基于DSP的小型电动舵机伺服控制系统研究.docx

基于DSP的小型电动舵机伺服控制系统研究
摘要
本文主要介绍了基于DSP的小型电动舵机伺服控制系统的设计及实现。首先，介绍了电动舵机的原理和伺服系统的基本概念；然后，从硬件和软件两个方面描述了该控制系统的设计过程和实现方法，包括硬件电路的搭建、DSP芯片的编程、PID控制算法的设计和调试等；最后，通过实验验证了该控制系统的性能，证明了控制系统的可行性和优越性。
关键词：DSP，小型电动舵机，伺服控制，PID算法
Abstract
ThispapermainlyintroducesthedesignandimplementationofasmallelectricrudderservocontrolsystembasedonDSP.Firstly,theprincipleofelectricrudderservosystemisintroduced;Then,thedesignprocessandimplementationmethodofthecontrolsystemaredescribedfromtheaspectsofhardwareandsoftware,includingtheconstructionofhardwarecircuit,programmingofDSPchip,designanddebuggingofPIDcontrolalgorithm,etc.Finally,theperformanceofthecontrolsystemisverifiedthroughexperiments,andthefeasibilityandsuperiorityofthecontrolsystemareproved.
Keywords:DSP,smallelectricrudder,servocontrol,PIDalgorithm
引言
近年来，随着科技的不断发展，无人机、机器人等智能设备的应用越来越广泛，而这些设备中的电动舵机系统是至关重要的部分。电动舵机作为一种能够控制机器人和无人机朝向和姿态的电机，能够帮助设备实现各种复杂的任务。由于传统的直流电机控制系统的控制精度和稳定性不够理想，越来越多的控制方案采用基于数字信号处理器(DSP)的伺服控制系统。本文介绍了一种基于DSP的控制系统设计及实现，旨在探究一种更有效率的电动舵机控制方案。
电动舵机控制系统原理
电动舵机通常由电动机、减速装置、反馈器件、控制回路以及动力机构等组成。电机通过减速装置将高速旋转的输出转为低速高扭矩的输出，传动到动力机构。控制回路可以感知到实际位置，并将实际位置与期望位置之间的误差进行比较，并通过控制算法调整电机的转速和转向角度，以使得舵机能够保证水平较高的精度，完成机器人和无人机的各种操作任务。
伺服控制系统基本概念
伺服控制系统是一种自动控制系统，控制对象为状态变量，其被控制的变量为系统输出。伺服控制系统可以用于电动舵机、机器人以及无人机的控制，通过闭环控制系统，对机器人进行定位、偏差修正、航向控制等，从而实现自主导航和完成新型智能设备的任务。
伺服控制系统分为开环和闭环两种模式，开环控制系统只能根据输入量控制输出量，不能根据输出量调整输入量，无法校准。闭环控制系统通过传感器、反馈单元等装置来获取输出量并根据目标量进行调整，具有修正偏差，控制精度高等功能。
设计和实现
硬件设计
本控制系统的硬件设计主要包括电路部分和硬件连接部分。
电路部分：本文中采用的是基于DSP芯片的伺服控制方案，DSP芯片处理快，精度高，运算速度快等特点，能够有效地提高舵机的控制响应速度和动态精度。选用的DSP芯片型号是STM32F407VGT6，此芯片有高性能的ARMCortexM4内核，集成了12位的D/A转换器和16位的A/D转换器，同时具备数码管显示器和外部扩展接口等，方便与其他硬件进行组装。我们同时选择了一些周边器件，如电容器，电感器，晶振器件等来构建电源管理电路。
硬件连接部分：我们根据电动舵机的结构特点，可以将舵机的电源，地线，信号线，引脚分别对应接到控制单元上。同时，在伺服控制系统中，需要使用PID算法，因此还需要将外部温度传感器与测量电路连接起来，以方便测量周围温度和在温度变化时进行PID控制算法的修改。
软件设计
软件部分主要包括DSP芯片的编程和PID控制算法的设计。
DSP芯片的编程：针对不同型号的芯片需要使用不同的编程语言。针对STM32F407VGT6芯片，本文采用的编程语言是KeilC51，需要对其进行编译和调试。程序设计过程中，我们需要首先完成SRAM和Flash的6K字节缓存搭建，接下来生成指令寄存器，设计A/D转换器，进一步搭建PWM、GPIO接口以实现控制回路的闭环反馈等操作。在上述操作中，我们需要模拟计算出期望值和实际值之间