基于DSP的某型发射装置伺服系统研制
|
摘要
随着计算机技术和交流电机调速技术的飞速发展，现代数字交流伺服系统的发展也是日新月异，各种新的控制方法和调速手段得以应用在实际控制系统中，使得现代伺服系统朝着小型化、智能化、高速高精度方向发展。本文旨在为国内某型号发射装置研制开发一套伺服控制系统。
本文中的伺服系统控制对象具有特大转动惯量的特点，战技指标对控制精度和响应速度等要求较高。根据系统需要，选取大功率的驱动设备做为系统的执行机构。大功率稀土永磁交流伺服电机与其驱动器组合，配合速比适当的动力减速器，驱动发射架运转。采用高精度双通道旋转变压器作为发射架的位置检测装置，实现了闭环控制系统中位置信息的反馈。以DSP为处理器的伺服控制卡是伺服系统的信息处理中心，充分发挥了DSP处理速度快，适合复杂算法的特点。伺服控制卡接收火控计算机发出的目标位置指令，采样发射架实际位置信息，通过控制算法得出控制量，驱动电机运转，实现发射架位置的跟踪运动。
伺服系统中的控制软件存储在DSP芯片中，主要由信号采集、发送、数据处理和控制算法部分组成。信号采集和发送包括和火控计算机之间的信息交换，以及实际架位的获取；数据处理是对各种信号取真值、滤波等操作；控制算法部分则只负责控制量的计算。由于系统的负载惯量大，控制精度高、速度快等特点，传统PID算法已远不能满足性能要求。为达到提出的各项指标，系统采用了智能PID算法和前馈补偿控制算法组合的复合控制算法，极大地提高了系统性能，在跟踪各种典型信号时，都取得令人满意的控制效果。
伺服系统实际安装后，经过调试，其性能指标已经达到或超过项目初所提出的要求，本伺服系统的研制取得了成功。
By the rapid development of computer technology and AC motor timing technology, modern digital servo system has been changed a lot. New control algorithm and timing method have been used in modern servo system, making them small, intelligent, high-speed and accurate. Main task of this paper is to design a sevro system for a launcher.
The control object of servo system in this paper has great inertia; meanwhile high accuracy and response speed are required. According to the system requirement, a big power driver is choosen as executer. The AC motor makes the launcher work, combining with its power supply and power reducer. High accurate double channels rotary transformer is the position detecter of the launcher, feeding back the position information of the closed-loop control system. Because the great calculation speed and ability in complex algorithm, DSP chip is the information disposal center in the servo card. Servo card receives target position information, samples the launcher position, calculates control value, sends it to motor driver, and then makes the launcher work under control.
Control program is storaged in DSP, including signal acquisition, transmission, data disposal and calculation of control value. Signal acquisition and transmission exchanges information with control computer, and receives true position information. Algorithm calculates control variable, after data disposal part obtained and filtered the real information. Because of the great load inertia, high accuracy and speed, traditional PID algorithm does not work well. In order to realize the performance required, the compound algorithm is used, which made up of intelligent PID and forward-feedback compensation algorithm Servo system has got a satisfied performance under typical signal.
After installation and debugging, the performance of servo system satisfied and exceeded the technice indexes. The servo system is successful.
