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1、精选优质文档-倾情为你奉上基于DSP的数字化舵机系统软件设计与实现摘 要本文主要介绍了一种基于数字信号处理器（DSP）的数字舵机控制器的软件程序设计方案。所选用的DSP为德州仪器公司的TMS320F2812，该DSP在电机控制应用上进行许多优化设计。相对于传统的采用单片机或其它微处理器的控制器，采用DSP可以使程序实际更简单，同时可以实现更复杂的算法。本文主要讨论了DSP与有刷直流电机的之间的PID控制算法及软件实现，对数字舵机控制器的设计有较大的工程价值。关键词：舵机控制器，DSP，有刷直流电机，PID控制Software Design of Digital Servo Controller
2、 Based on DSPAbstractThis paper presents a software design of Digital Servo Controller system. The DSP used in the design is TMS320F2812 produced by Texas Instrument (TITM) which has been greatly optimized for motor-control application. Compared with the traditional controller based on microcontroll
3、er or other microprocessor, using DSP can simplify the software design of the controller system, and realize more complex algorithm. This paper mainly discussed the of PID and its realizition between DSP and brushed DC motor, and supplies the reference for the design of Digital Servo Control system.
4、Key Words: Digital Servo Controller, DSP, BDC, PID专心-专注-专业目 录1 引言11 概述舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于需要角度不断变化并可以保持的控制系统。模拟伺服系统存在很多缺陷，如控制线路体积大，限制了先进控制方法的运用，电路参数受环境影响大，可靠性差等，随着DSP性能的提高，全数字控制得以引入伺服控制器中。 大多数传统的火箭和导弹沿用液压伺服系统、气压伺服系统，这些伺服系统具有优良的动态性能和结构适应性，但系统结构复杂、体积重量大、成本高、实现技术难度大。随着电子技术的发展，电子元件集成度的提高，特别是新型电磁材料的研制成功和高性能
5、电池的出现，各种新型电动伺服控制系统应运而生。电动舵机以其良好的可靠性、可维护性的特点，在战术导弹等领域内倍受人们的青睐，它正逐步代替液压舵机和气动舵机。舵机控制器作为舵机系统的重要组件之一，其性能的好坏直接影响飞行状态的优劣。舵机控制器一般分为模拟控制器和数字控制器，而数字舵机控制器以其反应速度快，灵敏度高，无反应区小，动态特性好等特点，在航空航天等对舵机有着较高要求的情况下有着极强的竞争力。612 课题研究背景舵机控制器作为舵机系统的重要组件之一，其性能的好坏直接影响飞行状态的优劣。舵机控制器一般分为模拟控制器和数字控制器，而数字舵机控制器以其反应速度快，灵敏度高，无反应区小，动态特性好等
6、特点，在航空航天等对舵机有着较高要求的情况下有着极强的竞争力。13 国内外相关技术的发展状况现代战争对制导兵器的发展提出了全新的要求，导弹无疑是具备远程打击的制导兵器中的佼佼者。而舵机是导弹制导与控制系统的重要组成部分，也是导弹制导与控制系统的执行机构，其性能的好坏直接决定着导弹飞行过程的动态品质。导弹舵机按照所使用的能源来分类，通常可以分为气动舵机、液压舵机、电动舵机( e lectromechan ica l actuator,简称EMA )等。传统的火箭和导弹都是采用液压舵机或气动舵机，但此类舵机的缺点是结构复杂、加工精度高、质量大、成本高、技术难度大。随着航空航天技术的蓬勃发展和各种先
7、进精确制导武器的研制，人们对舵机的整体性能要求越来越高，促使舵机向着体积质量不断减小，承载能力不断增强，控制性能不断提高的方向发展。而电动舵机以其简单可靠、工艺性好、使用维护方便、能源单一、成本低廉、易于控制等特性引起了人们的广泛注意和深入研究，并且在导弹上得到了广泛的应用。随着社会生产力的不断发展和科学技术水平的不断提高，电动舵机技术也必将得到进一步的发展。1 )广泛应用无刷直流电机。传统的直流电机因具有优良的线性机械特性、较宽的调速范围、良好的起动性以及简单的控制电路等优点，长期以来一直广泛地应用在各种驱动装置和伺服系统中。但是由于传统直流电机依靠机械电刷和换向器换向，机械电刷和换向器强迫
8、性的接触造成的电机运行时换向火花、噪声以及变化的接触电阻等问题直接影响了传统直流电机的调速精度和性能。无刷直流电机在保持了传统直流电机优点的基础上，性能较之有很大提高，具有低噪声、高效率、无励磁需要、易维护、寿命长、控制结构简单等优点，有逐步取代传统直流电机的趋势。2 )广泛应用稀土永磁电动机。随着电力电子、微电子、微机、 新型控制理论及电机理论的进步，稀土永磁电动机发展十分迅速， 在航空航天领域方面显示出广泛的应用前景和强大的生命力。它具有使用寿命长、体积小、质量轻、 转速高、 可靠性高、散热容易、出力大、转动惯量小、余度控制方便等众多优点，将逐步成为电动舵机的主流，特别适合于对性能、体积、
