架的瞄准运动控制、 防空导弹的制导控制等伺服系统己 经成为当今一个非常重要的 课题。 而在伺服控制领域中， 由于武器发射时冲击干扰力矩及不同的转动惯量负载情 况下对伺 服系统的动、 静态性能都会带来一定的负面影响， 而 研究武器发射时冲击干 扰力矩、 摩擦力矩和转动惯量等因 素 对伺服系统的精度、 快速性和准确性的影响， 对 提高伺服系统的 实用性 有着重要的 意义. 本文研究主要是围 绕建 立稳定的 数字伺服系 统实验平台的 研制而展开的， 组建一 个集测试、 伺服控制、 模拟加载为一体的数字伺 服实验室，在智能加载系统模拟火炮发射情景下，研究智能加载系统冲击千扰力矩、 摩擦力矩和转动惯量等因素对数字伺服系统的精度、 快速性和准确性的影响， 通过对 伺服系统的 研究， 不仅可以 用来检验伺服系统的 抗干扰能力， 而且还可以 验证控制算 法的实用性， 为进一步提高伺服系统性能提供了简单有效的 试验手段， 所以 数字伺服 系统实验台的设计显得尤为重要。 i 引言 硕士论文 1 2伺服控制技术的 发展概述 伺服控制技术是决定伺服系统性能好坏的关键技术之一， 是国外伺服技术封锁的 主要部分。 伺服控制技术的 发展经历了 交磁电 机扩大机系统、 磁放大器控制、 晶体管 控制、 集成电 路 控制、 计 算机控制的 过程 问 . 当前， 在工业控制过程中一些常规的模拟控制装置仍然应用比 较广泛， 这些常规 的模拟控制装置虽然对控制信号响应很快， 但是存在如下致命缺点， 限制了在高精度 伺服系统中的应用: 对微弱信号信噪分离困 难，很难将控制精度提高到更高的级别; 模拟器件的 工作状态极易受温度漂移的影响， 使位置控制产生零点漂移误差; 由 于模 拟伺服控制系统基本上是由 硬件器件组成， 不能发挥软件的优势， 很难应用现代控制 理论的某些成果来改善伺服系统的性能，因 此难以 满足很高的性能要求。 近年来， 随着大规模集成电路的发展， 构成伺服控制系统的重要组成部件一一伺 服元件( 如 位置、 速度等检测元件) 也都趋于 数字化、 集成化，如各种轴角编码器和数 字式测速元件等在交流伺服系统中 得到广泛应用。 尤其是在计算机技术和现代微电子 技术日 新月 异的 今天，一些新型的高 速处理器，如:16 位单片机、 数字信号处理器 等己被广泛地应用到了数字伺服系统中。 这些处理器的集成度高， 片内资源丰富、 可 靠性好， 运算速度和片内 存储器容量成倍地增加， 目 前使用广泛的 数字信号处理器的 单周期指令执行时间一般为几十纳秒或更小，片内具有几千字节或更大的存储空间。 处理器运算速度和数据吞吐量的提高， 使得在短时间内处理大量数据成为可能， 一些 复杂的控制算法便能够应用到伺服系统中去。以前一些先进控制算法如模糊控制算 法、 神经网络控制算法、自 适应控制算法等， 因处理器处理能力不足在数字伺服系统 中一直没有找到用武之地，而现在己经有一些智能控制算法应用到了实际系统中。 总得来说， 随 着控制理论和大规模集成电路的进一步发展， 伺服系统中更多的功 能将由软件来实 现， 集机械设计、电 机控制、电 力电 子、 伺服控制、 运动控制、 程序 设计、 网络通讯协议、 噪声抑制、 实际 应用等多项技术于一身， 是以 机电 一体化、自 动控制技术为主体， 多个学科结合的有机产物， 其核心技术在于整合微电子与电力电 子技术实现 伺 服 控制技 术， 具有非 常广阔的 应用前景， 其 研究已 成为 热点 12 。 1 3本论文的主 要工作 本课题源于x x国防科工委研究生创新基地建设项目 伺服系统研制子项目， 也是 我校 “ 211 工程” 建设 “ 兵器控制科学与工程” 学科 “ 指挥与控制系统” 实验室建设 项目 ， 主要任务是: 组建一个集测试、 伺服控制、 模拟加载为一体的 数字伺服系统实 验室。本文主要 对数字伺服系统实验台进行了 研制。 