基于TMS320F28335的伺服系統(tǒng)數(shù)字化速度環(huán)設(shè)計(jì)

馬蓓麗+楊國(guó)文

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)伺服系統(tǒng)模擬速度環(huán)難以實(shí)現(xiàn)高精度高性能的控制要求，文章設(shè)計(jì)并闡述了數(shù)字化速度環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理與硬件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)采用LTC1821芯片為數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）器件，以DSP芯片TMS320F28335為核心控制器，選用光纖陀螺儀作為速度反饋裝置，搭建高精度速度環(huán)伺服跟蹤平臺(tái)。仿真實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)DSP軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試，運(yùn)用增量式比例積分（PI）調(diào)節(jié)算法，該系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快，低超調(diào)和閉環(huán)精度高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：伺服系統(tǒng)；速度環(huán)；D/A轉(zhuǎn)換；PI算法

引言

作為伺服控制系統(tǒng)非常重要的組成部分，速度環(huán)要求具有高精度、快響應(yīng)、強(qiáng)抗干擾性等良好的控制性能，以實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)快速準(zhǔn)確的定位與跟蹤。對(duì)于速度環(huán)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其轉(zhuǎn)速控制要求有兩個(gè)方面：在給定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)；以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種可能的干擾下不允許有過(guò)大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)[1]。

為實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)字化速度環(huán)設(shè)計(jì)，本文提出使用16位D/A轉(zhuǎn)換芯片LTC1821為核心的速度環(huán)伺服跟蹤系統(tǒng)，該芯片實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)字量到模擬量的輸出功能，具有高精度、低噪聲、快速建立電壓輸出及強(qiáng)抗干擾特性，可完成控制需求；同時(shí)搭配使用數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335為控制器[2]，軟件設(shè)計(jì)控制LTC1821，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高精度數(shù)字化功能。

1 伺服速度環(huán)系統(tǒng)框架

該系統(tǒng)硬件可分為DSP控制模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、驅(qū)動(dòng)控制模塊、通信接口模塊和電源模塊等組成。其結(jié)構(gòu)框圖[3]如圖1所示：

本系統(tǒng)首先利用光纖陀螺儀作為速度反饋裝置，DSP芯片內(nèi)置的SCI模塊可采集陀螺信號(hào)，提供轉(zhuǎn)臺(tái)的角度反饋數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行DSP軟件算法搭建速度環(huán)PI控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高精度速度閉環(huán)[4]；其次D/A轉(zhuǎn)換模塊將DSP運(yùn)算形成的數(shù)字信號(hào)控制量轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出至驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制；最后為實(shí)現(xiàn)DSP芯片與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)通信接口模塊實(shí)現(xiàn)通訊，DSP可接收給定速度命令，同時(shí)將當(dāng)前實(shí)時(shí)速度值及各種故障狀態(tài)回傳，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制監(jiān)控。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 D/A轉(zhuǎn)換模塊

DAC芯片選用凌特公司生產(chǎn)的16位并行數(shù)字接口、高精度、快速建立的電壓輸出型數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器LTC1821。LTC1821有兩種工作模式，單極性輸出模式0V至10V或者0V至-10V，和雙極性輸出模式-10V至10V；高精度特性，在整個(gè)工業(yè)溫度范圍內(nèi)，其積分非線性和微分非線性不超過(guò)1LSB；具有超快速建立性能，在滿(mǎn)度輸出范圍為10V時(shí)，LTC1821輸出達(dá)到1LSB的時(shí)間小于2us；具有異步輸入清零功能，引腳異步輸入CLR置低電平時(shí)，LTC1821輸出復(fù)位到零[5]。其外部連接電路應(yīng)用如圖2所示。

電路設(shè)計(jì)中，LTC1821工作在雙極性工作模式，輸出電壓-10V至10V，選用芯片LT1236提供穩(wěn)定的高精度基準(zhǔn)電壓10V；電容C6為芯片內(nèi)部運(yùn)放的反饋電容（單極性模式22pF，雙極性模式15pF），用作頻率補(bǔ)償，減小內(nèi)部電路產(chǎn)生的相移，避免產(chǎn)生自激震蕩，以保持運(yùn)放的穩(wěn)定；RCOM引腳連接芯片內(nèi)部的兩個(gè)電阻的中間點(diǎn)，LT1468提供REF引腳驅(qū)動(dòng)[6]。

2.2 DSP控制設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用的TI公司的TMS320F28335芯片是具有浮點(diǎn)運(yùn)算單元的高性能數(shù)字信號(hào)處理器，片上資源豐富，可滿(mǎn)足伺服系統(tǒng)更快更準(zhǔn)的控制需求[7]。文中要求完成方位和俯仰兩路速度的高精度控制，DSP控制芯片TMS320F28335與D/A轉(zhuǎn)換芯片LTC1821之間的硬件連接設(shè)計(jì)[8]如圖3所示。

