DSP技术在舰炮伺服系统中的应用

朱 伟

（驻北京地区舰船设备军事代表室，北京 100034）

1 DSP芯片特点

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，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP芯片具有如下主要特点：程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；片内具有快速 RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；快速的中断处理和硬件I/O支持；可以并行执行多个操作；支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

2 设计方案

舰炮伺服控制系统是带有速度前馈的三闭环控制系统，这三个闭环分别是电流环、速度环和位置环。

图1 舰炮伺服系统示意

电流环为控制系统内环，在变频驱动器内部完成，其作用是通过对电机电流的控制使电机表现出期望的力矩特性。速度环也是控制系统内环，它处在电流环之外，位置环之内。速度环在变频驱动器内部完成，其作用是使电机表现出期望的速度特性。速度环的给定是位置环的输出，速度反馈由安装在电机上的测速发电机提供。速度环的输出，是电流环的输入。电流环和速度环采用PI控制器进行控制。

位置环是控制系统外环，其控制器由嵌入式DSP控制器实现，其作用是使电机到达期望的位置，采用PID控制器进行控制。包括以下主要模块： DSP、双CAN总线模块，D/A模块，SDC转换模块，DI/O模块等，完成位置环的闭环控制。DSP选用为TI公司的芯片进行设计，该芯片拥有150MHZ时钟，具有较为齐全的接口电路和极强的数据处理能力，主要完成伺服位置控制算法、伺服典型运动曲线的产生、伺服系统逻辑控制等。通讯模块负责与其它系统进行通讯，传递数据信息；信号调理模块完成自整角机信号、开关量信号的采集，及模拟量、开关量等输出信号的隔离、驱动控制；电源模块为DSP系统提供DC3.3V电源。

位置环的控制算法在DSP芯片上实现，其作用是使电机到达期望的位置。采用分段变参数PID控制算法。该算法的主要思路是：随着系统误差的减小，适当减小比例系数和微分系数，并加大积分系数。分段变参数PID控制算法区的大小可根据具体情况来定，只要控制变量在这个区的变化较平稳即可。为此，在小误差时取消微分，以避免微分引入干扰。在系统误差和误差的微分都接近零时，则清空积分项，消除积分记忆作用带来的负面影响。具体PID控制算法如下：

图 2 数字位置环PID控制算法流程图

积分分离处理的PID控制算法

1）根据实际情况，人为设定一阈值ε＞0。

2）当|e(k)|＞ε时，也即偏差值|e(k)|比较大时，采用PD控制，可使超调量大幅度降低，又使系统有较快的响应速度。

3）当|e(k)|≤ε时，也即偏差值|e(k)|比较小时，采用PID控制，可保证系统的控制精度。

系统数字位置环数字PID控制算法如下图所示。

经过实际测试，伺服系统完全达到了规定的性能指标。

3 结论

本文设计了基于DSP的舰炮伺服系统，试验表明该方案是可行的。通过试验发现，嵌入式处理器DSP内部采用程序总线和数据线分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，可以满足舰炮伺服系统高速实时性要求。

[1] 陶永华.新型PID控制及其应用[M].机械工业出版社,1998.

[2] 张雄伟.DSP芯片的原理与开发应用[M].电子工业出版社,2002.

[3] 秦忆.现代交流伺服系统[M].华中理工大学出版社,1995.