作者参与了 数字伺服系统的总体设计， 并设计制作了 一套完整的 伺服控制器硬件 硕士论文 荃于d s p的数字伺服系统研制及控制算法的研究 电路，主要包括d s p 处理器电路、 采样控制电路、 输出控制电路和其它外围电 路等。 同时， 针对数字伺服系统的具体要求研究了相应的控制算法， 通过对控制算法进行仿 真， 验证了算法的可行性。 最后， 对数字伺服系统进行了调试， 达到了性能指标要求。 本文的主要工作如下: 第1 章: 引言主要给出了工程背景及伺服控制技术的发展概述， 介绍了课题的来 源和本文的主要研究内容; 第2 章: 基于d s p 的数字伺服系统总体设计。 主要给出了 基于d s p的数字伺服 系统总体结构， 并从系统应有的输出能力要求出发， 选定伺服电机和驱动器并设置参 数:然后从系统精度要求出发，选择和设计检测装置; 第3 章: d s p伺服控制器的总体设计。围绕主控芯片t ms 3 20尺06 详细阐述了 伺服控制器及采样控制电路、输出 控制电 路及外围电路的设计; 第4 章: 基于d s p 的 数 字伺服 系 统软 件的 实 现。 主 要给出了 系统的 软件结构， 在此基础上， 详细阐述了系统的主程序、中断服务 程序、子程序的流程; 第5 章: 系统控制算法设计。 着重阐述了 智能p id算法和复合控制算法的思想， 结合系统的特点设计出智能p id 和复合控制相结合的控制算法，并就常规 p id 算法 和智能p id算法进行仿真研究: 第6 章: 系统调试的实验结果及其分析。 介绍了系统调试的过程和实验结果， 并 对结果进行了分析说明。 最后， 总结论文的工作， 并结合自己的体会， 对进一步研究工作提出一些想法和 展望。 硕士论文基于d s p 的数字伺服系统研制及控制算法的研究 2 基于dsp的 数字伺服系统总体设计 总体方案设计是伺服系统达到性能指标要求的关键部分。本章详细阐述了基于 d s p的数字伺服系统122 的总体设计方案，并从系统的输出能力、 精度、快速和稳定 性的要求出发，确定基于d s p的数字伺服系统各部元件的选型。 2. 1基于dsp 的 数字伺 服系统总体设 计 方案 本项目 是为x x国 防科工 委研究生创新基地建设项目 伺服系统研制子项目 ， 主要 任务是研制一个采用 d s p为控制器的、界面友好、 操作便利、能灵活设计控制算法 的伺服系统实验台。 采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机(ds p)的伺服控制单元将全面代替 以模拟电子器件为主的伺服控制单元， 并与伺服电机组建位置闭环系统， 与监控测试 平台 正常通讯， 实现伺服控制， 达到规定的性能指标要求11 。 2. l i教字 伺服系 统的 技术 指标 本节主要介绍系统的技术指标要求，该技术指标要求由创新实验基地负责提供. 主要技术指标如下: a) 阶跃响应: 1 5 (x) 而1 52 5 半振荡次数 5 2 b) 等速响应: 最大跟踪速度:七 50als 最大 跟踪加 速度:七 卯叮 护 最小稳定跟踪速度:刃.5 015 跟踪精度: 。 夕一0 面1 ( 。 为 均方根差) 贬l o n lil (m 为 静态误 差 ) c) 正弦响应: t=9. 4i sz a=1 5 一叨 t=1 1 9ls2 a=1 2 一00 跟踪 精度:述3 众 正 1 (o为 均 方 根差 ) 2. 1 2效字伺服系统的组 成和原理 伺服系统种类繁多， 但是基本组成大体相同， 一个典型的数字伺服系统组成框图 如图2. 1 . 1 所示， 其主要由以下几个部分组成:数字伺服系统测试仪、被控对象、伺 基于o s p的 数字伺服系统总体设计硕士论文 服电 机、功率驱动模块、控制器以 及检测与反馈模块等组成tll . 图2 . 1 1 数字伺服系统组成框图 为了 达到系统的 性能 指 标 要求， 系 统的 总 体方案设 计便显 得十分重要。 