2.2.1 LTC1821時(shí)序控制

LTC1821是具有配備輸入寄存器和DAC寄存器兩個(gè)16位寄存器的雙緩沖結(jié)構(gòu)。當(dāng)引腳WR拉到低電平時(shí)，輸入數(shù)據(jù)加載到LTC1821的輸入寄存器；當(dāng)引腳LD拉到高電平時(shí)，DAC寄存器被更新，進(jìn)而DAC輸出數(shù)據(jù)被更新。本文中，將引腳WR與LD短接，直接與74LV138的譯碼信號(hào)輸出端，作為控制LTC1821的時(shí)序控制端口。在控制信號(hào)輸出的下降沿，輸入數(shù)據(jù)被寫(xiě)入LTC1821的輸入寄存器，在上升沿DAC寄存器被更新。引腳CLR低電平時(shí)，LTC1821復(fù)位到0V輸出[9]。

2.2.2 TMS320F28335與LTC1821間接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中，將LTC1821的16位數(shù)據(jù)線D0-D15與DSP的XD0-XD15連接，實(shí)現(xiàn)16位并行數(shù)據(jù)輸入；選用DSP的I/O端口控制LTC1821的CLR引腳，高電平時(shí)LTC1821處于正常工作模式下，拉至低電平則復(fù)位清零；LTC1821只可輸出單路模擬電壓值，要同時(shí)實(shí)現(xiàn)方位和俯仰雙路電壓控制，電路中需放置兩個(gè)LTC1821芯片，通過(guò)TMS320F28335的地址線XA0、XA1和XA2和地址片選信號(hào)CS7，連接74LV138芯片進(jìn)行地址譯碼，產(chǎn)生兩路LTC1821的選通控制信號(hào)Y0和Y1[10]；DSP程序編寫(xiě)中，可分配方位和俯仰數(shù)字控制電壓的地址，當(dāng)在兩個(gè)地址分別寫(xiě)入方位或俯仰數(shù)據(jù)，引腳Y0或Y1變?yōu)榈碗娖剑瑢?duì)應(yīng)的方位或俯仰LTC1821芯片輸出相應(yīng)的控制電壓模擬量[11]。其時(shí)序設(shè)計(jì)示意圖如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)PI控制原理，比例增益系數(shù)P會(huì)對(duì)系統(tǒng)的精確度和剛性有影響，比例增益越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，但會(huì)帶來(lái)超調(diào)和震蕩，而積分增益系數(shù)I則可消除系統(tǒng)存在的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的閉環(huán)精度。PI算法分位置式和增量式兩種，本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中采用增量式PI控制算法。兩者相比，位置式PI算法輸出直接對(duì)應(yīng)對(duì)象的輸出，對(duì)系統(tǒng)影響較大，而增量式PI算法輸出的是控制量的增量，若系統(tǒng)出現(xiàn)故障，誤動(dòng)作影響較??；位置式PI算法的控制輸出與整個(gè)過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，使用的是誤差的累加值，而增量式PI算法，只與當(dāng)前時(shí)刻和上一時(shí)刻的誤差有關(guān)，其累積誤差相對(duì)更小[12][13]。

3.1 增量式PI算法

系統(tǒng)中，設(shè)ierror（k）為第k次采樣時(shí)刻的速度誤差值，Sumierror（k）為前k次采樣時(shí)刻的速度誤差累加和，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，U（k）為在第k-1次采樣時(shí)刻輸出控制量，則該系統(tǒng)的位置式PI算法表達(dá)式為：

U（k）=Kp*ierror（k）+Ki*Sumierror（k）

=Kp*ierror（k）+Ki*？撞■■ierror（i） （1）

其中，k為采樣序號(hào)，k=0，1，2，…；ierror（k）為系統(tǒng)在第k次采樣時(shí)刻的誤差值，ierror（k-1）為在第k-1次采樣時(shí)刻的誤差值。

遞推出第k-1次采樣時(shí)刻輸出控制量，表達(dá)為：

U（k-1）=Kp*ierror（k-1）+Ki*？撞■■ierror（i） （2）

兩式相減可得：

U（k）-u（k-1）=Kp*[ierror（k）-ierror（k-1）]+Ki*ierror（k） （3）

即可得增量式PI算法的表達(dá)公式：

U（k）=u（k-1）+Kp*[ierror（k）-ierror（k-1）]+Ki*ierror（k） （4）

由上式可看出增量式PI控制的輸出計(jì)算，只與當(dāng)前時(shí)刻和上一時(shí)刻的誤差有關(guān)，與位置式PI算法相比，其累積誤差相對(duì)較小，軟件設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)算量相對(duì)較?。涣硗?，其輸出的是控制量增量，閉環(huán)響應(yīng)速度更快，精度更高[14]。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

