基于TMS320F28335的伺服系統數字化速度環設計

馬蓓麗+楊國文

摘 要：針對傳統伺服系統模擬速度環難以實現高精度高性能的控制要求，文章設計并闡述了數字化速度環系統的結構原理與硬件實現。系統采用LTC1821芯片為數模轉換（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，搭建高精度速度環伺服跟蹤平臺。仿真實驗證明，通過DSP軟件設計與調試，運用增量式比例積分（PI）調節算法，該系統具有響應速度快，低超調和閉環精度高等優點。

關鍵詞：伺服系統；速度環；D/A轉換；PI算法

引言

作為伺服控制系統非常重要的組成部分，速度環要求具有高精度、快響應、強抗干擾性等良好的控制性能，以實現伺服系統快速準確的定位與跟蹤。對于速度環伺服系統設計，其轉速控制要求有兩個方面：在給定的最高轉速和最低轉速的范圍內，實現不同轉速的調節；以一定的精度在所需轉速上穩定運行，在各種可能的干擾下不允許有過大的轉速波動[1]。

為實現高精度的數字化速度環設計，本文提出使用16位D/A轉換芯片LTC1821為核心的速度環伺服跟蹤系統，該芯片實現高精度數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抗干擾特性，可完成控制需求；同時搭配使用數字信號處理器TMS320F28335為控制器[2]，軟件設計控制LTC1821，以實現系統高精度數字化功能。

1 伺服速度環系統框架

該系統硬件可分為DSP控制模塊、D/A轉換模塊、驅動控制模塊、通信接口模塊和電源模塊等組成。其結構框圖[3]如圖1所示：

本系統首先利用光纖陀螺儀作為速度反饋裝置，DSP芯片內置的SCI模塊可采集陀螺信號，提供轉臺的角度反饋數據，同時進行DSP軟件算法搭建速度環PI控制器，實現系統的高精度速度閉環[4]；其次D/A轉換模塊將DSP運算形成的數字信號控制量轉換成模擬信號輸出至驅動模塊，實現電機的轉速控制；最后為實現DSP芯片與外部設備的數據傳輸，通過通信接口模塊實現通訊，DSP可接收給定速度命令，同時將當前實時速度值及各種故障狀態回傳，實現對整個系統的控制監控。

2 硬件設計

2.1 D/A轉換模塊

DAC芯片選用凌特公司生產的16位并行數字接口、高精度、快速建立的電壓輸出型數字模擬轉換器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，在整個工業溫度范圍內，其積分非線性和微分非線性不超過1LSB；具有超快速建立性能，在滿度輸出范圍為10V時，LTC1821輸出達到1LSB的時間小于2us；具有異步輸入清零功能，引腳異步輸入CLR置低電平時，LTC1821輸出復位到零[5]。其外部連接電路應用如圖2所示。

電路設計中，LTC1821工作在雙極性工作模式，輸出電壓-10V至10V，選用芯片LT1236提供穩定的高精度基準電壓10V；電容C6為芯片內部運放的反饋電容（單極性模式22pF，雙極性模式15pF），用作頻率補償，減小內部電路產生的相移，避免產生自激震蕩，以保持運放的穩定；RCOM引腳連接芯片內部的兩個電阻的中間點，LT1468提供REF引腳驅動[6]。

2.2 DSP控制設計

本系統使用的TI公司的TMS320F28335芯片是具有浮點運算單元的高性能數字信號處理器，片上資源豐富，可滿足伺服系統更快更準的控制需求[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轉換芯片LTC1821之間的硬件連接設計[8]如圖3所示。

2.2.1 LTC1821時序控制

LTC1821是具有配備輸入寄存器和DAC寄存器兩個16位寄存器的雙緩沖結構。當引腳WR拉到低電平時，輸入數據加載到LTC1821的輸入寄存器；當引腳LD拉到高電平時，DAC寄存器被更新，進而DAC輸出數據被更新。本文中，將引腳WR與LD短接，直接與74LV138的譯碼信號輸出端，作為控制LTC1821的時序控制端口。在控制信號輸出的下降沿，輸入數據被寫入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，LTC1821復位到0V輸出[9]。

2.2.2 TMS320F28335與LTC1821間接口設計

系統中，將LTC1821的16位數據線D0-D15與DSP的XD0-XD15連接，實現16位并行數據輸入；選用DSP的I/O端口控制LTC1821的CLR引腳，高電平時LTC1821處于正常工作模式下，拉至低電平則復位清零；LTC1821只可輸出單路模擬電壓值，要同時實現方位和俯仰雙路電壓控制，電路中需放置兩個LTC1821芯片，通過TMS320F28335的地址線XA0、XA1和XA2和地址片選信號CS7，連接74LV138芯片進行地址譯碼，產生兩路LTC1821的選通控制信號Y0和Y1[10]；DSP程序編寫中，可分配方位和俯仰數字控制電壓的地址，當在兩個地址分別寫入方位或俯仰數據，引腳Y0或Y1變為低電平，對應的方位或俯仰LTC1821芯片輸出相應的控制電壓模擬量[11]。其時序設計示意圖如圖4所示。