本项目 的 设计思想: 数字伺服系统测试仪根据监控测试软件的角度指令信号和测角传感系统 ( 旋转变压器与 轴角编 码钧检测到的 位置反 馈 信号( 当 前角 度 信号 ) 之间的误差角， 以 一定的控制算法计算得出控制量， 输出 相应的电压模拟控制信号给电 机驱动器驱动电 机，带动负载运动. 对伺服系 统的 组 件选型 上 进行了 精心 挑 选: 采 用转动惯 量 小、 功率密 度大、 过载 能力强、起制动性能好的交流同步电 动机和相应的驱动器组成速度环控制电机的转 速; 采用双通道旋转变压器和抗干扰能力强的轴角编码器组成位置环; 选用d s p控 制器实现信息处理、 数字化控制及并行通讯等功能。 2. 1 3效字伺服系 统的 总体结 构 图2 1 .2 总体结构框图 硕士论文基于dsp 的 数字伺服系统研制及控制算法的研究 本项目 采用的总体结构如图2. 1 .2 所示: a) 伺服控制器: 主要采集数字伺服系统测试仪发出 的指令信号， 采集旋转变压 器检测到的实际架位信号，通过控制律的计算，得出 控制量， 送入驱动器; b) 执行通道: 驱动器接收到 伺服控制器的 信息， 驱动电 机， 使电 机带动负载跟 踪数字伺服系统测试仪发出的指令信号运动; d) 反馈通道: 将负载的实际 位置信息反馈通过旋转变压器检测， 将实际架位信 号返回伺服控制器。 1 1 月数字祠服系统的 关键技术及难点 基于d sp 的数字伺服系统所能够达到的性能指标与系统硬件和软件的设计有着 十分密切的 关系，以下几个方面对性能的影响尤其显著。 a) 检测装置和输出 控制元件的 选型。 系统 控制精度是最重要的技术指标之一， 决定系统控制精度主要是系统中的检测装置和输出控制元件， 系统中的检测装置对误 差能分辨， 并提供出有效的信号， 而通过处理器得到的 控制信号的输出精度的高低决 定了系统控制精度的准确程度. 本系统在提高系统测量精度上采用了双读数的方法 ( 粗精组合的方法) 来提高系统的综合精度。 均 伺服电 机和d s p处理器的 选型。 一系统的 快速性也是最重要的技术指标，决 定系统的快速性主要是系统中的伺服电机和d s p的选型，伺服电机作为伺服系统的 执行元件，应该能方便地实现连续地、平滑地、可逆调速;而d s p处理器对控制信 号处理的反应快捷，才能保证整个系统带动被控对象所需要的规律运动; c) 伺服系统控制算法的设计。控制算法的好坏直接影响着伺服系统的各项性 能， 依据系统的实际情况， 确定了智能化的控制方案， 即采用智能 控制的思想改造常 规的p id控制，并加入前馈补偿复合控制算法，改善系统控制精度，提高系统性能. 2 2墓于璐p的数字伺服系统 主要元件的 选型 在数字伺服系统的 静态设计过程包括对执行电 动机及传动装置的确定、 测量元件 的选择、 功率驱 动模块的选择与设 计， 其目 的是初步确定系统的 主要结构以 及各组成 部分 特性、 参数， 稳态设计的 结果 确定了 系 统的 控制能 力 【 1 刀 。 根据基于d s p的数字伺服系统总体方案设计的实际需要 对主要元件进行选型。 首先从系统应有的输出能力要求出 发， 选定伺服电 机和驱动器并设置参数; 再从系统 精 度要求出 发， 选择和 设计检 测装 置冈 。 2 2 )伺服控制器 伺服控制器是伺服系统的 控制核心部分。 在研制伺服 控制器时， 在研究集数字控 制器、 高速数据处理为一体的计算机控制系统必须考虑到系统一体化的要求，采用优 7 基于d s p 的数字伺服系统总体设计 硕士论文 化设计和模块设 计的思想， 运用成熟的电 气技术， 降低硬件器件制作、 采购的成本和 研制的风险， 并兼顾后续研制 阶段的 工作。 本系统的计算机控制系统由以下模块组成: a) 处理器控制模块: 包含t m s 320 尺06d s p 微处理芯片、 外设的r a m芯片选 用62研系列， 8 位邓k静态r a m组成的 可以 与外围设备进行数据交换的处 理器模 块。 