9、质量要求特殊的航空航天领域，目前正向超高速、高转矩、大功率、微型化、高功能方向发展。3 )广泛应用交流电动机。电动舵机的迅速发展与广泛应用得益于交流伺服技术的高速发展和稀土永磁电机制造技术取得的巨大进步。2 0世纪 7 0年代末期进人了伺服技术的交流化时代，相继开发出各种类型的交流伺服系统，并广泛应用于运动控制中，时至今日，已成为伺服系统的主流。交流电机与直流电机相比具有以下优点：一是价格低廉；二是不易出现故障，维修简单；三是使用场合没有限制；四是单机容量大。从目前国内外的产品来看，交流伺服控制系统大都用数字化控制，实现数字化是交流伺服控制系统的总体发展方向。先进的控制理论和控制算法及高度集成
10、化的模块为交流电机的进一步发展开拓了广阔的前景。4 )采用高效率的传动机构和多功能化的检测反馈装置如发展小尺寸系列滚珠螺旋，应用圆柱齿轮传动、谐波传动、少齿差行星传动、滚珠丝杆等高速比的减速器等，进一步提高减速器的性能。传感器由模拟式向数字式转变，如采用光电编码器、霍尔传感器等。传感器的发展趋势将是智能化、微型化、低功耗化、集成化、多功能化和无线化。5 )大力发展电力电子技术。电力电子技术特别是电力电子器件的发展为电动舵机及其控制的广泛应用奠定了坚实的基础。从 20世纪80年代开始，以全控化、 集成化、高频化为特点的现代电力电子技术得到迅速发展。80年代后期开始，高频高压大电流的新型复合器件的
11、发展成为电力半导体发展的重要方向，其中尤以门极绝缘双极性晶体管(IGBT)最为突出，在各个领域中有取代其它全控器件的趋势。90年代中期出现的智能功率模块(IPM)，是功率器件发展的一个重要分支。目前，发达国家正在向第三代功率半导体器件功率集成电路（PIC）方向发展。与IPM相似，PIC包含一组功率器件以及一组独立的功能电路。PIC不但能提供一定的功率输出能力，而且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能，这使装置性能和可靠性得到很大的提升。6 )DSP的广泛应用。随着半导体技术的长足发展，数字信号处理器（DSP） 的出现为人们提供了一个新的硬件平台解决方案。在电机控制领域DSP体现出越来
12、越突出的优势。相对于传统的处理器而言，一个装有DSP芯片的嵌入式系统在执行一些复杂软件和高级算法方面，有着更高的效率。在电机的数字控制系统中，早期的 DSP主要用于控制算法的运算，现在，DSP可以处理几乎所有的工作。许多控制算法，包括自适应、多变量寻优、学习、自校正神经网络、遗传算法和模糊逻辑，都可以用DSP实现。7 )先进控制策略的应用。电机控制系统常用PID控制。PID控制是连续系统中技术成熟且应用广泛的一种控制方法。它的结构简单，不一定需要系统的确切数学模型，参数更易调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。将它应用到数字系统中，通过软件予以实现，对于大多数控制对象都能获得满意的控制效果。结
13、合现代控制理论，现在已经提出了很多新型的电机控制方法，如变结构控制、无传感器控制、模糊控制、神经网络控制、自适应控制、迭代学习控制、专家系统等，这些都是电动舵机控制策略的重要发展方向。综上所述，可以看出电动舵机的发展可以归纳为三个方面：从性能上看，向高精度、高效率、高可靠性、高适应性方向发展；从功能上看，向小型化、轻型化、多功能方向发展；从层次上看，向系统化、复合集成化方向发展。采用以稀土永磁无刷直流和交流等为主的电动机技术以微处理器为基础的数字控制技术，以现代控制理论为代表的控制规律，实现全数字化、智能化、综合化是未来电动舵机发展的总趋势。22 舵机系统介绍21 事件管理器事件管理器模块为用
14、户提供了众多的功能及其特性，这使得它特别适合于运动控制和电动机控制等领域。F2812有两个事件管理模块EVA和EVB，每个事件管理器包括通用（GP）、全比较单元、捕获单元及下次脉冲编码电路（QEP）。EVA和EVB两个模块具有相同的外设。在电动机驱动控制中，当功率管需要互补控制时，每个事件管理器能够控制一组三相桥，同时每个事件管理器还提供两路附加的PWM信号输出。事件管理器的功能和相关引脚分配见表4-2。表2.1 EVA、EVB功能和引动分配事件管理器模块事件管理器A事件管理器B模块信号模块信号通用定时器通用定时器1通用定时器2T1PWM/T1CMPT2PWM/T2CMP通用定时器3通用定时器
15、4T3PWM/T3CMPT4PWM/T4CMP比较单元比较器1比较器2比较器3PWM1/2PWM3/4PWM5/6比较器4比较器5比较器6PWM7/8PWM9/10PWM11/12捕获单元捕获单元1捕获单元2捕获单元3CAP1CAP2CAP3捕获单元4捕获单元5捕获单元6CAP4CAP5CAP6正交编码电路（QEP）QEPQEP1QEP2QEPI1QEPQEP3QEP4QEPI2外部定时器输入定时器方向外部时钟TDIRATCLKINA定时器方向外部时钟TDIRBTCLKINB外部比较器输出比较单元C1TRIPC2TRIPC3TRIP比较单元C4TRIPC5TRIPC6TRIP表2.1 EVA、EVB功能和引动分配外部定时器通用定时器1通用定时器2T1PWM/T1CMPT2PWM/T2CMP通用定时器3通用定时器4T3PWM/T3CMPT4PWM/T4CMP外部定时器输入T1TRIP/T2TRIPT3TRIP/T4TRIP功率模块保护输入
