周燕菲 袁文玉 孫曉婷 黃毅

（曲阜師范大學(xué)工學(xué)院（日照） 山東省日照市 276826）

1 引言

隨著社會經(jīng)濟和科技的進(jìn)步，電動機也在朝著物美價廉的方向發(fā)展，并且控制方便的伺服電機更能符合市場的需要，由此成為了在電力拖動領(lǐng)域的新動力。由于DSP技術(shù)具有功能全面、性能強和穩(wěn)定性好等特點在電力應(yīng)用控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，因此研究基于DSP技術(shù)的直流伺服系統(tǒng)是提升工業(yè)生產(chǎn)性質(zhì)工作綜合價值的關(guān)鍵。本文采用DSP處理器作為系統(tǒng)的控制核心，直流電動機作為執(zhí)行機構(gòu)，通過PID控制算法和正交解碼法，分析并處理編碼器的測量脈沖，以達(dá)到對伺服電機轉(zhuǎn)速的控制。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文主要研究的是閉環(huán)伺服電機系統(tǒng)，其控制框圖如圖1所示。本系統(tǒng)的設(shè)計方案具體包括：伺服電機閉環(huán)系統(tǒng)的硬件設(shè)計、控制算法的研究與實現(xiàn)、軟件設(shè)計三個方面。其中電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計包括系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的搭建、角度測量功能的實現(xiàn)以及電機驅(qū)動功能的實現(xiàn)。

3 直流伺服電機硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 伺服電機系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，由核心處理器、角度測量、電機驅(qū)動和人機交互等模塊組成，各個部分的功能分別為：

（1）核心處理器：本系統(tǒng)采用TI公司設(shè)計的DSP領(lǐng)域的TMS320F28335作為核心芯片，其具有對事件足夠的處理能力和快速的響應(yīng)能力，并且具有較高的分辨率，能夠最大化的減小誤差，提高系統(tǒng)的精確度和快速性。處理器根據(jù)從鍵盤輸入的目標(biāo)值和角度測量模塊獲取的計數(shù)脈沖，計算得出偏差；通過PID算法控制器對偏差進(jìn)行處理確定PWM信號的大小，再利用特定模塊產(chǎn)生PWM波傳輸給驅(qū)動電路。

（2）角度測量模塊：編碼器通過聯(lián)軸器和電機連在一起，與DSP控制器的eQEP模塊配合，從而獲取電機的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度，得出對應(yīng)的計數(shù)脈沖，進(jìn)而計算電機實際角度和速度。

（3）電機驅(qū)動模塊：采用大電流H橋電路作為電機驅(qū)動電路，并將DSP輸出的可調(diào)占空比作為控制信號，從而使得驅(qū)動電路將接收到的控制信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。

（4）人機交互模塊：通過人機交互模塊確定和更改目標(biāo)值大小，并可在緊急情況時復(fù)位。

圖1：閉環(huán)伺服系統(tǒng)

圖2：系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

圖3：A B相輸出

圖4：H橋驅(qū)動電路

3.2 角度測量功能的實現(xiàn)

角度測量是伺服電機系統(tǒng)重要的一環(huán)，對電機角度和角速度的測量直接影響到整個系統(tǒng)的精確度。本系統(tǒng)采用增量式編碼器作為測角元件，其主要由光敏元件和光電碼盤組成，碼盤上刻有一圈間隔相等的長方形小孔。電機轉(zhuǎn)動時碼盤轉(zhuǎn)動，在激光光源投射下，光敏元件間斷受到光源刺激產(chǎn)生兩路相位相差90°的正弦信號，經(jīng)處理后轉(zhuǎn)變?yōu)閮陕废辔幌嗖?0°的方波，由此將電機的旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字脈沖信號進(jìn)行分析，方波的頻率與電機的旋轉(zhuǎn)速度呈正比，可通過測量數(shù)字脈沖的頻率得到電機的旋轉(zhuǎn)角速度。編碼器產(chǎn)生的兩路方波信號如圖3所示，當(dāng)A相超前于B相90°時，電機正轉(zhuǎn)；當(dāng)A相滯后于B相90°時，電機反轉(zhuǎn)。

圖5：PID控制流程圖

圖6：系統(tǒng)控制參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響

圖7：軟件設(shè)計圖

利用編碼器將角度信息轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖后，由于電機存在正反轉(zhuǎn)，如何對脈沖進(jìn)行累加計數(shù)成為一個關(guān)鍵問題。本系統(tǒng)采用DSP核心處理器中包含有eQEP模塊，為電機專用測速模塊，可與編碼器進(jìn)行配合，通過其自帶的位置計數(shù)器，以A、B相信號上升沿或下降沿為觸發(fā)信號，采用正交計數(shù)方式，對數(shù)字脈沖進(jìn)行計數(shù)。在本系統(tǒng)中采用的編碼器，碼盤每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生512個脈沖，電機旋轉(zhuǎn)角度值θ由式（1）計算，QPOSCNT為eQEP模塊位置計數(shù)器的數(shù)字脈沖計數(shù)值。

3.3 電機驅(qū)動功能的實現(xiàn)