句 采集控制模块: 采用两片轴角编码芯片 12x s z ， 得到角位置值， 分辨率为 1 2 位。 c) 看门 狗模块: 采用m a x 州公司的m a x 6 3 0 3 芯片。 对一些在因 软件发生问 题而出现“ 跑飞” 或 “ 死机” 现象， 而其本身又无法进行复位操作的电路板中， 看门 狗芯片能够重新启动程序，使系统能够运行。 d) 输出 控制模块: 该 模块采用美国a d公司的a d 7 67芯片， 它是12位的数字 量转换模拟量模 块， 具有片内 放大输出，高稳定性的参考大压，高速写入周期。 具体的设计 在后面的 章节中 详细介绍。 2 2 )执行电 机的 选择一一 稀土 永盛同 步交流 无 刷伺服电 机 伺服系统的设计通常从选择执行电 机开始. 作为伺服系统的执行元件， 应该能方 便地实现连续地、 平滑地、 可逆调速; 对控制信号处理的反应快捷， 才能保证整个系 统带动被控对象所需要的规律运动。 机。 目 前， 广泛用作伺服电 机的 交流电 机主要有鼠 笼式异步电 动机和永磁式同 步电 动 稀土永磁同 步伺服电 机是由 绕线式同 步电 机发展起来的， 其结构与绕线式同 步电 动机基本相同， 在结构上采用高 剩磁感应、 高 矫顽力， 转子上采用稀土永磁材料励磁， 如杉锢(s m c o ) 合 金、 钦铁硼( n d f e b ) 合金。 定子由 三相绕组以 及铁心构成， 并且电 枢 绕组常以y型连接;在转子结构上，稀土永磁同 步伺服电机用永磁体取代电 励磁， 从而省去了励磁线圈、 滑环和电 刷， 可比 直流电动机的外形尺寸减少1 甩， 重量轻60%， 转子惯量小到直流电 动机的1 15，结构简单，维护方便， 运行可靠，且效率和功率因 数比同 容量异步电 动机都有 较大幅 度的 提高 同 . 稀土永磁式同 步电 动机采用自 控变频调速控制方式， 传统直流电 动机电 枢里面的 电 流本来就是交变的， 电 机的 磁极是静止的， 而电 枢则是个旋转的 交流绕组， 其交流 电 流由 直流电 源经电刷和换向 器提供， 电刷相当于磁极位置检测器， 换向 器是 一台机 械式的逆变器. 稀土自 控式变频同 步电 动机则是磁极旋转而电 枢静止， 由 磁极位置检 测器控制电力电 子逆变器给电 枢供电。 这里 用电 子逆变器代替了 直流电 动机的 机械式 逆变器， 其优越性是非常明 显的。 自 控式变频同步电 动机具有直流电 动机的调 速特性， 在整体性能上又优于传统的直流电 动机， 因而采用自 控式变频同步电动机所构成的 伺 硕士论文基于d s p 的数字伺服系统研制及控制算法的研究 服分系统的低速平稳性要明显优于以往的直流伺服系统。 针对伺服系统实验台的高稳 定性、 高可靠性、 高精度性的 特点， 采取当 今流行的交流驱动， 选择稀土永磁同步交 流无刷伺服电机作为驱动元件. 目 前生产这种电 机和变频器的公司有美国科尔摩根公司、 德国西门子公司和日 本 松下公司等， 它们所生产的产品其性能均不相上下， 但美国科尔摩根公司公司所生产 的小功率电机种类较多， 价格也较为便宜， 因此电 机选择该公司生产的 全数字式交流 伺服系统. 经试算并结合实际情况， 选择k o l l m o r g e n科尔摩根公司的产品， 型号为m 一 2 0 7 一 c ， 是中 等惯量的永磁同 步交流无刷伺服( b ru s 坦 岛 s s ervomo tors ) 电 动机。 电 动 机的主要性能参数: a) 功率:p = 2 .s k w 的 最大转速: n 科以 为 r p m一 c) 持续力矩: m二 6 .4n ， m d) 最大力 矩: m = 1 2 石n 一 m e) 连续电 流: 1=1 0a 力 最大电压:u 二 2 5 0 v 9) 转 动 惯 量 : j=0一ools k gmz b) 静摩差: 卜0 . lln 一 稀土永磁同步伺服电机的速度与扭矩关系的示意图如图2 .2. 