马蓓丽+杨国文

摘 要：针对传统伺服系统模拟速度环难以实现高精度高性能的控制要求，文章设计并阐述了数字化速度环系统的结构原理与硬件实现。系统采用LTC1821芯片为数模转换（D/A）器件，以DSP芯片TMS320F28335为核心控制器，选用光纤陀螺仪作为速度反馈装置，搭建高精度速度环伺服跟踪平台。仿真实验证明，通过DSP软件设计与调试，运用增量式比例积分（PI）调节算法，该系统具有响应速度快，低超调和闭环精度高等优点。

关键词：伺服系统；速度环；D/A转换；PI算法

引言

作为伺服控制系统非常重要的组成部分，速度环要求具有高精度、快响应、强抗干扰性等良好的控制性能，以实现伺服系统快速准确的定位与跟踪。对于速度环伺服系统设计，其转速控制要求有两个方面：在给定的最高转速和最低转速的范围内，实现不同转速的调节；以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种可能的干扰下不允许有过大的转速波动[1]。

为实现高精度的数字化速度环设计，本文提出使用16位D/A转换芯片LTC1821为核心的速度环伺服跟踪系统，该芯片实现高精度数字量到模拟量的输出功能，具有高精度、低噪声、快速建立电压输出及强抗干扰特性，可完成控制需求；同时搭配使用数字信号处理器TMS320F28335为控制器[2]，软件设计控制LTC1821，以实现系统高精度数字化功能。

1 伺服速度环系统框架

该系统硬件可分为DSP控制模块、D/A转换模块、驱动控制模块、通信接口模块和电源模块等组成。其结构框图[3]如图1所示：

本系统首先利用光纤陀螺仪作为速度反馈装置，DSP芯片内置的SCI模块可采集陀螺信号，提供转台的角度反馈数据，同时进行DSP软件算法搭建速度环PI控制器，实现系统的高精度速度闭环[4]；其次D/A转换模块将DSP运算形成的数字信号控制量转换成模拟信号输出至驱动模块，实现电机的转速控制；最后为实现DSP芯片与外部设备的数据传输，通过通信接口模块实现通讯，DSP可接收给定速度命令，同时将当前实时速度值及各种故障状态回传，实现对整个系统的控制监控。

2 硬件设计

2.1 D/A转换模块

DAC芯片选用凌特公司生产的16位并行数字接口、高精度、快速建立的电压输出型数字模拟转换器LTC1821。LTC1821有两种工作模式，单极性输出模式0V至10V或者0V至-10V，和双极性输出模式-10V至10V；高精度特性，在整个工业温度范围内，其积分非线性和微分非线性不超过1LSB；具有超快速建立性能，在满度输出范围为10V时，LTC1821输出达到1LSB的时间小于2us；具有异步输入清零功能，引脚异步输入CLR置低电平时，LTC1821输出复位到零[5]。其外部连接电路应用如图2所示。

电路设计中，LTC1821工作在双极性工作模式，输出电压-10V至10V，选用芯片LT1236提供稳定的高精度基准电压10V；电容C6为芯片内部运放的反馈电容（单极性模式22pF，双极性模式15pF），用作频率补偿，减小内部电路产生的相移，避免产生自激震荡，以保持运放的稳定；RCOM引脚连接芯片内部的两个电阻的中间点，LT1468提供REF引脚驱动[6]。

2.2 DSP控制设计

本系统使用的TI公司的TMS320F28335芯片是具有浮点运算单元的高性能数字信号处理器，片上资源丰富，可满足伺服系统更快更准的控制需求[7]。文中要求完成方位和俯仰两路速度的高精度控制，DSP控制芯片TMS320F28335与D/A转换芯片LTC1821之间的硬件连接设计[8]如图3所示。

2.2.1 LTC1821时序控制

LTC1821是具有配备输入寄存器和DAC寄存器两个16位寄存器的双缓冲结构。当引脚WR拉到低电平时，输入数据加载到LTC1821的输入寄存器；当引脚LD拉到高电平时，DAC寄存器被更新，进而DAC输出数据被更新。本文中，将引脚WR与LD短接，直接与74LV138的译码信号输出端，作为控制LTC1821的时序控制端口。在控制信号输出的下降沿，输入数据被写入LTC1821的输入寄存器，在上升沿DAC寄存器被更新。引脚CLR低电平时，LTC1821复位到0V输出[9]。

2.2.2 TMS320F28335与LTC1821间接口设计

系统中，将LTC1821的16位数据线D0-D15与DSP的XD0-XD15连接，实现16位并行数据输入；选用DSP的I/O端口控制LTC1821的CLR引脚，高电平时LTC1821处于正常工作模式下，拉至低电平则复位清零；LTC1821只可输出单路模拟电压值，要同时实现方位和俯仰双路电压控制，电路中需放置两个LTC1821芯片，通过TMS320F28335的地址线XA0、XA1和XA2和地址片选信号CS7，连接74LV138芯片进行地址译码，产生两路LTC1821的选通控制信号Y0和Y1[10]；DSP程序编写中，可分配方位和俯仰数字控制电压的地址，当在两个地址分别写入方位或俯仰数据，引脚Y0或Y1变为低电平，对应的方位或俯仰LTC1821芯片输出相应的控制电压模拟量[11]。其时序设计示意图如图4所示。