由于處理器輸出的電壓信號不足以驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，需要通過電機驅(qū)動電路對電壓信號進(jìn)行放大處理。本文采用的電機驅(qū)動方式是線性放大驅(qū)動方式，該方式線性度好、易于控制、性能穩(wěn)定，但是發(fā)熱嚴(yán)重、效率低，通常應(yīng)用于小功率直流電機；并且如今大多數(shù)驅(qū)動電路都趨向于開關(guān)驅(qū)動方式，其主要通過直流斬波方法控制開關(guān)器件的導(dǎo)通時間，從而使產(chǎn)生的電壓均值等于期望的直流電壓[ ]。在本系統(tǒng)中選用開關(guān)驅(qū)動方式，電路板選用集成電機驅(qū)動芯片BTN7971（內(nèi)含MOS管），搭建H橋電路，利用直流斬波方法之一的PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，通過DSP處理器輸出PWM信號調(diào)節(jié)恒定功率中高電平所占比例，即調(diào)節(jié)MOS管的導(dǎo)通時間。其中H橋驅(qū)動電路原理圖如圖4所示，由電源電路，PWM輸入接口，隔離電路，驅(qū)動電路，驅(qū)動電流輸出等四部分組成。

4 直流伺服電機系統(tǒng)控制算法的研究與實現(xiàn)

伺服電機閉環(huán)控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)級聯(lián)的控制結(jié)構(gòu)，其中通過外環(huán)調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，通過電流內(nèi)環(huán)增加系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力。同時本系統(tǒng)采用經(jīng)典PID算法控制伺服電機的速度，以減小系統(tǒng)誤差，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度和響應(yīng)效果。PID控制主要是對系統(tǒng)偏差進(jìn)行比例、積分和微分操作，并進(jìn)行線性組合成系統(tǒng)控制量。PID控制流程圖如圖5所示。

PID算法分為增量式和位置式兩種控制方式，本系統(tǒng)采用增量式PID控制算法，該算法是一種遞推式的控制策略，將當(dāng)前時刻控制量和上一時刻控制量的差值作為新系統(tǒng)控制量，增量式PID控制公式如下所示：

其中，KP為比例系數(shù)，KI為積分系數(shù)，KD為微分系數(shù)，T為采樣周期，TI為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)。

在實際應(yīng)用中，根據(jù)受控目標(biāo)與控制性能的不同，可以采用不同的控制組。本系統(tǒng)主要利用了P的比例作用和I的積分作用。

5 直流伺服電機控制系統(tǒng)PID參數(shù)設(shè)計與軟件實現(xiàn)

5.1 直流伺服電機控制系統(tǒng)PID參數(shù)設(shè)計

本文在Matlab仿真環(huán)境中搭建了如圖1所示的系統(tǒng)仿真平臺，以進(jìn)行直流伺服電機控制系統(tǒng)PID參數(shù)的設(shè)計，通過設(shè)定多種不同的參數(shù)，觀察其對系統(tǒng)影響，根據(jù)設(shè)計要求選定相應(yīng)的控制參數(shù)。比例積分參數(shù)對系統(tǒng)影響如圖6所示，系統(tǒng)參數(shù)影響規(guī)律：

（1）增大比例參數(shù)P能提高系統(tǒng)的增益，增強系統(tǒng)響應(yīng)速度，但參數(shù)過大將會引起系統(tǒng)震蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。

（2）根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)速度確定比例參數(shù)P條件下調(diào)節(jié)積分參數(shù)I，參數(shù)合適時消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，參數(shù)過大將使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性變差。

通過多種不同PI參數(shù)的搭配，可以得出當(dāng)外環(huán)取Kp=0.8,Ki=0.02時，內(nèi)環(huán)取Kp=0.9,Ki=0.1時系統(tǒng)響應(yīng)迅速，穩(wěn)態(tài)誤差與超調(diào)量小，系統(tǒng)的整體性能最優(yōu)。

5.2 直流伺服電機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

在本系統(tǒng)中，首先通過鍵盤輸入得到電機旋轉(zhuǎn)角度的目標(biāo)值，再通過編碼器將電機旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖，配置eQEP模塊設(shè)置模塊觸發(fā)信號和位置計數(shù)器計數(shù)模式，在進(jìn)行脈沖計數(shù)的同時判斷電機的旋轉(zhuǎn)方向，并存儲在QEPSTS[QDF]中；處理器通過公式計算得出實際角度作為反饋值，與目標(biāo)值作差得出偏差由PID控制器進(jìn)行處理。PID控制器得出實際輸出PWM信號數(shù)值后，由DSP的ePWM模塊進(jìn)行處理，通過配置TB子模塊的周期寄存器TxPRD的大小和計數(shù)器CTR的運行方式確定PWM信號的周期，再通過CC子模塊確定比較數(shù)值的大小，最后由AQ模塊確定當(dāng)CTR計數(shù)值等于比較數(shù)值后發(fā)生的動作，輸出PWM信號。

軟件設(shè)計如圖7所示，在main函數(shù)中進(jìn)行eQEP、ePWM、GPIO等IO初始化，在PWM的中斷服務(wù)程序中，進(jìn)行角頻率的計算，并通過速度外環(huán)PID算法得到電流參考值，并經(jīng)過電流內(nèi)環(huán)PID算法和PWM生成算法得到電機的控制輸出。

6 結(jié)論

本文系統(tǒng)采用DSP技術(shù)控制直流伺服電機，搭建了系統(tǒng)軟件仿真平臺進(jìn)行了PID參數(shù)的設(shè)計，同時設(shè)計了直流伺服電機硬件系統(tǒng)，在DSP處理器上編寫增量式PID算法，完成了閉環(huán)伺服電機系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)角度控制，取得了不錯的效果。