1 所示: 5 0 00 4 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 l 0 0() 2 3 k w (3翻 呻) 芝山出 侧瑕口叫田白5 c 如山 扣. 加钾2 0 此 口t 以加1 扣en! 加岛肋此 024681 01 2 1 4 t o rque扭 矩 困一 m ) 图2. 2 1 速度与扭矩关系的示意图 2 j 3祠服电 机驭动器的 选择 硕士论文 基于dsp 的 数字伺服系统研制及控制算法的研究 以实现位置反馈. 2 2 .4.1旋转变压器 位置检测装置一般采用高分辨率的 旋转变压器、光电 编码器、磁编码器等元件。 磁编码器依靠磁极变化检测位置， 目 前正处于研究阶段， 其分辨率较低: 光电编码器 分为增量式和 绝对式， 较其它检测元件有直接输出 数字量信号， 惯量低， 低噪声， 高 精度， 高分辨率， 制作简便， 成本低等优点; 增量式编码器结构简单， 制作容易， 一 般在码盘上刻a 、 b 、 2三道均匀分布的刻线，由 于其给出的位置信息是增量式的， 当应用于伺服领域时需要初始定位: 格雷码绝对式编码器一般都做成循环二进制代 码， 码道道数与二进制位数相同， 格雷码绝对式编码器可直接输出转子的绝对位置， 不需要测定 初始位置， 但其工艺复杂、 成本高， 实现高分辨率、高精度较为困 难。 旋 转 变 压 器 是 一 种 精 密 角 度 、 位 置 、 速 度 检 出 装 置 ， 是一 种 输串 电 压 随 转 子 转 角 变 化 的 信 号 元 件 . 当 励 磁 绕 组 以 一 定 频 率 的 交 流 电 压 励 磁 时 ， 输 出 绕组 的 电 压 幅 值 与 转子转角成正弦、 余弦函 数关系， 或保持某一比 例关系， 或在一定转角范围内与转角 成线性关系。 它主要用于坐标变换、 三角运算和角度数据传输， 也可以作为两相移相 器 用 在 角 度 数 字 转 换 装 置 中 本伺服系统中， 结合实际情况， 分析以 上几种位置检测装置， 综合实际应用成本 和实现难度， 为了 实现高精度的 位置 检测， 最终选择双通道旋转变压器作为本系统的 位置反馈单元。 双通道旋转变压器由两台极对数不同的 可以旋转的变压器组成， 一般 是采用粗机1 精机zn极对数。当转子旋转时，产生周期数不等的两路正弦信号，这 样做的目的是为了提高测量精度。 本系统中 采用的 双通道旋转变压器型号为1 1 0 x f s woos ， 由 两台极对数比为1 :32 的变压器组成. 双通道旋转变压器的主要技术指标: a) 激磁频率为月 加hz; b )檄磁电 压2 6 v : c) 精机的 测量 精度可以 达到 玫0 秒; d) 粗机的 测量精度可以 达到 月0 分; 经过分析，该器件足以 满足系统的控制指标. z j 月 j轴角编码器 轴角编码 器采用中 船公司的1 2 x s z 模块。 1 2 x s 是一种种采用连续跟踪技术和模 块化结构的自 整角枷旋转变压器的数 字转换器. 它内 部变压器适用于 5 0 h 比 、 4 0()hz 的电 源， 具有高跟踪频率， 有高度的可靠性: 并采用二阶伺服回路， 输出具有三态锁 存功能，输出 与t t l兼容的并行自 然二进制编码， 用于角度位移量的测量.主要用 基于d s p 的数字 伺服系统总体 设计 硕士论文 于角度和 位移量的检测与控制， 在通过忙信号的输出 和禁止信号的输入可完全与计算 机保持同 步。 技术指标如 表2. 2 .4: 表2 2 4 1 2 x sz 技术指标 参数 指标单位 备注 .53 邓5. 精度 最大误差 分辨率 跟踪速率r ps 创 刃 f 比激磁时 90，。