基于DSP的高精度伺服位置環(huán)設(shè)計(jì)方案

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　按任務(wù)劃分，系統(tǒng)軟件由任務(wù)與任務(wù)管理模塊構(gòu)成，任務(wù)管理模塊對(duì)人機(jī)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(diào)度管理?？刂扑惴ㄖ饕ǎ赫{(diào)節(jié)器控制算法、矢量控制算法和數(shù)字濾波器算法等。
　　按照結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，遵循“功能獨(dú)立”的原則，將系統(tǒng)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(shè)計(jì)、調(diào)試、修改和維護(hù)。矢量控制軟件設(shè)計(jì)采用典型的前后臺(tái)模式，以主程序作為后臺(tái)任務(wù)，中斷服務(wù)程序作為前臺(tái)任務(wù)。根據(jù)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(tǒng)的一些測(cè)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(tái)任務(wù)。
　　主程序是軟件的主體框架，其工作過(guò)程是：系統(tǒng)上電復(fù)位后，依次對(duì)片內(nèi)外設(shè)進(jìn)行初始化、從E2PROM中讀出控制參數(shù)、LED顯示初始信息。初始化完成后，主程序循環(huán)執(zhí)行LED顯示、鍵盤(pán)處理和參數(shù)計(jì)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(hào)，進(jìn)行角度和速度計(jì)算，接著進(jìn)行A/D采樣并執(zhí)行clark和park變換，然后進(jìn)行PI調(diào)節(jié)、反park變換，最后進(jìn)入空間矢量模塊，產(chǎn)生PWM信號(hào)。
　　控制器算法
　　系統(tǒng)采用三環(huán)控制結(jié)構(gòu)，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(bǔ)償控制。
　　PID控制算法
　　PID控制算法是控制中最常用的算法，對(duì)于大多數(shù)的控制對(duì)象采用PID控制均能達(dá)到滿意的效果。為防止PID調(diào)節(jié)器出現(xiàn)過(guò)飽和，系統(tǒng)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，為飽和前的輸出，KP為PID控制的比例增益，Ti為PID控制的積分時(shí)間常數(shù)，Td為PID控制的微分時(shí)間常數(shù)，Kc為退飽和時(shí)間常數(shù)。
　　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(jié)構(gòu)，如圖3所示，其中Gm為電機(jī)的傳遞函數(shù)，Gspd為速度環(huán)的傳遞函數(shù)，Gpos為位置環(huán)的傳遞函數(shù)，F(xiàn)pos為位置前饋控制器傳遞函數(shù)。

　　系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

　　當(dāng)Fpos(s)=1/(Gspd(s)Gm(s))時(shí)，H(s)=1，則可使輸出完全復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)，且系統(tǒng)的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)誤差都為零。其中當(dāng)速度調(diào)節(jié)器采用PI控制時(shí)，在位置環(huán)的截止頻率遠(yuǎn)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(jié)，電機(jī)可等效為一個(gè)積分環(huán)節(jié)，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(xiàng)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(hào);Yaf為第K個(gè)采樣周期中加速度信號(hào)的輸出，Kaf為加速度前饋比例系數(shù)。
　　位置前饋中速度項(xiàng)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(hào);Yaf為第K個(gè)采樣周期中速度信號(hào)的輸出，Ksf為速度前饋比例系數(shù)。
　　相應(yīng)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(hào);C(k)為第K個(gè)采樣周期中的位置反饋信號(hào)，Ye為第K個(gè)采樣周期中位置環(huán)信號(hào)的輸出，Kc為位置環(huán)比例系數(shù)。
　　絕對(duì)式編碼器通信程序
　　絕對(duì)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(jié)構(gòu)如圖4所示。此電路完成串行輸入數(shù)據(jù)到并行輸出數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，以及并行輸入數(shù)據(jù)到串行輸出數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)，并通過(guò)端口DOUT將數(shù)據(jù)串行輸出到RS-485端口。反過(guò)來(lái)，RX模塊接收串行數(shù)據(jù)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(hào)轉(zhuǎn)成脈沖形式輸出，實(shí)現(xiàn)與CNC的連接。