本文中的伺服系统控制对象具有特大转动惯量的特点，战技指标对控制精度和响应速度等要求较高。根据系统需要，选取大功率的驱动设备做为系统的执行机构。大功率稀土永磁交流伺服电机与其驱动器组合，配合速比适当的动力减速器，驱动发射架运转。采用高精度双通道旋转变压器作为发射架的位置检测装置，实现了闭环控制系统中位置信息的反馈。以DSP为处理器的伺服控制卡是伺服系统的信息处理中心，充分发挥了DSP处理速度快，适合复杂算法的特点。伺服控制卡接收火控计算机发出的目标位置指令，采样发射架实际位置信息，通过控制算法得出控制量，驱动电机运转，实现发射架位置的跟踪运动。
伺服系统中的控制软件存储在DSP芯片中，主要由信号采集、发送、数据处理和控制算法部分组成。信号采集和发送包括和火控计算机之间的信息交换，以及实际架位的获取；数据处理是对各种信号取真值、滤波等操作；控制算法部分则只负责控制量的计算。由于系统的负载惯量大，控制精度高、速度快等特点，传统PID算法已远不能满足性能要求。为达到提出的各项指标，系统采用了智能PID算法和前馈补偿控制算法组合的复合控制算法，极大地提高了系统性能，在跟踪各种典型信号时，都取得令人满意的控制效果。
伺服系统实际安装后，经过调试，其性能指标已经达到或超过项目初所提出的要求，本伺服系统的研制取得了成功。
By the rapid development of computer technology and AC motor timing technology, modern digital servo system has been changed a lot. New control algorithm and timing method have been used in modern servo system, making them small, intelligent, high-speed and accurate. Main task of this paper is to design a sevro system for a launcher.
The control object of servo system in this paper has great inertia; meanwhile high accuracy and response speed are required. According to the system requirement, a big power driver is choosen as executer. The AC motor makes the launcher work, combining with its power supply and power reducer. High accurate double channels rotary transformer is the position detecter of the launcher, feeding back the position information of the closed-loop control system. Because the great calculation speed and ability in complex algorithm, DSP chip is the information disposal center in the servo card. Servo card receives target position information, samples the launcher position, calculates control value, sends it to motor driver, and then makes the launcher work under control.
Control program is storaged in DSP, including signal acquisition, transmission, data disposal and calculation of control value. Signal acquisition and transmission exchanges information with control computer, and receives true position information. Algorithm calculates control variable, after data disposal part obtained and filtered the real information. Because of the great load inertia, high accuracy and speed, traditional PID algorithm does not work well. In order to realize the performance required, the compound algorithm is used, which made up of intelligent PID and forward-feedback compensation algorithm Servo system has got a satisfied performance under typical signal.
After installation and debugging, the performance of servo system satisfied and exceeded the technice indexes. The servo system is successful.
引文
[1] 李刚，林凌，叶文宇．TMS320F206DSP结构、原理及应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2002．
[2] 张雄伟，陈亮，徐光辉．DSP集成开发与应用实例[M]．北京：电子工业出版社，2002．
[3] 尹勇，欧光军，关荣锋．DSP集成开发环境CCS开发指南[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003．5．
