基于DSP的数字伺服机构控制系统设计

2014

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DSP在闭环伺服系统中的应用

本文主要描述了基于伺服电机控制产生的位置闭环伺服驱动器的数字信号处理器（DSP）技术，该技术也可用于先进制造技术的应用，如机器人，数控机床和其他机械定位系统。

无论DSP或者智能伺服控制都不是其凭借自己实力创造的新技术。然而，依靠着其分布式控制结构在设计计算机控制生产设备方面具有的巨大潜力，斯温伯尔尼科技大学（霍桑，维多利亚，澳大利亚）设计了一种将两者结合应用的新系统结构。由此产生的技术，已经被澳大利亚softronics公司命名为CIM驱动并且商业化。

智能伺服系统设计的关键性因素是一种可以用于规定跨伺服通信和监控的实时局域网络。在研究过程中开发了一个相对简单的组网方案（命名为“软网”）。本文强调了在CIM中心一些新的，商业上可用的作为CAN总线、现场总线与LON总线的替代品,展现出了对于当前发展道路的追求。

1. 引言

麻省理工学院在1948年第一次概念化了数控伺服电机，在现代制造系统和最基础的现代机器人和数控机床之中，它是使用最为大量的组成元件。一个典型的机器人使用

5到9个伺服驱动器，而数控机床中甚至使用多达13个电机和驱动器。该伺服驱动系统的设计，提供了加工技术和电力电子技术以精确地使一个交流或直流电动机旋转，以最终决定机器人、数控机床、柔性制造系统（FMS）的整体设计。这是令人惊讶的，因此，我们发现伺服驱动系统的设计通常用在隔离他们的预期应用和围绕设计伺服驱动器的应用（机器人，等）。

几年前，随着需要兼容现代制造控制系统，在斯温伯尔尼科技大学（霍桑，维多利亚，澳大利亚）的研究项目开始用来研究和开发的伺服驱动系统。本文的目的在于提供这方面的研究概况，并说明研究开发方法在研究计划中的益处。

为了开展在斯温伯尔尼大学的研究工作，首先要理解现代机床控制的基础知识。如图1所示，从文献[ 1 ]中提取出来。图1的模型曾经需要很多年制造，因为其前提基于处理器的技术昂贵并需要很谨慎的使用。当然现在不再是这种情况,因此需要审查基本架构,检验模型,使其更贴近未来先进自动化设备的需求。我们尤其注重其重要性，因此，其问题是伺服驱动控制器是否应该拥有或多或少的智能性，以及监督控制器(或主机调度器)是否应该或多或少的控制伺服的活动程度。 2014

