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摘要：针对目前主流船用光电跟踪设备对伺服驱动数字化、集成化要求，本文研究了基于CAN总线的伺服控制技术，设计了基于DSP的伺服控制系统。采用DSP作为主控制器，通过CAN总线与两个伺服驱动器节点连接，通过DSP编程实现伺服系统的PID闭环控制。
关键字：CAN总线 DSP 伺服控制
概述
传统船用光电跟踪设备采用模拟伺服控制系统体积大、接口电路复杂、集成化程度较低，已难以满足舰船总体设计单位在舰船设备总体规划时对设备数字化、集成化的要求[1]。本文提出了基于DSP和CAN总线的数字伺服控制设计方案。
1 系统设计
船用光电跟踪设备由光电指向器和显控平台两大部分组成，光电指向器采用方位、俯仰两轴结构设计，内部集成了图像传感器及陀螺模块等。
整个光电系统按功能可分为图像显控系统和伺服控制系统两大部分组成。本设计伺服控制系统由伺服控制单元、伺服驱动单元、伺服电机、测角单元及测速单元等功能模块组成，伺服控制系统功能框图如图1所示。
（1） 伺服控制单元设计
伺服控制系统采用TI公司TMS320F28335 DSP芯片为伺服控制单元， 该芯片内置eCAN控制器，简化了CAN总线接口设计，只需添加CAN收发器芯片就可实现CAN总线通信。本设计选用SN65HVD230芯片作为CAN总线收发器DSP连接。CAN总线接口电路如图2所示。
同时由于光电跟踪设备应用于舰船环境，为了隔离船体的摇摆对图像造成的摇晃，光电指向器要求伺服控制具备自稳定功能。系统选用光纤陀螺作为速度反馈，在DSP中根据陀螺速度进行PID运算，进而驱动光电指向器朝船体摇摆的反方向转动，以此抵消船体的摇摆。选用SN65HVD08D接口芯片设计RS485接口电路与MEMS陀螺进行串行通信连接，接口电路原理图如图3所示。
（2） CAN通信软件设计
CAN通信軟件设计分为三个功能模块，分别为CAN通信资源初始化，CAN数据帧接收和CAN数据帧发送。CAN通信资源初始化模块主要完成CAN通信邮箱初始化和定时器设置。对邮箱的初始化主要是设置邮箱标识符、数据发送类型（数据帧还是远程帧）以及对发送数据区初始化。定时器设置主要起通过对定时器相关寄存器BCR1和BCR2写入参数以确定CAN控制器的波特率、采用频率及同步模式等。CAN接收采用中断方式，根据CANGIF寄存器中邮箱中断向量值，到响应邮箱读取接收数据。CAN发送采用查询方式，只需要将要发送数据写入发送缓冲区及设置发送寄存器即可完成发送。软件流程图如图4所示。
（3）伺服控制原理
数字伺服系统一般采用位置控制、速度控制和力矩控制三环结构[2]，对应伺服系统由外到内的位置环、速度环和电流环三个环路驱动。在采用位置模式时，伺服系统完成所有的三个闭环控制，在速度模式下伺服完成速度和电路两个闭环控制。力矩模式下伺服系统只进行电流环控制，因此受到外界干扰的影响最小，常用于实时动态调整的伺服控制。伺服控制模型如图5所示。
2 PID控制算法
PID控制器的输入e（t）和输出u（t）之间的关系为[3]：
其中，比例调节参数KP是按比例反应系统的偏差，KI积分调节参数，KD为微分调节参数，积分调节器和微分调节器不可单独使用，需要和另外两个调节器结合，组成PID控制器。
系统采用的MEMS陀螺作为速度反馈，由于光纤陀螺存在测量误差，因此在软件设计时采用一种改进的PID控制器，其表达式如下
其中：k为采样循环序号，k=0，1，2……，e（k）为第k个采样时刻的速度偏差，α为权值。改进的PID算法是将本次控制量与前次控制量u（k-1）进行加权平均，这实际上是对陀螺稳定控制量做了一次平滑處理，可以较好地抑制陀螺噪声并且避免在速度突变时出现振荡。
3 伺服特性分析
通过驱动器自带的调试软件对驱动器响应特性进行了测试，给驱动器一个速度阶跃信号，驱动器速度能够得到快速响应，并且没有出现明显的过冲和振荡。
4 结论
本文采用DSP作为伺服控制器，采用基于CAN总线的驱动器进行了伺服控制系统设计，并运用到光电跟踪系统中，通过驱动参数调整及测试实验，伺服响应特性达到良好的效果。
参考文献：
[1] 蔡述庭 吴宇 基于DSP和CAN总线的分布式伺服系统[J]伺服控制，2006，，11：24-26
[2] 强明辉 张彦龙 马永炜 基于CAN总线多轴伺服控制系统的研究与应用[J]电气传动2016，46（2）：60-64
