王玄玄（廣東工程職業(yè)技術學院，廣東廣州　510520）

基于DSP的直流伺服電機數(shù)字控制系統(tǒng)

王玄玄
（廣東工程職業(yè)技術學院，廣東廣州510520）

摘要：現(xiàn)有的直流伺服電機模擬控制系統(tǒng)存在器件精度要求高、控制穩(wěn)定性差等問題。為此，提出了一種基于DSP的數(shù)字控制系統(tǒng)，并對DSP控制算法的實現(xiàn)進行了詳細介紹。該系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)方式，使用DSP作為數(shù)字化電機控制系統(tǒng)的核心，可以克服舊有控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、控制精度低、成本高的不足，并能使各種先進的控制理論應用于實際控制中，使電機控制的性能和水平大為提高。

關鍵詞：直流電機；DSP；數(shù)字控制；控制算法

0　引言

直流電機是最早出現(xiàn)并得到廣泛應用的電機，具有調(diào)速性能好、容易實現(xiàn)調(diào)速等優(yōu)點，在工程應用中已得到廣泛應用。在有速度控制和位置控制的場合，尤其是在各種伺服系統(tǒng)中，直流電機的應用最為廣泛。要實現(xiàn)一個用于直流電機控制的伺服系統(tǒng)，過去通用的方法是利用高精度的器件構(gòu)成一個開環(huán)回路，或者利用各種運算放大電路并結(jié)合自動控制理論構(gòu)成一個閉環(huán)回路。這種開環(huán)或閉環(huán)回路組成的控制系統(tǒng)稱為模擬控制系統(tǒng)。開環(huán)回路對器件精度要求高，會導致系統(tǒng)成本上升；而閉環(huán)回路雖然可采用較低精度的器件實現(xiàn)系統(tǒng)的高精度控制，但是隨著現(xiàn)場溫度的變化和器件的老化，模擬器件的各種參數(shù)都會產(chǎn)生變化，控制系統(tǒng)的特性也會隨之而變化，整個系統(tǒng)有可能因此而變得不穩(wěn)定甚至崩潰。除此以外，模擬控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相當復雜，生產(chǎn)、調(diào)試、維修都需要專門的技術人員，使生產(chǎn)、使用成本居高不下。正是由于模擬控制系統(tǒng)存在著上述種種不足，開發(fā)一種新的數(shù)字控制系統(tǒng)來取代舊有的直流伺服電機模擬控制系統(tǒng)便迫在眉睫。

隨著現(xiàn)代制造技術和控制技術的高速發(fā)展，近年來直流電機的結(jié)構(gòu)和控制方式發(fā)生了很大變化。計算機和嵌入式系統(tǒng)在自動控制領域的應用，以及新型半導體功率元器件的發(fā)展，使得全控型的開關功率管被用作電機功率驅(qū)動管，從而實現(xiàn)電機的PWM（脈寬調(diào)制）控制。這種方法作為一種主流控制方式，已成為伺服電機數(shù)字控制的基礎。同時，利用微機和單片機結(jié)合數(shù)字控制理論而實現(xiàn)的數(shù)字控制系統(tǒng)把電機控制推進到信息化時代。但是，以微機和單片機構(gòu)成的數(shù)字控制系統(tǒng)并不完美，這是因為微機的體積太大而單片機的運算能力又不足，且都需要復雜的外圍電路才能實現(xiàn)對電機的控制。DSP（數(shù)字信號處理器）的出現(xiàn)，為伺服系統(tǒng)的控制提供了一個新的實現(xiàn)手段。

DSP控制是完全的數(shù)字化控制，從采樣、運算到輸出都是以數(shù)字形式進行[1-2]。由于數(shù)字電路不存在溫漂問題，不受參數(shù)變化的影響，因此從根本上解決了模擬控制電路的參數(shù)變化和老化問題。同時，DSP芯片上集成了控制系統(tǒng)要用到的全部外設，所以系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性遠遠超過由分立元件搭建的模擬控制電路和舊的微機、單片機控制電路。另外，DSP具有高速運算、地址尋址和數(shù)據(jù)尋址分開、浮點運算和乘法直接運算等性能，因此能夠順利實現(xiàn)電機控制所需要的各種控制理論算法，如模糊控制、空間矢量控制等[3-4]。本文就如何用DSP實現(xiàn)直流伺服電機的數(shù)字控制進行了探討。

