本文主要设计一套基于DSP的双路伺服控制系统电路,该课题来源于某企业单位的委托项目。完成后,伺服控制系统,能够接收上位机的指令信息,以实现对动态目标的跟踪功能。
1.2 伺服系统的基本概念
伺服系统又称为随动系统,是用来控制被控对象的某种状态,使其能够精确地、自动地、连续地复现输入信号的变化规律,这种系统通常是闭环控制系统[3]。一个伺服系统的性能是由其稳定性、准确性、快速性等指标来进行衡量的。在一般的运动控制中,经常需要研究位置与速度伺服控制系统的设计。
机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多,但从自动控制理论的角度来分析,伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分[4]。控制器通常是计算机或控制电路,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;被控对象是指被控制的机构或装置,是直接完成系统目的的主体;执行元件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;机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等;检测环节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;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,以获得输出与输入之间的偏差信号的环节,通常由专门的电路或计算机来实现。
伺服系统要求具有精度高、响应速度快、稳定性好、负载能力强和工作频率范围大等基本特点,同时还要满足体积小、重量轻、可靠性高和成本低等要求。
良好的硬件设计是保证伺服系统能够获得高性能的前提,控制算法的好坏直接影响着伺服系统的各项性能。近年来,人们对伺服系统的控制算法进行了广泛的研究,涉及的算法包括PID、前馈控制、最优控制、鲁棒控制、变结构控制、内模控制、神经网络、模糊控制以及各种复合算法[5]。源:自/751~·论,文'网·www.751com.cn/
在经典控制理论、现代控制理论之后,包含神经网络控制、模糊控制等控制方法的智能控制理论虽然已取得很大的发展。实际使用时,在诸多控制策略中,PID控制包括各种改进、复合算法仍是最为广泛的算法[5]。可以预见,智能控制与经典PID控制结合起来进行复合控制是控制策略以后的发展方向。
1.3 伺服系统的发展状况
伺服系统(Servo System)是自动控制系统中的一种,它是伴随控制论、电力电子等技术的应用而发展起来的,最早出现于20世纪初期。伺服控制技术的发展,一方面是因为生产需求的激励,尤其是为了满足军事上的要求;另一方面也与控制器件、执行机构和驱动器的发展密切相关。在1934年,伺服系统(Servomechanism)被第一次提出来[3];1944年,第一个伺服系统终于诞生;第二次世界大战期间,对伺服系统提出了高精度、大功率、快速响应等一系列高性能要求;随着自动控制理论的发展,到20世纪中期,伺服系统的理论与实践已接近成熟,并得到了广泛使用;50-60年代,电液伺服发展日趋完善,随后电力电子技术促进了电气伺服系统的发展;80年代以来,新技术革命,特别是微电子技术和计算机技术的飞速进步,使得伺服技术的发展突飞猛进,其应用几乎涉及社会的各个领域。
如今,伺服系统技术已经进入一个全新的发展时期。现代伺服控制技术及其系统的基本特征可以概括为:PWM技术在伺服功率驱动中得到了广泛应用;DSP(数字信号处理器)逐步应用到伺服系统中;各种控制器件向着集成化、数字化、智能化、模块化方向发展。目前大多的伺服控制器均采用数字信号处理器(DSP)作为控制的核心,DSP作为一个高速的运算系统,可以快速实现比较复杂的控制算法运算[6]。基于DSP的强大数字处理功能,伺服控制系统实现控制的数字化、智能化和网络化变得更加容易。