DSP技術在艦炮伺服系統中的應用

朱 偉

（駐北京地區艦船設備軍事代表室，北京 100034）

1 DSP芯片特點

DSP芯片，也稱數字信號處理器，是一種特別適合于進行數字信號處理運算的微處理器，其主要應用是實時快速地實現各種數字信號處理算法。根據數字信號處理的要求，DSP芯片具有如下主要特點：程序和數據空間分開，可以同時訪問指令和數據；片內具有快速 RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數據總線在兩塊中同時訪問；快速的中斷處理和硬件I/O支持；可以并行執行多個操作；支持流水線操作，使取指、譯碼和執行等操作可以重疊執行。

2 設計方案

艦炮伺服控制系統是帶有速度前饋的三閉環控制系統，這三個閉環分別是電流環、速度環和位置環。

圖1 艦炮伺服系統示意

電流環為控制系統內環，在變頻驅動器內部完成，其作用是通過對電機電流的控制使電機表現出期望的力矩特性。速度環也是控制系統內環，它處在電流環之外，位置環之內。速度環在變頻驅動器內部完成，其作用是使電機表現出期望的速度特性。速度環的給定是位置環的輸出，速度反饋由安裝在電機上的測速發電機提供。速度環的輸出，是電流環的輸入。電流環和速度環采用PI控制器進行控制。

位置環是控制系統外環，其控制器由嵌入式DSP控制器實現，其作用是使電機到達期望的位置，采用PID控制器進行控制。包括以下主要模塊： DSP、雙CAN總線模塊，D/A模塊，SDC轉換模塊，DI/O模塊等，完成位置環的閉環控制。DSP選用為TI公司的芯片進行設計，該芯片擁有150MHZ時鐘，具有較為齊全的接口電路和極強的數據處理能力，主要完成伺服位置控制算法、伺服典型運動曲線的產生、伺服系統邏輯控制等。通訊模塊負責與其它系統進行通訊，傳遞數據信息；信號調理模塊完成自整角機信號、開關量信號的采集，及模擬量、開關量等輸出信號的隔離、驅動控制；電源模塊為DSP系統提供DC3.3V電源。

位置環的控制算法在DSP芯片上實現，其作用是使電機到達期望的位置。采用分段變參數PID控制算法。該算法的主要思路是：隨著系統誤差的減小，適當減小比例系數和微分系數，并加大積分系數。分段變參數PID控制算法區的大小可根據具體情況來定，只要控制變量在這個區的變化較平穩即可。為此，在小誤差時取消微分，以避免微分引入干擾。在系統誤差和誤差的微分都接近零時，則清空積分項，消除積分記憶作用帶來的負面影響。具體PID控制算法如下：

圖 2 數字位置環PID控制算法流程圖

積分分離處理的PID控制算法

1）根據實際情況，人為設定一閾值ε＞0。

2）當|e(k)|＞ε時，也即偏差值|e(k)|比較大時，采用PD控制，可使超調量大幅度降低，又使系統有較快的響應速度。

3）當|e(k)|≤ε時，也即偏差值|e(k)|比較小時，采用PID控制，可保證系統的控制精度。

系統數字位置環數字PID控制算法如下圖所示。

經過實際測試，伺服系統完全達到了規定的性能指標。

3 結論

本文設計了基于DSP的艦炮伺服系統，試驗表明該方案是可行的。通過試驗發現，嵌入式處理器DSP內部采用程序總線和數據線分開的哈佛結構，具有專門的硬件乘法器，可以滿足艦炮伺服系統高速實時性要求。

[1] 陶永華.新型PID控制及其應用[M].機械工業出版社,1998.

[2] 張雄偉.DSP芯片的原理與開發應用[M].電子工業出版社,2002.

[3] 秦憶.現代交流伺服系統[M].華中理工大學出版社,1995.