1　電機控制原理

直流伺服電機的控制原理如圖1所示。電機轉(zhuǎn)速通過傳感器反饋到輸入端，構(gòu)成閉環(huán)控制。這里的傳感器通常為旋轉(zhuǎn)式編碼盤，它可以反饋電機的角速度。電機在方向控制信號和PWM控制信號下，實現(xiàn)其調(diào)速及正反轉(zhuǎn)。

圖1　電機控制原理圖

PWM調(diào)速控制主要是調(diào)整控制的占空比α。改變占空比的常用方法有定寬調(diào)頻、調(diào)寬調(diào)頻和定頻調(diào)寬3種。其中定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻主要是通過改變輸出給電機的脈沖周期實現(xiàn)電機速度的調(diào)整，如果脈沖頻率和電機的固有頻率接近，采用這兩種方法會引起電機的振蕩，因此目前常采用定頻調(diào)寬來進行伺服電機的調(diào)速。

2　基于DSP的數(shù)字控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1電機轉(zhuǎn)速的PI調(diào)節(jié)原理

直流電機調(diào)速系統(tǒng)以轉(zhuǎn)速作為輸入，且要求電機的轉(zhuǎn)速跟隨給定值。文中采用雙閉環(huán)控制模式，即對伺服電機的速度環(huán)和電流環(huán)進行控制[5]。

對于伺服電機，采用飽和PI調(diào)節(jié)的算法來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，具體如下：

2.2 DSP控制算法的實現(xiàn)

2.2.1電機的電流環(huán)控制

（1）電機的電流檢測

由于電流環(huán)是直流電機控制內(nèi)環(huán)，因此要求電流值檢測數(shù)據(jù)可靠且實時。研究中采用霍爾電流傳感器獲得電流信號[6]，這種傳感器屬于非接觸型電流傳感器，對電機的運轉(zhuǎn)性能沒有影響，且無發(fā)熱問題，是理想的電流檢測用傳感器。

（2）電機驅(qū)動的電壓檢測

由于在DSP的A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換）和常用的A/D芯片里，參考電壓高電平VREFHI和參考電壓低電平VREFLO通常要滿足VREFHI≤Vcc、VREFLO≥Vss和VREFHI≥VREFLO這3個條件，即電流檢測所轉(zhuǎn)換的電壓輸入信號只能在VREFHI和VREFLO之間，亦即必須在Vcc和Vss之間，所以需要把輸入信號的零點進行偏置。為達到上述目的，用運放做了一個電壓放大偏置電路，如圖2所示。

A/D采樣方案原計劃是利用DSP自帶的A/D，在每個PWM周期的開始采樣，并做電流環(huán)的調(diào)制。但在實際使用中發(fā)現(xiàn)該方案無法正常工作，采集到的電壓信號與實際有很大出入。經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)PWM在晶體管通斷的時候肯定會造成電流的波動，因此要對電流采樣就必須對其做一個低通濾波處理，將輸入信號取直流分量。故此，將對信號的采樣頻率提高，并對采樣值進行平均值運算。這樣一來，在PWM周期中完成采樣的方法就行不通了，必須用另外一個時鐘信號來控制采樣。為了節(jié)省控制器上的定時器資源，使用SPI接口的TLC1543來做A/D采樣處理和轉(zhuǎn)換，利用控制器與外部A/D的通信間隔作為電流信號采樣的周期。

圖2　電機驅(qū)動電流信號放大偏置電路

（3）電流環(huán)控制算法

電流環(huán)的控制采用防積分飽和的PI控制算法。其中A/D采樣值的MSB（最高有效位）在實際使用中不需要再右移，因為把所獲得的采樣值用Q15格式的數(shù)值表示就可直接在實際運算中使用。程序主體代碼如下：

