基于DSP的高精度伺服位置環(huán)設計方案

　　系統軟件設計

　　按任務(wù)劃分，系統軟件由任務(wù)與任務(wù)管理模塊構成，任務(wù)管理模塊對人機接口、控制算法、加減速控制、故障處理等四個(gè)任務(wù)進(jìn)行調度管理?？刂扑惴ㄖ饕ǎ赫{節器控制算法、矢量控制算法和數字濾波器算法等。

　　按照結構化程序設計方法，遵循“功能獨立”的原則，將系統軟件劃分為主程序模塊和矢量控制程序模塊兩大部分，各部分又劃分為若干子模塊，以利于軟件設計、調試、修改和維護。矢量控制軟件設計采用典型的前后臺模式，以主程序作為后臺任務(wù)，中斷服務(wù)程序作為前臺任務(wù)。根據矢量控制算法的特點(diǎn)，中斷服務(wù)程序只處理實(shí)時(shí)性高的PWM控制子程序，把系統的一些測量、鍵盤(pán)處理和顯示等一系列實(shí)時(shí)性不高的任務(wù)放到后臺任務(wù)。

　　主程序是軟件的主體框架，其工作過(guò)程是：系統上電復位后，依次對片內外設進(jìn)行初始化、從E2PROM中讀出控制參數、LED顯示初始信息。初始化完成后，主程序循環(huán)執行LED顯示、鍵盤(pán)處理和參數計算與保存。

　　PWM中斷服務(wù)。在PWM中斷到來(lái)時(shí)，首先讀取編碼信號，進(jìn)行角度和速度計算，接著(zhù)進(jìn)行A/D采樣并執行clark和park變換，然后進(jìn)行PI調節、反park變換，最后進(jìn)入空間矢量模塊，產(chǎn)生PWM信號。

　　控制器算法

　　系統采用三環(huán)控制結構，電流環(huán)、速度環(huán)采用PI控制，位置環(huán)采用比例加前饋補償控制。

　　PID控制算法

　　PID控制算法是控制中最常用的算法，對于大多數的控制對象采用PID控制均能達到滿(mǎn)意的效果。為防止PID調節器出現過(guò)飽和，系統采用帶退飽和的PID控制器，如圖2所示。

　　離散PID控制算法如下：

　　式中，

　　位置控制器的控制算法

　　位置控制器采用比例加前饋控制結構，如圖3所示，其中Gm為電機的傳遞函數，Gspd為速度環(huán)的傳遞函數，Gpos為位置環(huán)的傳遞函數，Fpos為位置前饋控制器傳遞函數。

　　系統的傳遞函數為：

　　當Fpos(s)=1/(Gspd(s)Gm(s))時(shí)，H(s)=1，則可使輸出完全復現輸入信號，且系統的暫態(tài)和穩態(tài)誤差都為零。其中當速度調節器采用PI控制時(shí)，在位置環(huán)的截止頻率遠小于速度環(huán)的截止頻率時(shí)，速度環(huán)可等效為一個(gè)慣性環(huán)節，電機可等效為一個(gè)積分環(huán)節，于是Fpos(s)可以看成加速度前饋和速度前饋兩部分[5]，其中：位置前饋中加速度項差分方程：

　　式中R(k)為第K個(gè)采樣周期中的位置給定信號;Yaf為第K個(gè)采樣周期中加速度信號的輸出，Kaf為加速度前饋比例系數。

　　位置前饋中速度項差分方程：

　　式中R(k)為第K個(gè)采樣周期中的位置給定信號;Yaf為第K個(gè)采樣周期中速度信號的輸出，Ksf為速度前饋比例系數。

　　相應的位置環(huán)P的差分方程：

　　式中R(k)為第K個(gè)采樣周期中的位置給定信號;C(k)為第K個(gè)采樣周期中的位置反饋信號，Ye為第K個(gè)采樣周期中位置環(huán)信號的輸出，Kc為位置環(huán)比例系數。

　　絕對式編碼器通信程序

　　絕對式編碼器與DSP的接口采用CPLD作為接口芯片。CPLD的程序采用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)，程序結構如圖4所示。此電路完成串行輸入數據到并行輸出數據的轉換，以及并行輸入數據到串行輸出數據的轉換。

　　圖4中，模塊DIV為時(shí)鐘分頻器，TX模塊接收來(lái)自微處理器接口模塊MP的8位并行數據，并通過(guò)端口DOUT將數據串行輸出到RS-485端口。反過(guò)來(lái)，RX模塊接收串行數據輸入，并以8位并行格式發(fā)送至MP模塊，MP模塊同時(shí)將接收到的位置信號轉成脈沖形式輸出，實(shí)現與CNC的連接。