[4] 夏爽．通过JTAG口对DSP外部Flash存储器的在线编程[J]．单片机与嵌入式系统应用，2003(8)：31-33．
[5] 尹冬元，杨玉星．TMS320F206在高精度电能计量系统中的应用与分析[J]．元器件与应用，2000(1)：29-31．
[6] 王金亮，程丽萍．基于TMS320F206的电网数据处理板设计[J]．国外电子元器件，2004(8)：14-17．
[7] 张雄伟．DSP芯片的原理与开发应用[M]．北京：电子工业出版社，1997．
[8] 任志考．用C语言进行DSP软件设计的优化方法[J]．青岛科技大学学报，2003，24：102-104．
[9] 胡金波，陈慧剑．DSP环境下C语言编程的优化实现[J]．现代电子技术，2002(12)：82-84．
[10] 丁刚．在DSP的C编程中常量数据段的存储器分配[J]．电子产品世界，2002(A)：63-64．
[11] 叶文宇，谌雅琴，李刚．TMS320F206使用中的一些问题[J]．单片机与嵌入式系统应用，2002(1)：76-78．
[12] 刘高平，顾伟康．TMS320系列DSP芯片用户程序加载方法的探讨[J]．微处理机，1996(4)：52-54．
[13] 郭滨．基于两片TMS320F206芯片在遥测数据采集中的应用[J]．电讯技术，2001(1)：34-38．
[14] 彭启宗，李玉柏．DSP技术[M]．北京：电子科技大学出版社，1997．
[15] TMS320F206 DIGITAL SIGNAL PROCESSOR．TEXAS INSTRUMENTS．
[16] 刘明俊，杨泉林．自动控制原理[M]．长沙：国防科技大学出版社，2002．
[17] 陈伯时．电力拖动自动控制系统(第二版)[M]．北京：机械工业出版社，2000．
[18] 徐承忠，王执铨，王海燕．数字伺服系统[M]．北京：国防工业出版社，1994．
[19] 刘辉．全数字伺服控制系统[J]．光学精密工程，1995，3(5)：60-64．
[20] 宋俊，赵波．伺服控制系统跟踪性能优化设计[J]．机械设计与制造，1995(6)：23-26．
[21] 曾森．高速高精度高炮数字伺服系统研制[D]．南京：南京理工大学自动化系，2004．
[22] 姜文刚．高速高精度数字伺服系统研制[D]．南京：南京理工大学自动化系，2002．
[23] 黄进，叶尚辉．含摩擦环节伺服系统的分析及控制补偿研究[J]．机械科学与技术，1999，18(1)：1-4．
[24] 章国江，姚郁，孟凡伟．伺服系统的一种优化设计方法及应用研究[J]．控制理论与应用，2001，18(4)：547-551．
[25] 马东升．数字前馈和交流前馈系统[J]．电子技术应用，1995(5)：32-34．
[26] 谢显之，刘新跃，于永昌．轴角编码粗精组合纠错算法的研究与应用[J]．计量与测试技术，2001(3)：6-8．
[27] 吴虎成，张俊科．轴角编码器中的粗精组合与纠错技术实现[J]．计算机工程与科学，1996，18(2)：82-85．
[28] 陈雁章．双通道旋转变压器的零位偏差[J]．微电机，1994，27(4)：46-48．
[29] 张文海，娄泽乾．多极旋转变压器测试中的一些问题探讨[J]．微特电机，2000(5)：45-47．
[30] 苏红涛．“可编程阵列逻辑”(GAL)器件编程规律的研究[J]．哈尔滨工业大学学报，1998，28(4)：92-95．
[31] 孟贵胥，李亚伯．通用阵列逻辑(GAL)的5种工作模式[J]．大连理工大学学报，1996，36(6)：732-735．
[32] 刘君华，路灿．可编程器件在测控电路中的应用与设计[J]．微电子学与计算机，1994(5)：9-12．
[33] 姜仲秋．C语言程序设计[M]．南京：南京大学出版社，1998．
[34] 清源计算机工作室．Protel 99原理图与PCB设计[M]．北京：机械工业出版社，2000．
[35] 肖珍妮，袁增贵．Protel 99 SE印刷电路板设计教程[M]．北京：清华大学出版社，2003．
[36] Peter J, Gawthrop. SELF-TUNING PID CONTROL STRUCTURES[7]. IEE Colloquium, 1966:4/1-4/4.
[37] Yongli Huang, Seiji Yasunobu. A General Practical Design Method for Fuzzy PID Control from Conventional PID Control[C]. Proc. IEEE Int. Conf. Fuzzy Systems, 2000,2:969-972.
[38] M H Moradi. New techniques for PID Controller Design[]J. IEEE, 2003(03):903-908.
[39] Kiam Heong Ang, Gregory Chong. PID Control System Analysis, Design and Technology[J]. IEEE TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY, 2005, 13(4):559-576.
[40] Ilan Rusnak. The Generalized PID Controller for Stochastic Systems[J]. IEEE, 2000(00):145-148.
[41] Masanori Yukitomo, Takashi Shigemasa, Yasushi Baba, et al. A Two Degrees of Freedom PID Control System, its Features and Applications[C]. Asian Control Conference, 2004(5):456-459.
[42] Yasushi Baba, Takashi Shigemasa, Masanori Yukitomo, et al. Model-Driven PID Control System in Single-Loop Controller[C]. SICE Annual Conference, 2003:187-190.