I_Rk+=((INT32S)I_Ki * I_Ek)>>12；

CMPR4=((INT32S)(st?mp+ (1<<12)) * I_U_Max)> >12；

2.2.2電機的速度環(huán)控制

電機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的采樣是讀入DSP的QEP（正交編碼脈沖）中寄存器值，由于QEP模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對編碼器信號的微分和倍頻處理，因此它能夠根據(jù)輸入的編碼器A/B相信號的相位差確定電機計數(shù)方向的正反，電機正轉(zhuǎn)寄存器中的值加1，電機反轉(zhuǎn)則數(shù)值減1。電機的速度控制也采用了防積分飽和的PI控制器算法。程序主體代碼如下：

2.2.3速度環(huán)中的加速度控制

速度環(huán)中的加速度控制是在電機控制任務中實現(xiàn)的。程序主體代碼如下：

其中，通過定時對電機狀態(tài)進行檢測，若當前目標速度Vt與最終目標速度Vm不等，就對當前目標速度Vt加上或減去加速度值dV，直至最終當前目標速度Vt與最終目標速度Vm相等。

2.2.4電機控制命令

直流電機控制命令如下：

motor load裝載直流電機驅(qū)動任務，并使能直流電機

motor unload卸載直流電機驅(qū)動任務，并禁止直流電機

motor set -<參數(shù)名> <參數(shù)>……

具體的參數(shù)名及對應的功能見表1。

表1　電機控制指令參數(shù)及其功能

直流電機在裝載后可從液晶屏上監(jiān)視其運行狀態(tài)。

3　結(jié)語

文中針對直流伺服電機模擬開環(huán)控制器件精度要求高、模擬閉環(huán)控制穩(wěn)定性差的缺點，提出了一種基于DSP的數(shù)字控制方法，并對數(shù)字PI控制的算法原理進行了詳細說明。該數(shù)字控制系統(tǒng)在工程實踐中成功應用，取得了較為理想的控制效果。后續(xù)擬更深入地探討進一步提高系統(tǒng)控制精度和穩(wěn)定性的有效方法。

參考文獻：

［1］王潞鋼，陳林康，曾岳南，等.DSP C2000程序員高手進階［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［2］劉和平，王維俊，江渝，等.TMS320LF240x DSP C語言開發(fā)應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2003.

［3］謝寶昌，任永德.電機的DSP控制技術及其應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2003.

［4］李方圓，李曉.基于DSP直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設計［J］.數(shù)字技術與應用，2012（12）：128-130.

［5］周美蘭，賈成禹.一種直流電機數(shù)字控制系統(tǒng)的設計與實驗研究［J］.黑龍江大學自然科學學報，2009，26（6）：825-829.

［6］Briz F，Degner M W，Lorenz R D.Analysis and design of current regulators using complex vectors［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2000，36（3）：817-825.

(編輯：向飛)

Digital Control System of DC Servo Motor Based on DSP

WANG Xuan-xuan
（Guangdong Engineering Polytechinc，Guangzhou510520，China）

Abstract:As the existing analog control systems of DC servo motor are of low stability and need high-accuracy devices，a digital control system based on DSP is proposed，and the corresponding implementation schemes of DSP control algorithm are discussed in detail.In the proposed system，a PI adjustment manner is adopted，and a DSP is used as the core for the digital control.Thus，the disadvantages of the existing control systems，namely complex structure，low control accuracy and high cost，are overcome.Moreover，with the help of the proposed system，some advanced control theories can be effectively applied to practical engineering，and the performance and accuracy of motor control are remarkably improved.

Key words:DC motor；DSP；digital control；control algorithm

作者簡介：王玄玄，女，1984年生，山西運城人，碩士，助教。研究領域：計算機技術及應用。

收稿日期：2015－07－09

DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2015.08.028

中圖分類號：TP29 TP39

文獻標識碼：A

文章編號：1009－9492 (2015 ) 08－0102－04