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一种基于DSP的伺服控制系统设计
前言
DSP芯片也称数字信号处理器,是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器具信号处理、通信、雷达等许多领域得到广泛的应用DSP和数字处理器已不再局限于些特殊应用领域,手机、通讯卫星和机顶盒均对DSP提出了完全不同的要求和功能外,一些消费类电子产品(如视频游戏机)正将一些功能(如音频处理)作为一种数字处理功能增加到系统中,这一多样化将DSP作为一个功能模块集成到系统级芯片中去的趋势仍在继续增长。数字信号处理器快速运算功能和单片机外围丰富的特点,使得该系列特别适合于那些要求有较强的数据处理能力,同时又要有较多控制功能的应用中对直流电机的控制就是这一系列DSP的典型应脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术,广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。这使数字控制的实现变得更加容易了PID控制电路,其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理,以控制执行元件按要求动作;执行环节的作用是按控制信号的要求,将输入的各种形式的能量转化成机械能,驱动被控对象工作;检测环节则是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置,一般由传感器和转换电路组成;比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较,以获得输出与输入间的偏差信号的环节,通常由专门的电路或计算机来实现。伺服系统的原理结构图如下:
图1-1 伺服系统的组成框图
Fig.1-1 Block diagram of servo system
1.1.1伺服技术发展简况
伺服控制技术的发展是和控制理论及控制器件的发展紧密相连,功率驱动装置的发展历史就是伺服控制技术的历史。世界上第一个伺服系统是美国麻省理工学院辐射实验室于1944年研制成功的火炮自动跟踪目标伺服系统。这种早期的伺服系统是采用交磁电机扩大机—直流电动机的驱动方式,由于交磁电机的频率响应差,电动机转动部分的转动惯量及电气时间常数都比较大,因此响应速度比较慢。
第二次世界大战期间,由于军事上的需要,武器系统和飞机的控制系统以及加工复杂零件的机床控制系统均提出了大功率、高精度、快响应的系统要求。首先液压伺服技术迅速得到发展,到了50年代末、60年代初,有关电液伺服计算的基本理论日趋完善,电液伺服系统被广泛应用于武器、军舰、航空、航天等军事部门及高精度机床控制,伴随机电伺服系统元器件性能的突破,尤其是1957年可控的大功率半导体器件—晶闸管问世,由它组成的静止式可控整流装置无论在运行性能还是可靠性都表现出明显的优势,二十世纪70年代以来,国际上电力电子技术突飞猛进,推出了新一代的开和关都能控制的“全控式”电力电子器件,如晶闸管、大功率晶体管、场效应管等。与此同时,稀土永磁材料的发展和电机技术的进步,相继研制出了力矩电机、印制绕组电机、无槽电机、大惯量宽调速电机等执行元件,并与脉宽调制式变压器相配合,进一步改善了伺服性能[4]。
控制技术的发展不断对伺服系统的性能提出更高的要求,近年来,随着数字技术和计算机技术的高速发展,新型传感器件的大量涌现,使得伺服驱动控制技术有了显著进步。特别是将计算机与伺服系统相结合,使计算机成为伺服系统中的一个环节,在伺服系统中利用计算机来完成系统的校正、改变伺服系统的增益、带宽、完成系统管理、监控等任务,使伺服系统向智能化,数字化的方向发展。伺服控制技术新的发展和变化的主要方面如下:
(1)从直流伺服驱动系统向交流伺服驱动系统的发展趋势
20世纪以来,在需要可逆、可调速与高性能的电气传动技术领域,相当长的时期内几乎都是采用直流电气传动系统。随着电力电子学、微电子技术、现代电机控制理论和计算机技术的发展,为交流电气传动产品的开发创造了有利条件,使得交流传动逐渐具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应等良好的技术性能,并实现了交流调速装置的产品系列化,由于其良好的技术性能,取代直流电动机调速传动已是必然的发展趋势。
(2)从模拟伺服系统向数字伺服系统的发展趋势
在我国,数字伺服系统的研究已由实验室研究阶段步入应用阶段,在许多行业已批量生产,数字伺服系统在大多数应用场合取代模拟伺服系统将是必然趋势,产生这一趋势的原因如下:自动控制理论和计算机技术是数字伺服系统技术的两个最主要的依托,自动控制理论的高速发展,为数字伺服系统研制者提供了实现这些控制规律的现实可能性。以计算机作为控制器、基于现代控制理论的伺服系统,其品质指标无论是稳态,还是动态都相应达到了前所未有的水平,比模拟式伺服系统高得多。
(3)从经典传统伺服控制向现代伺服控制的发展趋势
应用经典理论来分析伺服系统,首先必须建立数学模型,但是由于许多因素难以一一考虑,许多参数难以精确确定,这种数学模型常常不能很好地反映系统的实际情况,有时甚至会得出错误的结
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