基于DSP的高精度伺服位置環設計方案

　　系統軟件設計
　　按任務劃分，系統軟件由任務與任務管理模塊構成，任務管理模塊對人機接口、控制算法、加減速控制、故障處理等四個任務進行調度管理。控制算法主要包括：調節器控制算法、矢量控制算法和數字濾波器算法等。
　　按照結構化程序設計方法，遵循“功能獨立”的原則，將系統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，以利于軟件設計、調試、修改和維護。矢量控制軟件設計采用典型的前后臺模式，以主程序作為后臺任務，中斷服務程序作為前臺任務。根據矢量控制算法的特點，中斷服務程序只處理實時性高的PWM控制子程序，把系統的一些測量、鍵盤處理和顯示等一系列實時性不高的任務放到后臺任務。
　　主程序是軟件的主體框架，其工作過程是：系統上電復位后，依次對片內外設進行初始化、從E2PROM中讀出控制參數、LED顯示初始信息。初始化完成后，主程序循環執行LED顯示、鍵盤處理和參數計算與保存。
　　PWM中斷服務。在PWM中斷到來時，首先讀取編碼信號，進行角度和速度計算，接著進行A/D采樣并執行clark和park變換，然后進行PI調節、反park變換，最后進入空間矢量模塊，產生PWM信號。
　　控制器算法
　　系統采用三環控制結構，電流環、速度環采用PI控制，位置環采用比例加前饋補償控制。
　　PID控制算法
　　PID控制算法是控制中最常用的算法，對于大多數的控制對象采用PID控制均能達到滿意的效果。為防止PID調節器出現過飽和，系統采用帶退飽和的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控制的積分時間常數，Td為PID控制的微分時間常數，Kc為退飽和時間常數。
　　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構，如圖3所示，其中Gm為電機的傳遞函數，Gspd為速度環的傳遞函數，Gpos為位置環的傳遞函數，Fpos為位置前饋控制器傳遞函數。

　　系統的傳遞函數為：

　　當Fpos(s)=1/(Gspd(s)Gm(s))時，H(s)=1，則可使輸出完全復現輸入信號，且系統的暫態和穩態誤差都為零。其中當速度調節器采用PI控制時，在位置環的截止頻率遠小于速度環的截止頻率時，速度環可等效為一個慣性環節，電機可等效為一個積分環節，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差分方程：

　　式中R(k)為第K個采樣周期中的位置給定信號;Yaf為第K個采樣周期中加速度信號的輸出，Kaf為加速度前饋比例系數。
　　位置前饋中速度項差分方程：

　　式中R(k)為第K個采樣周期中的位置給定信號;Yaf為第K個采樣周期中速度信號的輸出，Ksf為速度前饋比例系數。
　　相應的位置環P的差分方程：

　　
　　式中R(k)為第K個采樣周期中的位置給定信號;C(k)為第K個采樣周期中的位置反饋信號，Ye為第K個采樣周期中位置環信號的輸出，Kc為位置環比例系數。
　　絕對式編碼器通信程序
　　絕對式編碼器與DSP的接口采用CPLD作為接口芯片。CPLD的程序采用VHDL語言編寫，程序結構如圖4所示。此電路完成串行輸入數據到并行輸出數據的轉換，以及并行輸入數據到串行輸出數據的轉換。

　　圖4中，模塊DIV為時鐘分頻器，TX模塊接收來自微處理器接口模塊MP的8位并行數據，并通過端口DOUT將數據串行輸出到RS-485端口。反過來，RX模塊接收串行數據輸入，并以8位并行格式發送至MP模塊，MP模塊同時將接收到的位置信號轉成脈沖形式輸出，實現與CNC的連接。