[43] Dong Hwa Kim, Jae Hoon Cho. Design of Robust PID Controller With Disturbance Rejection For Motor Using Immune Algorithm[]]. IEEE, 2000(04):1-6.
[44] Seung-Min Baek, Tae-Yong Kuc. An Adaptive PID Learning Control of DC Motors[C]. IEEE Int. Conf. on SMC, 1997,2(1):2877-2882.
[45] E. M. Jafarov, M. N. A. Parlak, Y. Istefanopulos. A New Variable Structure PID-Controller Design for Robot Manipulators[]]. TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY, 2005, 13(1):122-130.
[46] Ibrahim Kaya, Nusret Tan, Derek P. Atherton. A simple procedure for improving performance of PID controllers[C]. IEEE Conference on Control Applications, 2003(03):882-885.
[47] Toru Yamamoto, Kenzo Fujii, Masahiro Kaneda. A Self-Tuning PID Controller and Its Applicationfor an Ethylene Cracking Furnace[J]. IEEE, 1996(2):275-281.
[48] 朱宝，吴荣珍．电液位置伺服系统的模糊免疫自适应PID控制的研究[J]．中国测试技术，2004(1)：19-21．
[49] 曾玉金，庞文尧，蒋静坪．复合智能控制在交流伺服系统中的应用[J]．电工技术杂志，2004(1)：56-58．
[50] 黄家田，石磊．基于DSP与变结构控制的位置伺服系统[J]．信息技术，2004，28(1)：44-48．
[51] 李小虎，杜彦亭．基于补偿原理的I-PD算法对气动位置伺服系统的控制[J]． 机床与液压，2004(1)：58-59．
[52] 赵金，万淑芸．交流伺服系统的模糊滑模PD型位置控制器[J]．微电机，2004，37(1)：37-40．
[53] 赵金，万淑芸．交流伺服系统的一种新型位置控制器[J]．电气传动，2004(1)：11-14．
[54] 田保峡，苏宏业，褚健．基于状态估计的PID控制器整定方法研究[J]．仪器仪表学报，2000，21(5)：477～480．
[55] 綦艳丽，郭庆鼎．一种非线性PID在伺服电机同步传动中的运用[J]．沈阳工业大学学报，2004，26(1)：60-63．
[56] 朱尚明，卢荣德．在PID算法中采用数字滤波和动态补偿技术[J]．自动化仪表，1999，20(2)：11-13．
[57] 陈传硕，田丽华．PID控制参数的整定方法[J]．长春邮电学院学报，1994，12(1)：9-16．
[58] 王士杰．常规PID调节系统的研究进展[J]．中国纺织大学学报，1994，20(4)：104-112．
[59] 李皿，刘怀馨，胡宏霞，等．关于PID调节在自动控制时的参数整定[J]．测控技术，1994，13(6)：30-32．
[60] 丁峰，屈明昌，林廷圻．交流位置伺服系统PID控制方法实现[J]．电子机械工程，2003，19(1)：52-54．
[61] 何清华，曾益昆．基于模糊PID的液压同步控制[J]．机械与电子，2001(1)：13-15．
[2] 张雄伟，陈亮，徐光辉．DSP集成开发与应用实例[M]．北京：电子工业出版社，2002．
[3] 尹勇，欧光军，关荣锋．DSP集成开发环境CCS开发指南[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003．5．
[4] 夏爽．通过JTAG口对DSP外部Flash存储器的在线编程[J]．单片机与嵌入式系统应用，2003(8)：31-33．
[5] 尹冬元，杨玉星．TMS320F206在高精度电能计量系统中的应用与分析[J]．元器件与应用，2000(1)：29-31．
