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

1、    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

2、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

3、，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

4、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-10

5、v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。

6、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

7、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y110；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ltc

8、1821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)作影響較小；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

9、相對(duì)更小1213。 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

10、*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)較小；另外，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1516，設(shè)定控制周期1

11、ms，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)

12、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)

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