中国船舶重工集团公司第七一〇研究所 湖北宜昌 443000
摘要：随着现代社会经济和科学技术不断的发展，伺服控制系统在生活和生产中被广泛应用。并且在现代科学信心技术发展背景下，集成电路、电力电子技术、交流可变速驱动技术也得到很大幅度的发展。在新信息技术的应用下，伺服控制系统在生活和生产中进行运用，具有跟踪速度更快、精准度提高、功能更加齐全和智能化水平更高的特点。这些具备的优势特点都为伺服技术进行更加广泛的应用奠定坚实基础。但是在现实应用中，伺服控制系统还是存在的一些问题，如控制精准度不稳定、摩擦干扰等。需要对伺服控制系统更进一步的设计和研究，促使伺服系统操作更加简便，控制精准度更高。
关键词：DSP；伺服控制；系统设计；研究
伺服控制系统被广泛应用于我国制造业生产中，促使伺服控制系统水平提高和发展，对促进我国社会经济发展具有重要的促进作用。虽然在我国社会经济和科学技术发展背景下，伺服技术也得到很大幅度的发展，但是与其他国家相比较，我国在伺服系统方面技术还是处于落后的地位，还需要投入更多的时间和精力对伺服控制系统进行研究。在伺服控制系统中，随着控制算法复杂度提高，运用传统的模拟控制会大幅度的降低可靠性，并且控制系统还会受到环境的影响，进而影响控制的精准度。随着数字伺服系统的出现，很大程度的提高的控制系统的稳定性，进行编程也更加的方便，其中尤其是专用电机控制芯片的出现，推动了伺服控制系统的进一步发展。
1DSP基本概述
DSP又被称之为数字信号处理器，在伺服控制系统中进行运用，具有处理速度快、精准度高的优势特点。这一优势的形成主要是因为运用的DSP芯片频率高达几百MHZ，因此在对数据处理上速度较快。在传统的伺服控制系统中主要是运用MCU，这一结构下，数据空间和指令空间相互连接在一起，进而对处理速度造成影响。然而，在现代运用DSP芯片数据空间和指令空间呈分开状态，在对数据进行处理时不会遭受到影响，这也提升了数据处理的速度和准确性。在现目前，DSP主要是应用于一些数据较大、进行计算困难的场合中。同时也能够较好的应用于神经网络控制、自适应控制和模糊逻辑控制当中[1]。
2控制系统整体设计和建模
2.1系统模块选择
2.1.1控制芯片
控制器在电机伺服系统中的主要任务，概括起来就是，实时接收输入信号，根据伺服系统的控制规律和算法进行数据的计算处理和存储、逻辑的判断等，最后实时输出数据。对控制器有下列要求：（1）具有足够的处理能力，能够实现一些复杂的或数据量大的控制算法；（2）对事件有快速的响应，对于外部输入信号、异常事件有快速的反应；（3）较高的分辨率，能够使误差尽量最小[2]。在本文中，由于要实现低速下摩擦的补偿，对控制器的实时性和计算速度要求比较高，因此选用 DSP 作为核心控制芯片。本系统采用C2000 系列32 位浮点芯片，与以往的定点 DSP 相比，在保持了原有 DSP 优点的同时，大大增加了片内存储空间。
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2.1.2电机驱动器
直流电机的最常用调速方式是保证励磁线圈的电流稳定，即励磁磁通不变，然后改变电枢电压从而改变电机转速。采用这种调速方式，电动机的机械硬度不变，电动机低速下的稳定性好；并且能够实现电动机的无极调速，即速度能够连续变化[2]。PWM的优点是电路结构比较简单，所需要的功率器件较少。特别是它驱动电路中几乎没有附加损耗，能量利用率很高。因此，在现在伺服系统中越来越多的采用脉宽调制技术。
2.1.3测角元件