[6] 王金亮，程丽萍．基于TMS320F206的电网数据处理板设计[J]．国外电子元器件，2004(8)：14-17．
[7] 张雄伟．DSP芯片的原理与开发应用[M]．北京：电子工业出版社，1997．
[8] 任志考．用C语言进行DSP软件设计的优化方法[J]．青岛科技大学学报，2003，24：102-104．
[9] 胡金波，陈慧剑．DSP环境下C语言编程的优化实现[J]．现代电子技术，2002(12)：82-84．
[10] 丁刚．在DSP的C编程中常量数据段的存储器分配[J]．电子产品世界，2002(A)：63-64．
[11] 叶文宇，谌雅琴，李刚．TMS320F206使用中的一些问题[J]．单片机与嵌入式系统应用，2002(1)：76-78．
[12] 刘高平，顾伟康．TMS320系列DSP芯片用户程序加载方法的探讨[J]．微处理机，1996(4)：52-54．
[13] 郭滨．基于两片TMS320F206芯片在遥测数据采集中的应用[J]．电讯技术，2001(1)：34-38．
[14] 彭启宗，李玉柏．DSP技术[M]．北京：电子科技大学出版社，1997．
[15] TMS320F206 DIGITAL SIGNAL PROCESSOR．TEXAS INSTRUMENTS．
[16] 刘明俊，杨泉林．自动控制原理[M]．长沙：国防科技大学出版社，2002．
[17] 陈伯时．电力拖动自动控制系统(第二版)[M]．北京：机械工业出版社，2000．
[18] 徐承忠，王执铨，王海燕．数字伺服系统[M]．北京：国防工业出版社，1994．
[19] 刘辉．全数字伺服控制系统[J]．光学精密工程，1995，3(5)：60-64．
[20] 宋俊，赵波．伺服控制系统跟踪性能优化设计[J]．机械设计与制造，1995(6)：23-26．
[21] 曾森．高速高精度高炮数字伺服系统研制[D]．南京：南京理工大学自动化系，2004．
[22] 姜文刚．高速高精度数字伺服系统研制[D]．南京：南京理工大学自动化系，2002．
[23] 黄进，叶尚辉．含摩擦环节伺服系统的分析及控制补偿研究[J]．机械科学与技术，1999，18(1)：1-4．
[24] 章国江，姚郁，孟凡伟．伺服系统的一种优化设计方法及应用研究[J]．控制理论与应用，2001，18(4)：547-551．
[25] 马东升．数字前馈和交流前馈系统[J]．电子技术应用，1995(5)：32-34．
[26] 谢显之，刘新跃，于永昌．轴角编码粗精组合纠错算法的研究与应用[J]．计量与测试技术，2001(3)：6-8．
[27] 吴虎成，张俊科．轴角编码器中的粗精组合与纠错技术实现[J]．计算机工程与科学，1996，18(2)：82-85．
[28] 陈雁章．双通道旋转变压器的零位偏差[J]．微电机，1994，27(4)：46-48．
[29] 张文海，娄泽乾．多极旋转变压器测试中的一些问题探讨[J]．微特电机，2000(5)：45-47．
[30] 苏红涛．“可编程阵列逻辑”(GAL)器件编程规律的研究[J]．哈尔滨工业大学学报，1998，28(4)：92-95．
[31] 孟贵胥，李亚伯．通用阵列逻辑(GAL)的5种工作模式[J]．大连理工大学学报，1996，36(6)：732-735．
[32] 刘君华，路灿．可编程器件在测控电路中的应用与设计[J]．微电子学与计算机，1994(5)：9-12．
[33] 姜仲秋．C语言程序设计[M]．南京：南京大学出版社，1998．
[34] 清源计算机工作室．Protel 99原理图与PCB设计[M]．北京：机械工业出版社，2000．
[35] 肖珍妮，袁增贵．Protel 99 SE印刷电路板设计教程[M]．北京：清华大学出版社，2003．
[36] Peter J, Gawthrop. SELF-TUNING PID CONTROL STRUCTURES[7]. IEE Colloquium, 1966:4/1-4/4.
[37] Yongli Huang, Seiji Yasunobu. A General Practical Design Method for Fuzzy PID Control from Conventional PID Control[C]. Proc. IEEE Int. Conf. Fuzzy Systems, 2000,2:969-972.