115 26.26. 2756200绷 k n 允许误差士 2 % ，匹配相对精度应高于 0 . 1 % dc 工作频率 4 峨 犯 h2信号及参考 数据负载能力 忙信号( 信号宽翻 0 ， 2 0 . 6 i lsj】 . i l负载能力 20 40 40 3 5 45 x 2 9x 9 . 4 m a电流为最大值，电压允许波动对0 % 最大 mm长x 宽x 高 +5v+l5v柳量时 重姗 电源要求 基千d s p 的 数字伺服系统总体设计 硕士论文 2 .4本章小结 本章首先简要介绍了 基于d s p 的数字伺服系统的 组成和原理， 基于d s p 的数字 伺服系统的 元件选型是是本文的研究重点， 随后详细阐述了基于dsp 的数字伺服系统 的总体结构，并从系统应有的输出能力要求出 发， 选定科尔摩根伺服电 机和驱动器; 再从系统精度要求出发， 选择和设计以双通道旋转变压器和轴角编码器组合的 检测装 置;在此基础上根据科研所给定的技术指标要求，并结合基于d s p的数字伺服系统 总体设计方案完成了 主要元件的 选型。 硕士论文墓于d s p 的 数字伺服系统研制及控制算法的研究 3 dsp 伺服控制器的总体设计 d s p 伺服控制器在数字伺服系统中完成最繁重、 最重要的控制任务: 实时采集位 置信号; 完成控制量的实时计算与输出; 和数字伺服系统测试仪进行通讯; 具备一定 的逻辑信号处理能力， 因此要求具有快速强劲的计算单元: 同时由于控制系统处于现 场，电磁环境复杂， 要求必须具备良 好的抗干扰能力; 最后考虑系统集成的要求， 尽 量采用模块化、 小型化、 低功耗的设计方式。 本章主要围 绕主控芯片t m s 3 2 o f 2 06详细阐述了伺服控制器的设计方案及其各部 分元件选型， 并详细阐述了伺服控制器及采样控制电路、 输出控制电路及外围电路的 设计。 1 1 dsp 伺服控制器的总体结构 d s p 伺服控制器作为数字伺服系统的核心， 需要对数字伺服系统测试仪的给定位 置信号进行采集， 经过运算输出 模拟信号去控制驱动器， 达到指定的位置。 本系统共 有数字量输入36位，包括精通道12位、 粗通道8 位、 给定位置16位; 数字输出12 位，为经过粗精组合和纠错的实际位置输出。 d s p 伺服控制器的结构图如图3. 1 1 所示: 图3 . l l伺服控制 器的总体结构框图 d sp伺服控制器要实现的功能主 要有: a) 采集数字伺服系统测试仪发出 的 指令信号， 采集旋转变压器检测到的实际架 位信号， 通过控制律的计算， 得出 控制量， 送入驱动器， 使得电 机带动发射架跟踪数 字伺服系统侧试仪发出的指令信号运动; b )d sp 和数字伺服系统测试仪之间的数据总线， 用于采集数字伺服系统测试仪 d s p 数字伺服系统的总体设计 硕士论文 的指令信号，并将当前架位信号反馈给数字伺服系统测试仪; c) 轴角 编 码 器用 于 将旋 转 变压 器的 模 拟输 入 信号 转 换 成数 字 量， 并 送入d sp 中进行处理。 其中 包括两路信号: 一路为粗通道信号，另一路为精通道信号。 粗精通 道 (1 : 犯 ) 输出 的 数 字 量， 送 入d s p 控 制 器中 进行 粗 精组 合， 得出16位的 实 际 架 位 信 号; d) 在取得指令 信号 和实际架位信号后， 通过运算处理以12位数字量形式输出 控制量，通过d / a模拟电路转换成模拟控制量，输送给电 机驱动器。 3 j dsp 处理器模块电 路设计 d s p 芯片为整套系统的控制核心， 芯片本身和其外围电路的性能直接决定系统复 杂程度及系统对信号处理的快速反应性能，故芯片的选择及其d s p处理器电路的设 计也就显得十分的重要。 