詳解DSP的機(jī)載伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 針對(duì)機(jī)載天線實(shí)時(shí)跟隨頭戴設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)，提出了一種機(jī)載伺服系統(tǒng)的控制方案，系統(tǒng)以TMS320F2812 DSP為運(yùn)算核心，通過(guò)RS-485連接絕對(duì)值光電編碼器代替測(cè)速機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)速，并采用具有退積分飽和功能的數(shù)字PID增量型控制算法進(jìn)行速度閉環(huán)控制，使系統(tǒng)具有了很好的動(dòng)態(tài)性能和抗干擾性能。而且針對(duì)項(xiàng)目的實(shí)際還提出了一種先速度后位置的隨動(dòng)控制策略，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證和測(cè)試，取得了很好的應(yīng)用效果，不僅達(dá)到了系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)而且還提高了系統(tǒng)的魯棒性。

伺服系統(tǒng)本質(zhì)上就是一種隨動(dòng)系統(tǒng)，本文介紹的伺服系統(tǒng)為一維伺服轉(zhuǎn)臺(tái)，用于控制一種機(jī)載天線實(shí)時(shí)跟隨另一種瞄準(zhǔn)設(shè)備，時(shí)刻保持機(jī)載天線和瞄準(zhǔn)設(shè)備在同一位置上，以達(dá)到微波系統(tǒng)通信的目的。瞄準(zhǔn)設(shè)備電機(jī)運(yùn)行速度常常不停變化，為使系統(tǒng)的輸出以一定精度跟隨瞄準(zhǔn)設(shè)備的變化，與一般電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相比，其對(duì)轉(zhuǎn)矩和速度的動(dòng)靜態(tài)控制特性要求要嚴(yán)格得多。

瞄準(zhǔn)設(shè)備運(yùn)行軌跡比較復(fù)雜，對(duì)伺服的跟蹤性能的影響也比較大，該隨動(dòng)系統(tǒng)由于是機(jī)載設(shè)備，所以對(duì)整個(gè)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸和重量都做了非常嚴(yán)格的要求。加之微波天線波束窄，要保證伺服系統(tǒng)在跟隨瞄準(zhǔn)設(shè)備的過(guò)程中，能正常通信，高的定位精度和隨動(dòng)精度是必須要滿足的指標(biāo)。

因此，在整個(gè)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，要求相應(yīng)的控制系統(tǒng)既要具有高性能的軟硬件結(jié)構(gòu)，又要有高性能[1]的控制策略和控制算法。本文著重介紹基于DSP的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并提出一種隨動(dòng)的控制策略，來(lái)保證伺服系統(tǒng)高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和靜態(tài)穩(wěn)定性，而且又有較強(qiáng)的抗干擾能力（即魯棒性），使伺服系統(tǒng)達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

1 控制部分原理

控制系統(tǒng)部分硬件主要由控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊兩大部分組成。控制模塊以TMS320F2812 DSP為運(yùn)算核心，連同數(shù)字/模擬量轉(zhuǎn)換模塊（ADC）、以及兩個(gè)RS-485收發(fā)器構(gòu)成整個(gè)控制系統(tǒng)?；驹砜驁D如圖1所示。

本伺服系統(tǒng)控制采用三閉環(huán)控制，即位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)[1]。其中，速度環(huán)的輸出為電流環(huán)的給定信號(hào)，位置環(huán)的輸出為速度環(huán)的給定信號(hào)；電流環(huán)和速度環(huán)是內(nèi)環(huán)，位置環(huán)是外環(huán)。為了保證電流環(huán)的響應(yīng)頻帶達(dá)到1 kHz以上，電流環(huán)采用硬件模擬電路實(shí)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行速度閉環(huán)，能夠達(dá)到很高的伺服精度，位置環(huán)和速度環(huán)的控制則在DSP控制器上通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)。PID閉環(huán)的原理如圖2所示。

為了降低整機(jī)重量和成本，沒(méi)有采用專門的測(cè)速機(jī)來(lái)進(jìn)行速度閉環(huán)控制，測(cè)速通過(guò)一個(gè)絕對(duì)值的光電編碼器提供的位置信息在DSP內(nèi)部通過(guò)計(jì)算所得。絕對(duì)值光電編碼器通過(guò)RS-485與DSP進(jìn)行連接，DSP每毫秒給絕對(duì)值光電編碼器發(fā)送一個(gè)握手信號(hào)采集絕對(duì)值光電編碼器的位置信息數(shù)據(jù)，在絕對(duì)值光電編碼器收到這個(gè)握手信號(hào)后把測(cè)到的位置信息回傳給DSP，DSP獲得這個(gè)位置信息后與上一毫秒的位置信息共同計(jì)算出一個(gè)速度值，進(jìn)行速度閉環(huán)控制，電流環(huán)通過(guò)DSP把給定值送到D/A進(jìn)行數(shù)字到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換后送給驅(qū)動(dòng)模塊。

2 退飽和數(shù)字PID控制算法

伺服系統(tǒng)是按誤差控制的系統(tǒng)，適合采用PID控制算法，而根據(jù)硬件的實(shí)現(xiàn)方法有模擬和數(shù)字兩種實(shí)現(xiàn)方法。本文中電流環(huán)用模擬電路實(shí)現(xiàn)保證有高的響應(yīng)帶寬，位置和速度則在DSP內(nèi)用數(shù)字的方法實(shí)現(xiàn)。數(shù)字PID控制是比例、積分、微分調(diào)節(jié)的簡(jiǎn)稱，是自動(dòng)化領(lǐng)域性能最強(qiáng)的控制調(diào)節(jié)方法[2]。數(shù)字PID控制方法，具有控制簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、算法靈活多變的特點(diǎn)。