[38] M H Moradi. New techniques for PID Controller Design[]J. IEEE, 2003(03):903-908.
[39] Kiam Heong Ang, Gregory Chong. PID Control System Analysis, Design and Technology[J]. IEEE TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY, 2005, 13(4):559-576.
[40] Ilan Rusnak. The Generalized PID Controller for Stochastic Systems[J]. IEEE, 2000(00):145-148.
[41] Masanori Yukitomo, Takashi Shigemasa, Yasushi Baba, et al. A Two Degrees of Freedom PID Control System, its Features and Applications[C]. Asian Control Conference, 2004(5):456-459.
[42] Yasushi Baba, Takashi Shigemasa, Masanori Yukitomo, et al. Model-Driven PID Control System in Single-Loop Controller[C]. SICE Annual Conference, 2003:187-190.
[43] Dong Hwa Kim, Jae Hoon Cho. Design of Robust PID Controller With Disturbance Rejection For Motor Using Immune Algorithm[]]. IEEE, 2000(04):1-6.
[44] Seung-Min Baek, Tae-Yong Kuc. An Adaptive PID Learning Control of DC Motors[C]. IEEE Int. Conf. on SMC, 1997,2(1):2877-2882.
[45] E. M. Jafarov, M. N. A. Parlak, Y. Istefanopulos. A New Variable Structure PID-Controller Design for Robot Manipulators[]]. TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY, 2005, 13(1):122-130.
[46] Ibrahim Kaya, Nusret Tan, Derek P. Atherton. A simple procedure for improving performance of PID controllers[C]. IEEE Conference on Control Applications, 2003(03):882-885.
[47] Toru Yamamoto, Kenzo Fujii, Masahiro Kaneda. A Self-Tuning PID Controller and Its Applicationfor an Ethylene Cracking Furnace[J]. IEEE, 1996(2):275-281.
[48] 朱宝，吴荣珍．电液位置伺服系统的模糊免疫自适应PID控制的研究[J]．中国测试技术，2004(1)：19-21．
[49] 曾玉金，庞文尧，蒋静坪．复合智能控制在交流伺服系统中的应用[J]．电工技术杂志，2004(1)：56-58．
[50] 黄家田，石磊．基于DSP与变结构控制的位置伺服系统[J]．信息技术，2004，28(1)：44-48．
[51] 李小虎，杜彦亭．基于补偿原理的I-PD算法对气动位置伺服系统的控制[J]． 机床与液压，2004(1)：58-59．
[52] 赵金，万淑芸．交流伺服系统的模糊滑模PD型位置控制器[J]．微电机，2004，37(1)：37-40．
[53] 赵金，万淑芸．交流伺服系统的一种新型位置控制器[J]．电气传动，2004(1)：11-14．
[54] 田保峡，苏宏业，褚健．基于状态估计的PID控制器整定方法研究[J]．仪器仪表学报，2000，21(5)：477～480．
[55] 綦艳丽，郭庆鼎．一种非线性PID在伺服电机同步传动中的运用[J]．沈阳工业大学学报，2004，26(1)：60-63．
[56] 朱尚明，卢荣德．在PID算法中采用数字滤波和动态补偿技术[J]．自动化仪表，1999，20(2)：11-13．
[57] 陈传硕，田丽华．PID控制参数的整定方法[J]．长春邮电学院学报，1994，12(1)：9-16．
[58] 王士杰．常规PID调节系统的研究进展[J]．中国纺织大学学报，1994，20(4)：104-112．
[59] 李皿，刘怀馨，胡宏霞，等．关于PID调节在自动控制时的参数整定[J]．测控技术，1994，13(6)：30-32．
[60] 丁峰，屈明昌，林廷圻．交流位置伺服系统PID控制方法实现[J]．电子机械工程，2003，19(1)：52-54．
[61] 何清华，曾益昆．基于模糊PID的液压同步控制[J]．机械与电子，2001(1)：13-15．