3 軟件設計實現

根據PI控制原理，比例增益系數P會對系統的精確度和剛性有影響，比例增益越大，系統的響應速度越快，但會帶來超調和震蕩，而積分增益系數I則可消除系統存在的穩態誤差，提高系統的閉環精度。PI算法分位置式和增量式兩種，本系統軟件設計中采用增量式PI控制算法。兩者相比，位置式PI算法輸出直接對應對象的輸出，對系統影響較大，而增量式PI算法輸出的是控制量的增量，若系統出現故障，誤動作影響較小；位置式PI算法的控制輸出與整個過去的狀態有關，使用的是誤差的累加值，而增量式PI算法，只與當前時刻和上一時刻的誤差有關，其累積誤差相對更小[12][13]。

3.1 增量式PI算法

系統中，設ierror（k）為第k次采樣時刻的速度誤差值，Sumierror（k）為前k次采樣時刻的速度誤差累加和，Kp為比例系數，Ki為積分系數，U（k）為在第k-1次采樣時刻輸出控制量，則該系統的位置式PI算法表達式為：

U（k）=Kp*ierror（k）+Ki*Sumierror（k）

=Kp*ierror（k）+Ki*？撞■■ierror（i） （1）

其中，k為采樣序號，k=0，1，2，…；ierror（k）為系統在第k次采樣時刻的誤差值，ierror（k-1）為在第k-1次采樣時刻的誤差值。

遞推出第k-1次采樣時刻輸出控制量，表達為：

U（k-1）=Kp*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控制的輸出計算，只與當前時刻和上一時刻的誤差有關，與位置式PI算法相比，其累積誤差相對較小，軟件設計時運算量相對較小；另外，其輸出的是控制量增量，閉環響應速度更快，精度更高[14]。

3.2 軟件實現

本速度環系統的增量式PI控制器軟件設計中[15][16]，設定控制周期1ms，計算速度誤差ierror（k），即系統當前速度與目標速度的差值：

ierror（k）=Vo（k）-Vb（k） （5）

式中，Vo（k）為第k次采樣時刻的系統給定目標速度，Vb（k）為當前系統實測速度。利用公式（4），經過PI算法形成控制信號的數字量，送給D/A輸出模擬控制量完成一個控制過程，其軟件流程圖如圖5。

4 仿真結果與分析

以本文設計的系統平臺進行實驗并仿真，選取合適的P和I參數，由上位機發送目標速度指令，使伺服轉臺由當前速度快速響應至目標速度并穩定閉環。實驗波形曲線如圖6和圖7所示，圖6為速度響應曲線與目標速度6000的對比圖，圖7為誤差曲線。

仿真結果顯示，系統PI算法速度響應的峰值時間約25ms，調節時間約50ms，超調量可控制在15%以下，速度穩定后的閉環精度可達0.1%。實驗結果顯示，該系統在增量式PI的軟件算法下，可快速穩定的實現速度閉環，具有比較理想的控制效果。

5 結束語

本文介紹了基于LTC1821的數字化速度環系統，以處理器TMS320F28335與DAC芯片LTC1821進行了硬件設計，同時通過DSP內部軟件編程完成增量式PI算法。試驗證明該系統可實現高精度快速準確的速度閉環，以及一定轉速范圍內不同轉速的調節。

參考文獻

[1]任潤柏，周荔丹，姚鋼.TMS320F28X源碼解讀[M].北京：電子工業出版社，2010.

[2]陳光偉，向中凡.基于TMS320F2812的最小系統設計[J].微型機與應用，2010，29（12）：49-51.

[3]陳永剛，閻秋生.基于速度環增益調度PI算法的直線電機控制系統設計[J].制造業自動化，2013，35（6）：107-113.

[4]陳伯時.電力拖動自動控制系統-運動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2010.

[5]喬敏娟，韓文波，劉瑩瑩，等.基于DSP的無刷直流電機閉環控制系統的設計[J].計算機與現代化，2014，221（1）：206-210.

[6]韋宏利，李金榮.基于LS052A-Cb的無刷直流電機的控制系統設計[J].機械與電子，2016，34（2）：68-71.

[7]韓海云，劉軍，秦海鴻，等.永磁同步電機伺服系統速度環優化設計[J].現代雷達，2013，35（1）：63-67.

[8]白云，郭陽寬，祝連慶，等.基于DSP的無刷直流電機速度環控制系統設計[J].電子產品世界，2013，20（1）：34-36.

[9]楊金寶，楊樺，王楠，等.數控變速調焦控制電路的設計[J].光電技術應用，2014，29（1）：68-70，79.

[10]李紅衛，劉昊，李勇臻.基于TMS320F28335的雷達伺服系統的設計與實現[J].電子設計工程，2013，21（1）：170-172，176.

[11]許煒，余曉華，闕宇瀟.基于TB6551FG正弦波驅動的無刷直流電機控制系統研究[J].機電信息，2013（73）：61-63.

[12]叢爽，魏學云，鄧科，等.陀螺穩定平臺速度環的離散模型參考自適應控制[J].信息與控制，2014，43（3）：287-292.

[13]韓海云，劉軍，秦海鴻，等.永磁同步電機伺服系統速度環優化設計[J].現代雷達，2013，35（1）：63-67.

[14]徐曉霞.機載光電跟蹤系統的模糊PID控制[J].電子設計工程，2012，20（2）：108-111.

[15]楊鵬，王飛，賈春奇，等.無刷直流電機閉環控制仿真系統的研究[J].微電機，2013，46（11）：76-78.

[16]趙正黎，于惠鈞，張發明，等.基于模糊PID控制的直流電機調速系統[J].湖南工業大學學報，2015，29（2）：38-43.

作者簡介：馬蓓麗（1985-），女，河南省輝縣市，碩士，工程師，研究方向：伺服系統軟件控制設計。