PID的完整公式為：

u（t）=KP×e（t）+KI×e（j）+KD×[e（t）-e（t-1）]+u（0）（1）

其中，KP為比例放大系數(shù)；KI為積分放大系數(shù)；e（t）為誤差；u（0）為控制量基準(zhǔn)值（基礎(chǔ)偏差）。

積分項(xiàng)是一個(gè)歷史誤差的累積值，如果只用比例控制時(shí)，要么就是達(dá)不到設(shè)定值，要么就會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)振蕩，在使用了積分項(xiàng)后就可以解決達(dá)不到設(shè)定值的靜態(tài)誤差問(wèn)題，例如一個(gè)控制中使用了PI控制后，如果存在靜態(tài)誤差，輸出始終達(dá)不到設(shè)定值，這時(shí)積分項(xiàng)的誤差累積值會(huì)越來(lái)越大，這個(gè)累積值乘上KI后會(huì)在輸出的比重中越占越多，使輸出u（t）越來(lái)越大，最終達(dá)到消除靜態(tài)誤差的目的。

實(shí)際情況中，在電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停轉(zhuǎn)或大幅度增減設(shè)定值時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)會(huì)輸出很大偏差，使得PID運(yùn)算的積分積累很大，引起輸出控制量增大和強(qiáng)烈的積分飽和效應(yīng)，數(shù)字PID調(diào)節(jié)器中的積分飽和會(huì)引起大幅度的超調(diào)，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，所以消除積分飽和的關(guān)鍵在于不能使積分項(xiàng)過(guò)大，可以采用的方法有積分分離法、遇限消弱積分PID控制算法及變速積分PID算法等[5]。

為消除積分飽和帶來(lái)的不利影響，系統(tǒng)采用帶退飽和的積分分離法來(lái)防止積分飽和，積分分離的基本思路是：當(dāng)被調(diào)量和設(shè)定值偏差較大時(shí)，取消積分作用，以免由于積分的作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，超調(diào)量增大，當(dāng)被控制量接近給定值時(shí)，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度。當(dāng)積分值積到設(shè)定的閾值時(shí)，清楚積分累積值，達(dá)到退積分的目的，提高系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性。

積分分離算法可表示為：

u（t）=KP×e（t）+?茁×KI×e（j）+KD×[e（t）-e（t-1）]+u（0）（2）其中β為積分項(xiàng)的開(kāi)關(guān)系數(shù)。

β=1，|e（t）|≤ε0，|e（t）|>ε

ε為設(shè)定閾值。

3 控制策略及測(cè)試結(jié)果

本伺服系統(tǒng)通過(guò)接收瞄準(zhǔn)設(shè)備傳過(guò)來(lái)的位置和速度信息，進(jìn)行跟隨運(yùn)動(dòng)，讓瞄準(zhǔn)設(shè)備和伺服轉(zhuǎn)臺(tái)始終保持0.3°的隨動(dòng)誤差，瞄準(zhǔn)設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為-120°~+120°。瞄準(zhǔn)設(shè)備間隔20 ms發(fā)一次位置和速度，伺服轉(zhuǎn)臺(tái)收到位置和速度后，必須在20 ms內(nèi)跟上瞄準(zhǔn)設(shè)備，并且瞄準(zhǔn)設(shè)備和天線轉(zhuǎn)臺(tái)始終保持0.3°以內(nèi)的位置誤差。

為了使伺服轉(zhuǎn)臺(tái)能夠始終跟上瞄準(zhǔn)設(shè)備，這里采用了一種先位置后速度的跟蹤控制策略，就是在轉(zhuǎn)臺(tái)控制DSP收到瞄準(zhǔn)設(shè)備傳過(guò)來(lái)的位置和速度后，先以一個(gè)瞄準(zhǔn)設(shè)備速度的M（M>1）倍的速度走位置，當(dāng)位置走到隨動(dòng)精度誤差范圍內(nèi)（0.3°），再以瞄準(zhǔn)設(shè)備的速度跟隨瞄準(zhǔn)設(shè)備。下一個(gè)20 ms來(lái)到后繼續(xù)重復(fù)以上的算法步驟。在調(diào)試的過(guò)程中，主要調(diào)試M值，M值過(guò)小轉(zhuǎn)臺(tái)跟不上瞄準(zhǔn)設(shè)備，M值過(guò)大則會(huì)出現(xiàn)天線轉(zhuǎn)臺(tái)過(guò)沖的情況，所以必須取一個(gè)合適的M值，以滿足系統(tǒng)指標(biāo)。圖3是測(cè)試軟件的主界面圖。

測(cè)試軟件主要完成對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)的各種指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試和模擬真實(shí)觀瞄設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)。

本文結(jié)合某項(xiàng)目的實(shí)際設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一種機(jī)載天線伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)基于TMS320F2812 DSP為運(yùn)算核心，采用退積分飽和的PID算法對(duì)速度環(huán)和位置環(huán)進(jìn)行校正，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，系統(tǒng)具有很好的動(dòng)態(tài)性能和抗干擾性能。文中還著重介紹了一種伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的隨動(dòng)控制策略，這種隨動(dòng)控制策略在某項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的控制效果，文中經(jīng)過(guò)反復(fù)的測(cè)試，給出了測(cè)試結(jié)果，這不僅提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性同時(shí)又增加了系統(tǒng)的魯棒性。

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