[3] 王高 柳宁 谢存禧 基于DSP 的数字PID 伺服控制系统设计[J]微计算机信息2008，24（3）：84-86
关键字：CAN总线 DSP 伺服控制
概述
传统船用光电跟踪设备采用模拟伺服控制系统体积大、接口电路复杂、集成化程度较低，已难以满足舰船总体设计单位在舰船设备总体规划时对设备数字化、集成化的要求[1]。本文提出了基于DSP和CAN总线的数字伺服控制设计方案。
1 系统设计
船用光电跟踪设备由光电指向器和显控平台两大部分组成，光电指向器采用方位、俯仰两轴结构设计，内部集成了图像传感器及陀螺模块等。
整个光电系统按功能可分为图像显控系统和伺服控制系统两大部分组成。本设计伺服控制系统由伺服控制单元、伺服驱动单元、伺服电机、测角单元及测速单元等功能模块组成，伺服控制系统功能框图如图1所示。
（1） 伺服控制单元设计
伺服控制系统采用TI公司TMS320F28335 DSP芯片为伺服控制单元， 该芯片内置eCAN控制器，简化了CAN总线接口设计，只需添加CAN收发器芯片就可实现CAN总线通信。本设计选用SN65HVD230芯片作为CAN总线收发器DSP连接。CAN总线接口电路如图2所示。
同时由于光电跟踪设备应用于舰船环境，为了隔离船体的摇摆对图像造成的摇晃，光电指向器要求伺服控制具备自稳定功能。系统选用光纤陀螺作为速度反馈，在DSP中根据陀螺速度进行PID运算，进而驱动光电指向器朝船体摇摆的反方向转动，以此抵消船体的摇摆。选用SN65HVD08D接口芯片设计RS485接口电路与MEMS陀螺进行串行通信连接，接口电路原理图如图3所示。
（2） CAN通信软件设计
CAN通信軟件设计分为三个功能模块，分别为CAN通信资源初始化，CAN数据帧接收和CAN数据帧发送。CAN通信资源初始化模块主要完成CAN通信邮箱初始化和定时器设置。对邮箱的初始化主要是设置邮箱标识符、数据发送类型（数据帧还是远程帧）以及对发送数据区初始化。定时器设置主要起通过对定时器相关寄存器BCR1和BCR2写入参数以确定CAN控制器的波特率、采用频率及同步模式等。CAN接收采用中断方式，根据CANGIF寄存器中邮箱中断向量值，到响应邮箱读取接收数据。CAN发送采用查询方式，只需要将要发送数据写入发送缓冲区及设置发送寄存器即可完成发送。软件流程图如图4所示。
（3）伺服控制原理
数字伺服系统一般采用位置控制、速度控制和力矩控制三环结构[2]，对应伺服系统由外到内的位置环、速度环和电流环三个环路驱动。在采用位置模式时，伺服系统完成所有的三个闭环控制，在速度模式下伺服完成速度和电路两个闭环控制。力矩模式下伺服系统只进行电流环控制，因此受到外界干扰的影响最小，常用于实时动态调整的伺服控制。伺服控制模型如图5所示。
2 PID控制算法
PID控制器的输入e（t）和输出u（t）之间的关系为[3]：
其中，比例调节参数KP是按比例反应系统的偏差，KI积分调节参数，KD为微分调节参数，积分调节器和微分调节器不可单独使用，需要和另外两个调节器结合，组成PID控制器。
系统采用的MEMS陀螺作为速度反馈，由于光纤陀螺存在测量误差，因此在软件设计时采用一种改进的PID控制器，其表达式如下
其中：k为采样循环序号，k=0，1，2……，e（k）为第k个采样时刻的速度偏差，α为权值。改进的PID算法是将本次控制量与前次控制量u（k-1）进行加权平均，这实际上是对陀螺稳定控制量做了一次平滑處理，可以较好地抑制陀螺噪声并且避免在速度突变时出现振荡。
3 伺服特性分析
通过驱动器自带的调试软件对驱动器响应特性进行了测试，给驱动器一个速度阶跃信号，驱动器速度能够得到快速响应，并且没有出现明显的过冲和振荡。
4 结论
本文采用DSP作为伺服控制器，采用基于CAN总线的驱动器进行了伺服控制系统设计，并运用到光电跟踪系统中，通过驱动参数调整及测试实验，伺服响应特性达到良好的效果。
参考文献：
[1] 蔡述庭 吴宇 基于DSP和CAN总线的分布式伺服系统[J]伺服控制，2006，，11：24-26
[2] 强明辉 张彦龙 马永炜 基于CAN总线多轴伺服控制系统的研究与应用[J]电气传动2016，46（2）：60-64
[3] 王高 柳宁 谢存禧 基于DSP 的数字PID 伺服控制系统设计[J]微计算机信息2008，24（3）：84-86