本速度環(huán)系統(tǒng)的增量式PI控制器軟件設(shè)計(jì)中[15][16]，設(shè)定控制周期1ms，計(jì)算速度誤差ierror（k），即系統(tǒng)當(dāng)前速度與目標(biāo)速度的差值：

ierror（k）=Vo（k）-Vb（k） （5）

式中，Vo（k）為第k次采樣時(shí)刻的系統(tǒng)給定目標(biāo)速度，Vb（k）為當(dāng)前系統(tǒng)實(shí)測(cè)速度。利用公式（4），經(jīng)過(guò)PI算法形成控制信號(hào)的數(shù)字量，送給D/A輸出模擬控制量完成一個(gè)控制過(guò)程，其軟件流程圖如圖5。

4 仿真結(jié)果與分析

以本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并仿真，選取合適的P和I參數(shù)，由上位機(jī)發(fā)送目標(biāo)速度指令，使伺服轉(zhuǎn)臺(tái)由當(dāng)前速度快速響應(yīng)至目標(biāo)速度并穩(wěn)定閉環(huán)。實(shí)驗(yàn)波形曲線如圖6和圖7所示，圖6為速度響應(yīng)曲線與目標(biāo)速度6000的對(duì)比圖，圖7為誤差曲線。

仿真結(jié)果顯示，系統(tǒng)PI算法速度響應(yīng)的峰值時(shí)間約25ms，調(diào)節(jié)時(shí)間約50ms，超調(diào)量可控制在15%以下，速度穩(wěn)定后的閉環(huán)精度可達(dá)0.1%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)在增量式PI的軟件算法下，可快速穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)，具有比較理想的控制效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于LTC1821的數(shù)字化速度環(huán)系統(tǒng)，以處理器TMS320F28335與DAC芯片LTC1821進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)，同時(shí)通過(guò)DSP內(nèi)部軟件編程完成增量式PI算法。試驗(yàn)證明該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高精度快速準(zhǔn)確的速度閉環(huán)，以及一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不同轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

參考文獻(xiàn)

[1]任潤(rùn)柏，周荔丹，姚鋼.TMS320F28X源碼解讀[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2]陳光偉，向中凡.基于TMS320F2812的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2010，29（12）：49-51.

[3]陳永剛，閻秋生.基于速度環(huán)增益調(diào)度PI算法的直線電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2013，35（6）：107-113.

[4]陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)-運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[5]喬敏娟，韓文波，劉瑩瑩，等.基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2014，221（1）：206-210.

[6]韋宏利，李金榮.基于LS052A-Cb的無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子，2016，34（2）：68-71.

[7]韓海云，劉軍，秦海鴻，等.永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)速度環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2013，35（1）：63-67.

[8]白云，郭陽(yáng)寬，祝連慶，等.基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)速度環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品世界，2013，20（1）：34-36.

[9]楊金寶，楊樺，王楠，等.數(shù)控變速調(diào)焦控制電路的設(shè)計(jì)[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2014，29（1）：68-70，79.

[10]李紅衛(wèi)，劉昊，李勇臻.基于TMS320F28335的雷達(dá)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（1）：170-172，176.

[11]許煒，余曉華，闕宇瀟.基于TB6551FG正弦波驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)研究[J].機(jī)電信息，2013（73）：61-63.

[12]叢爽，魏學(xué)云，鄧科，等.陀螺穩(wěn)定平臺(tái)速度環(huán)的離散模型參考自適應(yīng)控制[J].信息與控制，2014，43（3）：287-292.

[13]韓海云，劉軍，秦海鴻，等.永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)速度環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2013，35（1）：63-67.

[14]徐曉霞.機(jī)載光電跟蹤系統(tǒng)的模糊PID控制[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（2）：108-111.

[15]楊鵬，王飛，賈春奇，等.無(wú)刷直流電機(jī)閉環(huán)控制仿真系統(tǒng)的研究[J].微電機(jī)，2013，46（11）：76-78.

[16]趙正黎，于惠鈞，張發(fā)明，等.基于模糊PID控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，29（2）：38-43.

作者簡(jiǎn)介：馬蓓麗（1985-），女，河南省輝縣市，碩士，工程師，研究方向：伺服系統(tǒng)軟件控制設(shè)計(jì)。