3 么i d s p芯片t ms 3 2 0 f206简介 t ms 3 2 0 尺06芯片作为d s p 控制器 c z 联系列中惟一具有片内f l a s h存储器的 d s p ， 也是t m s 3 20系列数字信号处理器中 的一种定点d sp芯片. t m s 3 20凡06芯 片 采用了静态c m os 集成电路工艺制作，其结构以csx 为基础;采用了先进的改进型 哈佛结构( 程序存储器和数据存储器具有各自 的总线 ) 、多级流 水线、 片内 外设、 片内 存储器和 专用的 指令集， 并且 操作灵活、 速度快， 适合复杂 算法的 控制系统t3i 。 在 t h 叹 5 3 2 0 系列d s p 的基础上， t m s320兄06d sp有以 下主要特性: a) 采用高性能静态 c m o s技术，使得供电电 压为 v减小了 控制器的功耗; 叨m 护 5的执行速度使得指令周期缩短到5 0ns ( 阂n 任 12 ) ，从而提高了 控制器的实时控 制能力。 基于t 卜 1 s 3 2 0( 卫双d s p的c p u核， 保证了t 卜 i s 3 2 0 c l x 系列和t ms32 0 c zx 系列d s p 代码兼容，这就能更快、更容易地对， c lx和， c z x 进行升级; b ) 片内 高达32k字的f l a s h程序存储器，高达4. 5 k字的 数据 暇序r a m ， 可 寻址存储空间为2 2 4 k字( 科k 字程序空间、 翻k字数据空间， 砚k字10空间， 还有 3 2 k字全局存储空间 ) ，片内 双访问r a m为5 44字， 单访问r a m为4k 字; c)运算能力强，具有犯位算术逻辑单元、 32位累加器、 1 6 xl6 位并行乘法器， 以及专用的算术单元; d) 4 级 流水线 操作， 8 级硬件堆 栈， 可用户屏蔽的中断 线; e)片内 外设 有: 软件可编 程的 定时 器和4 个10 口、 振荡 器和锁相环， 可以 实现 时钟的 选择( 灯、 xz、 x4 和 翎、同 步 / 异 步串 行口 、 具有 专门 用于 仿真 和测试的片内 扫描逻辑电路; 灯专用的 指令令集，单指令重复操作、 单周期相剩累加指令、 存储器块移动 指 硕士论文墓于d s p 的数字伺服系统研制及控制 算法的研究 令，变址寻址能力。 t n i s 3 2 0 刃06 芯片封装如图3. 2. 1 : 犷叭 努 典 : ; : 灸 : : ; 英 多 : : ; 多 ; 。 牙 定 巍 :峪 7 5 7 47 3 7 27 1 7 0 右 36 8 弓 7 右 七6 5已 呜 6 3 6 25 1 公 口 石 95 8 5 7 5 石5 弓 5 45 3 5 2 5) 加的脂盯舫454443妇期4d加那邵3635别33监别30四邓万邪 o 76777a羚aq别公犯84书明87明阳加引92幻94%骆97邹的伽 mi j o 餐 mu， 了 己 子 厂 t ck 乡 、了 只写 了 vd o re ad丫 吨 s r了 w 几夕了分，它奋厂尹味产交?乡;份子 钾。呢?场晰洲哪叩恤?腼咖的。阮、叱、d3 训桃掇队阴场fsx以tjoo朴tx德100篡霄 /匀轰丫或?冬夕了，洲珍厂厂犷夕补 1 2 3 4 5 石 7 日 9 1 乃， 啥1 2考 3协 1 5， 61 71 8性 gz d z ， 二 二2 3卫 4之 5 国 墓 鹰 筐 多 8 吕 “ 多 一、0一0二 乙00少 卜no艺一0 多 分又 封妞2一xjq 分夕 争唤一1几 b 叠 0自李 绝目经 人加10 么00争 尸之0 ju盛1江盏 卜仍山卜 图 3. 2-1硫封装顶视图 3 2 j dsp 处理器电 路 t m s320fz肠d s p 是16位定点运算数字处理器。 它的 很多特点 适合本数字伺服 系统的设计要求，如16位的数据线、丰富的片内资源，方便的调试过程等。 f 2 06 有一 个工 作模式 选择引 脚 m p i 丽 亡， 微处理器 / 微计 算机引脚. 