伺服系统的目的是为了实现角度和角速度的精确跟踪。利用测角元件能够把电机的角度量变为数字信号进行分析。控制器根据给定值和测角元件的反馈值对控制输出进行修正，使偏差减少直至降为零。测角元件是整个电机伺服系统的至关重要的元件，其检测精度和实时性直接影响测角结果的精确性和伺服系统的控制性能。运动控制中应用较多的角度测量器件有：旋转变压器、光电编码器等。
2.2电机系统数学模型建立
对电机系统建立数学模型首先是建立直流电机的数学模型，运用直流电机电磁力矩方程 ，再运用电机转矩平衡方程 ，从而对电机结构进行设计。之后对直流电机模型的参数进行整定，再将电力的参数带入，制定电机完整的模型。驱动电路的数学模型，主要是根据驱动器输出和输入之间的关系，运用DSP两个引脚信号，对正反转进行控制，其中一个 PWM 引脚输出 PWM 波，用于控制转速[3]。
3基于DSP的伺服控制系统设计
为了使电机控制系统中各个硬件设备能够正常运行工作，有效实现各个控制环节和元件之间的匹配连接和实时控制管理，除了设计正确的连接电路之外，还需要相应的软件体系来提供支持。主要是用 C 语言、汇编或者其他语言对控制器进行编程，控制实时系统的工作。
3.1DSP模块化程序设计
3.1.1eOEP模块
e QEP 即增强型正交编码脉冲模块，它通常与编码器一起使用来获取方向、角位置和角速度信息。光电编码器固定在电机轴上，随着电机轴的转动编码器输出一定频率的、相位差为 90 度的两路脉冲信号，脉冲的频率正比于电机转速。因此通过测量码盘产生脉冲的瞬时频率即可得到此时的电机转速。
3.1.2ePWM模块
e PWM 即增强型脉宽调制，它是 F28335DSP 的重要外设模块。ePWM 模块的输出包括两路信号，分别是EPWMxA和EPWMxB，PWM信号通过DSP的GPIO口输送到外部。所有 e PWM 模块都是相对独立的，它们的内部逻辑电路没有任何关联。但是通过使用时钟同步技术，可以将不同的e PWM 模块级联到一起[4]。
3.2上下位机串口通信设计
上位机（PC 机）通常是用来对下位机发出操作指令和显示结果数据。而下位机（DSP）则用来实现设备的直接控制并且获得设备的一些状态信息。上位机主要是运用基于 matlab 的 GUI 编程进行设计，下位机主要是运用DSP 的 FIFO 功能进程序设计。通过DSP 与上位机的串口通信，保证数据传输的准确性，并且DSP 内部的 FIFO 模块有效提升了串口通信的效率，减轻了 DSP 负担。
结语：通过本文对基于DSP的伺服控制系统设计的研究，运用DSP作为控制器，并且对伺服控制系统进行设计。首先是对电机伺服系统进行建模，对所需要的控制器、驱动器、测角元件等进行选择，并根据设备参数建立伺服控制系统的数学模型，然后对DSP模块化进行设计，通过模块的选择和上下位机串口通信的有效设计，保证数据传输和处理的精准性和有效性。
参考文献：
[1]毛文杰.基于DSP的PMSM伺服系统设计[D].浙江大学，2013.
[2]柳佳男.基于DSP的伺服控制系统设计研究[D].哈尔滨工业大学，2016.
[3]林建洪，方丽芳.一种新型永磁同步电动机伺服控制系统设计[J].河南城建学院学报，2017，26（2)：88-92.
[4]邓永停，李洪文，王建立等.基于DSP和FPGA的望远镜伺服控制系统设计[J].红外与激光工程，2014，（3)：908-914.
论文作者:黄炉平
论文发表刊物:《基层建设》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/16
标签：控制系统论文; 电机论文; 模块论文; 伺服系统论文; 控制器论文; 元件论文; 数据论文; 《基层建设》2018年第2期论文;