DSP技術(shù)在艦炮伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

朱 偉

（駐北京地區(qū)艦船設(shè)備軍事代表室，北京 100034）

1 DSP芯片特點(diǎn)

DSP芯片，也稱(chēng)數(shù)字信號(hào)處理器，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的要求，DSP芯片具有如下主要特點(diǎn)：程序和數(shù)據(jù)空間分開(kāi)，可以同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)；片內(nèi)具有快速 RAM，通?？赏ㄟ^(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問(wèn)；快速的中斷處理和硬件I/O支持；可以并行執(zhí)行多個(gè)操作；支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。

2 設(shè)計(jì)方案

艦炮伺服控制系統(tǒng)是帶有速度前饋的三閉環(huán)控制系統(tǒng)，這三個(gè)閉環(huán)分別是電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。

圖1 艦炮伺服系統(tǒng)示意

電流環(huán)為控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)，在變頻驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部完成，其作用是通過(guò)對(duì)電機(jī)電流的控制使電機(jī)表現(xiàn)出期望的力矩特性。速度環(huán)也是控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)，它處在電流環(huán)之外，位置環(huán)之內(nèi)。速度環(huán)在變頻驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部完成，其作用是使電機(jī)表現(xiàn)出期望的速度特性。速度環(huán)的給定是位置環(huán)的輸出，速度反饋由安裝在電機(jī)上的測(cè)速發(fā)電機(jī)提供。速度環(huán)的輸出，是電流環(huán)的輸入。電流環(huán)和速度環(huán)采用PI控制器進(jìn)行控制。

位置環(huán)是控制系統(tǒng)外環(huán)，其控制器由嵌入式DSP控制器實(shí)現(xiàn)，其作用是使電機(jī)到達(dá)期望的位置，采用PID控制器進(jìn)行控制。包括以下主要模塊： DSP、雙CAN總線模塊，D/A模塊，SDC轉(zhuǎn)換模塊，DI/O模塊等，完成位置環(huán)的閉環(huán)控制。DSP選用為T(mén)I公司的芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，該芯片擁有150MHZ時(shí)鐘，具有較為齊全的接口電路和極強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，主要完成伺服位置控制算法、伺服典型運(yùn)動(dòng)曲線的產(chǎn)生、伺服系統(tǒng)邏輯控制等。通訊模塊負(fù)責(zé)與其它系統(tǒng)進(jìn)行通訊，傳遞數(shù)據(jù)信息；信號(hào)調(diào)理模塊完成自整角機(jī)信號(hào)、開(kāi)關(guān)量信號(hào)的采集，及模擬量、開(kāi)關(guān)量等輸出信號(hào)的隔離、驅(qū)動(dòng)控制；電源模塊為DSP系統(tǒng)提供DC3.3V電源。

位置環(huán)的控制算法在DSP芯片上實(shí)現(xiàn)，其作用是使電機(jī)到達(dá)期望的位置。采用分段變參數(shù)PID控制算法。該算法的主要思路是：隨著系統(tǒng)誤差的減小，適當(dāng)減小比例系數(shù)和微分系數(shù)，并加大積分系數(shù)。分段變參數(shù)PID控制算法區(qū)的大小可根據(jù)具體情況來(lái)定，只要控制變量在這個(gè)區(qū)的變化較平穩(wěn)即可。為此，在小誤差時(shí)取消微分，以避免微分引入干擾。在系統(tǒng)誤差和誤差的微分都接近零時(shí)，則清空積分項(xiàng)，消除積分記憶作用帶來(lái)的負(fù)面影響。具體PID控制算法如下：

圖 2 數(shù)字位置環(huán)PID控制算法流程圖

積分分離處理的PID控制算法

1）根據(jù)實(shí)際情況，人為設(shè)定一閾值ε＞0。

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

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

系統(tǒng)數(shù)字位置環(huán)數(shù)字PID控制算法如下圖所示。

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，伺服系統(tǒng)完全達(dá)到了規(guī)定的性能指標(biāo)。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于DSP的艦炮伺服系統(tǒng)，試驗(yàn)表明該方案是可行的。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，嵌入式處理器DSP內(nèi)部采用程序總線和數(shù)據(jù)線分開(kāi)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專(zhuān)門(mén)的硬件乘法器，可以滿足艦炮伺服系統(tǒng)高速實(shí)時(shí)性要求。

[1] 陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

[2] 張雄偉.DSP芯片的原理與開(kāi)發(fā)應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社,2002.

[3] 秦憶.現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)[M].華中理工大學(xué)出版社,1995.