如果 m p / 丽 亡为 高电 平， 器 件 工 作 在微 处 理器 模 式 ( 从 外 部 存 储 器 取复 位向 量 ) ， 也 就 是 仿 真模式: 如果m p i 丽亡为 低电 平，器件工作在微计 算机模式( 从内 部存储器取复位向 量 ) ，也就是正常工作模式。 为了 方便在仿真模式和正常工作模式间的切换， 伺服控制器上设计了如图 3 .2. 2 所示的电 路， 通过跳线帽jz来选择尺06的工作模式。 根据创新基地的设计要求， 把 跳线帽的使用定义成: 仿真时接通跳线帽， 正常工作时断开跳线帽。 这样可以减少伺 服控制器在正常工作时，因为 机械振动引起的不稳定因素. 2 l ds p数字伺服系统的总体设计硕 士 论 文 v ccj z 冷 工作模式: 0 . 一 正常 1 。 。 。 一 仿真 图3. 2. 2 f2肠模式选择跳线 有一点需要指出的 是， 凡06 虽 然具 有犯k字节的片内 程 序存储区， 但是在仿真 状态下并不能使用. 在c c s 编译环境中， 需要将 程序“ 下载 ” 到凡肠芯片中后， 才能 结合硬件资源对程序进 行调试。但这个“ 下载” 并不能 将程序写入凡06 片内的 程序存 储器中， 而是需要外 扩一个r a m， 将程 序写入 其中，以 便仿真调 试口 21 时 用.为了 使 仿真系统能够正常工 作， 伺服 控制器上需要有外扩的r a m供系统 仿真时 下载程序使 用11 1 .设计如图3 . 2. 3 所示的外 扩电路. 添.厂而 264 c.7 。尹 恻26 朴 ”_ _ _ 一、 、 图3 2 3刃肠片外r a m扩展 外 扩的r a m芯片 选用6 2 必 系列， 8 位x 8 k静 态r a m。 它们的 地址线 和控制 线 接法完全一 样， 只是一片接了 数据线的 高8 ， 位， 另一 片接了 数据线的 低8 位。 这种接 法就相当于一 片 16位xsk r a m。 其中的 几个控制 信号的 意义如下: 而 读 信 号引 脚. fz 肠从 外 部 数 据 存 储 器、 程 序 存 储 器 或如 空 间 读 入 数 据。 w r 写信号引脚。 凡06 把数据写到 外部 存储器、程 序存储器或刃 0空间。 p s 程序存 储器选择引脚，用于 确定 访问 外部程序存 储器。 凡0 6 的 时钟频率 可以 通过d wi 和d wz 的组合来设置， 时钟频率可以 是晶振 频 率的xl、 xz、 x4 和 祀 倍。 尺肠的最大时钟频率为初m 升 2 ， 此时刃肠 的单 周期 指令 的执行时间为25ns。 根据以 往使用 f206 的 经验， 在仿真调 试时， 可以 使用40m h z 时钟频率， 但 是向 片内f l a s h烧写程序时， 时钟频率只 能是20m h z 。 因 此选用1 0 n f 12 刀 硕 士论 文基于os p的数字伺服系统研制及控制算法的研究 晶振， 频 率选择只能是xz或x4 设 置。 此时的d ivz 始终接高电 平， d ivi 需要 通过跳 线帽来设 置，电 路图 如3 :2 所示: 办.”“ 一二 几了火 v ccj i 时钟频率: 0 20 人任12 1- 40 入任12 图3. 2. 4 尺肠时钟频串选择电路 当接 通有跳线帽时 ， d wi 为 高电 平， 此时的时钟 频率为4dm 地; 当断开跳线帽 时，d wi 为低电 平，此时的时 钟频率为20m f 匕 。在向片内f l 八 名 h烧写程序时，在 jl 上套上跳线帽; 烧写完成后， 关闭 伺服控制器电 源，拔下跳线帽， 再次开启电 源 时，fz肠 就会自动运行f l a s h中的程序了。 凡06的仿真器与传统 单片机的 仿真 调试器不同 ， 仿真 器的 硬件部分由 一块pc 插 卡和一个 仿真盒组成。 仿真盒末端引出 一个双列14脚的仿真 插头， 与d s p 芯片通讯。 仿真接口 电路如图3 .2.5 。 其中第6 脚 为