3 软件设计实现

根据PI控制原理，比例增益系数P会对系统的精确度和刚性有影响，比例增益越大，系统的响应速度越快，但会带来超调和震荡，而积分增益系数I则可消除系统存在的稳态误差，提高系统的闭环精度。PI算法分位置式和增量式两种，本系统软件设计中采用增量式PI控制算法。两者相比，位置式PI算法输出直接對应对象的输出，对系统影响较大，而增量式PI算法输出的是控制量的增量，若系统出现故障，误动作影响较小；位置式PI算法的控制输出与整个过去的状态有关，使用的是误差的累加值，而增量式PI算法，只与当前时刻和上一时刻的误差有关，其累积误差相对更小[12][13]。

3.1 增量式PI算法

系统中，设ierror（k）为第k次采样时刻的速度误差值，Sumierror（k）为前k次采样时刻的速度误差累加和，Kp为比例系數，Ki为积分系数，U（k）为在第k-1次采样时刻输出控制量，则该系统的位置式PI算法表达式为：

U（k）=Kp*ierror（k）+Ki*Sumierror（k）

=Kp*ierror（k）+Ki*？撞■■ierror（i） （1）

其中，k为采样序号，k=0，1，2，…；ierror（k）为系统在第k次采样时刻的误差值，ierror（k-1）为在第k-1次采样时刻的误差值。

递推出第k-1次采样时刻输出控制量，表达为：

U（k-1）=Kp*ierror（k-1）+Ki*？撞■■ierror（i） （2）

两式相减可得：

U（k）-u（k-1）=Kp*[ierror（k）-ierror（k-1）]+Ki*ierror（k） （3）

即可得增量式PI算法的表达公式：

U（k）=u（k-1）+Kp*[ierror（k）-ierror（k-1）]+Ki*ierror（k） （4）

由上式可看出增量式PI控制的输出计算，只与当前时刻和上一时刻的误差有关，与位置式PI算法相比，其累积误差相对较小，软件设计时运算量相对较小；另外，其输出的是控制量增量，闭环响应速度更快，精度更高[14]。

3.2 软件实现

本速度环系统的增量式PI控制器软件设计中[15][16]，设定控制周期1ms，计算速度误差ierror（k），即系统当前速度与目标速度的差值：

ierror（k）=Vo（k）-Vb（k） （5）

式中，Vo（k）为第k次采样时刻的系统给定目标速度，Vb（k）为当前系统实测速度。利用公式（4），经过PI算法形成控制信号的数字量，送给D/A输出模拟控制量完成一个控制过程，其软件流程图如图5。

4 仿真结果与分析

以本文设计的系统平台进行实验并仿真，选取合适的P和I参数，由上位机发送目标速度指令，使伺服转台由当前速度快速响应至目标速度并稳定闭环。实验波形曲线如图6和图7所示，图6为速度响应曲线与目标速度6000的对比图，图7为误差曲线。

仿真结果显示，系统PI算法速度响应的峰值时间约25ms，调节时间约50ms，超调量可控制在15%以下，速度稳定后的闭环精度可达0.1%。实验结果显示，该系统在增量式PI的软件算法下，可快速稳定的实现速度闭环，具有比较理想的控制效果。

5 结束语

本文介绍了基于LTC1821的数字化速度环系统，以处理器TMS320F28335与DAC芯片LTC1821进行了硬件设计，同时通过DSP内部软件编程完成增量式PI算法。试验证明该系统可实现高精度快速准确的速度闭环，以及一定转速范围内不同转速的调节。

参考文献

[1]任润柏，周荔丹，姚钢.TMS320F28X源码解读[M].北京：电子工业出版社，2010.

[2]陈光伟，向中凡.基于TMS320F2812的最小系统设计[J].微型机与应用，2010，29（12）：49-51.

[3]陈永刚，阎秋生.基于速度环增益调度PI算法的直线电机控制系统设计[J].制造业自动化，2013，35（6）：107-113.

[4]陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2010.

[5]乔敏娟，韩文波，刘莹莹，等.基于DSP的无刷直流电机闭环控制系统的设计[J].计算机与现代化，2014，221（1）：206-210.

[6]韦宏利，李金荣.基于LS052A-Cb的无刷直流电机的控制系统设计[J].机械与电子，2016，34（2）：68-71.

[7]韩海云，刘军，秦海鸿，等.永磁同步电机伺服系统速度环优化设计[J].现代雷达，2013，35（1）：63-67.

[8]白云，郭阳宽，祝连庆，等.基于DSP的无刷直流电机速度环控制系统设计[J].电子产品世界，2013，20（1）：34-36.

[9]杨金宝，杨桦，王楠，等.数控变速调焦控制电路的设计[J].光电技术应用，2014，29（1）：68-70，79.

[10]李红卫，刘昊，李勇臻.基于TMS320F28335的雷达伺服系统的设计与实现[J].电子设计工程，2013，21（1）：170-172，176.

[11]许炜，余晓华，阙宇潇.基于TB6551FG正弦波驱动的无刷直流电机控制系统研究[J].机电信息，2013（73）：61-63.

[12]丛爽，魏学云，邓科，等.陀螺稳定平台速度环的离散模型参考自适应控制[J].信息与控制，2014，43（3）：287-292.

[13]韩海云，刘军，秦海鸿，等.永磁同步电机伺服系统速度环优化设计[J].现代雷达，2013，35（1）：63-67.

[14]徐晓霞.机载光电跟踪系统的模糊PID控制[J].电子设计工程，2012，20（2）：108-111.

[15]杨鹏，王飞，贾春奇，等.无刷直流电机闭环控制仿真系统的研究[J].微电机，2013，46（11）：76-78.

[16]赵正黎，于惠钧，张发明，等.基于模糊PID控制的直流电机调速系统[J].湖南工业大学学报，2015，29（2）：38-43.

作者简介：马蓓丽（1985-），女，河南省辉县市，硕士，工程师，研究方向：伺服系统软件控制设计。