基于ＤＳＰ和ＦＰＧＡ的数　

［摘要］　

关键词　

０引言　控系　数控技术　

统运动控制的设计　

章　明，马　伟，李济顺，韩红彪　

（河南科技大学　河南洛阳’４１７００３）　

设计了一种全闭环运动控制系统来完成对伺服电机高速、高精度的控制。采用高速数字信号处理器和　

现场可编程门阵列搭建运动控制的硬件平台，实现对步进电机的两轴控制。　

ＤＳＰ　ＦＰＧＡ步进电机伺服系统　

运动控制是数控系统的重要组成部分，数控系统　

的性能很大程度上取决于运动控制器的选择。ＤＳＰ器　

件与当前流行的单片机相比，其结构性能都有很大的　

改善　］，其处理速度和控制精度极大提高。ＤＳＰ因其高　

速和专用的控制模块，成为了数控系统运动控制卡的　

核心芯片。但对于低速的ＤＳＰ，因受运算能力的限　

制，多轴联动的速度和精度不能达到用户要求，单个　

ＤＳＰ芯片实现多轴联动就显得力不从心［２］。现在市场　

上的多轴运动控制卡大多采用多个ＤＳＰ控制多轴联动　

和ＤＳＰ负责复杂运算，结合扩展的］／ｏ或Ｄ／Ａ通道去　

控制多轴联动。全部数控系统的功能都集中在一块运　

动控制卡中，维护困难，也不能满足不同用户的需　

求　］。本文利用可编程大规模门阵列电路ＦＰＧＡ的并　

行性和可编程性，对光电编码器输出信号倍频、鉴　

相、计数，有利于提高被控对象的测量精度和控制精　

度。而高精度的不同电机的两轴控制，使单个ＤＳＰ控　

制多轴联动成为可能。硬件结构化的设计思想，使硬　

件的升级维护容易，开放性进一步提高　。　

１数控系统的结构模型　

１．１　ＡＤＳＰ２１０６５Ｌ　

ＡＤＳＰ２１０６５Ｌ芯片内部采用超级哈佛结构，内部　

有４套独立总线，分别用于双数据存取、指令存取和　

］／ｏ接１：３，十分有效地将数字信号处理系统的主要功能　

块集成在一片芯片上。运算控制单元可以完成３２ｂｉｔ定　

点运算或３２／４０ｂｉｔ浮点运算，包括乘法器、加法器、　

移位器在内的运算单元具有１２０ＭＦＬＯＰＳ的峰值运算　

能力，可以在单周期内带条件判断执行一次乘、一次　

分类号

编 号

实 验 总 结

题 目 基于DSP的电机控制

院 系 电力学院

专 业 自动化

姓 名 梁宁

学 号 200908831

2012 年 6月 5日

基于DSP的电机控制

步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机。它的位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，从而使电机旋转。步进电机具有步进数可控、运行平稳、价格便宜的优点，在加速器控制系统中的应用很广。

传统的步进电机一般可分为永磁式步进电动机(PM Step

Motor)，反应式步进电动机(VR Step Motor)和混合式步进电动机(Hybrid Step Motor)三种。 在数字化电机控制系统产生之前，要想获得高性能的步进电机驱动要么是采用昂贵、难维护的直流电机配便宜的控制装置，要么就是使用便宜的交流电机配昂贵、复杂的控制装置。基于DSP的数字化电机控制的出现改变了这一状况，由于DSP强大的运算能力，它可以实时地实现一些先进的控制算法，获得高性能的电机驱动控制。 数字化电机控制的优点正是由于数字化的信号和信号处理所带来的，和模拟控制相比，它具有互联方便，稳定性好，便于大规模集成，可以构成复杂的系统，容易修改，便于测试、调试和大规模生产等优点。数字化电机控制技术包括两个组成部分，现代电机控制理论和数字信号处理，其中数字信号处理又包括数字信号处理技术和数字信号处理器技术。数字化电机控制的发展和这几个方面的进展是密不可分的。 现代电机控制理论以矢量控制理论为代表，还有近年来得到快速发展的直接转矩控制理论等，这些高性能的控制方案需要进行大量的实时运算，用模拟器件的硬件方案来实现相当困难，难以实用化。只是在具有强大运算能力的控制器如DSP等价格下降，性能提高之后，数字化的高性能控制方案才开始大量步入实用领域。

压与气动　４ｌ　

王亮　。王永利　

ＤＳＰ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏ—ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｓｅｒｖｏ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　

ＷＡＮＧ　Ｌｉａｎｇ　，ＷＡＮＧ　Ｙｏｎｇ—ｌｉ２　

（１．西北工业大学第３６５研究所，陕西西安７１００７２；２．西北机电工程研究所鸿顺公司，陕西咸阳７１２０００）　

摘要：针对电液位置伺服控制，以ＴＭＳ３２０Ｃ２８１２　ＤＳＰ为平台，采用模糊ＰＩＤ控制方法，阐述了用ＤＳＰ实　现电液压伺服控制器的设计。试验结果表明，ＤＳＰ能很好实现实时控制算法，使得伺服控制器能很好地实现　

实时控制，系统具有良好的动态品质和稳态性能，满足高精度位置伺服控制的要求。　

关键词：电液伺服机构；ＤＳＰ；模糊ＰＩＤ；控制　

中图分类号：ＴＨ１３７．７；ＴＰ２７３文献标识码：Ｂ文章编号：１０００４８５８（２０Ｃｒ７）０３—００４１—０３　

０引言　液压伺服系统应用非常广泛，如制造系统，工程机　

械，航空，船舶，钢铁和铝冶炼设备等。液压系统以其　

很高的功率重量比和精确的控制成为航空领域一个理　想的选择，通常带宽大于２０　Ｈｚ或功率大于１５　ｋＷ时　

适合采用液压伺服技术。在动态特性要求高的场合，　

控制系统必然包含由反馈传感器和电子控制器组成的　伺服回路，随着控制要求的不断提高和复杂控制方法　

的不断出现，ＤＳＰ技术很快受到青睐＿１　ｊ。尤其是在电　

液伺服系统的控制中，高速的信号可以提供实时的位　

置信息，保证控制信号响应的快速性。本文介绍了用　

ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２　ＤＳＰ实现某型航空液压位置伺服机构控　

制的应用。　１液压伺服系统模型　

一个典型的位置控制液压系统如图１所示，有以　下组成部分：液压源、流量阀、线性作动器、位置传感　

器、电子伺服控制器。伺服控制器对比位置反馈信号　

和输入指令信号，确定位置误差并产生命令信号驱动　流量阀，控制阀调整流量驱动做动器，直到到达指定位　

置，此时误差信号为零。　

高质量的液压执行机构的性能关键依赖伺服控制　器。实现给定算法的处理器必须有足够快的计算速