基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统属于交流伺服电机控制技术领域，该系统由数字信号处理器DSP 控制器( 及软件)、逆变控制电路、被控电机( 及其负载) 和用于检测速度的编码器组成，DSP 选用32 位以上定点或浮点DSP，它的PID 控制机构采用比较- 比例- 积分- 微分等、或采用比较电路联接并联的比例电路与积分电路及两路并列输入加法电路等控制过程；优点有：采用数字处理技术，使用较强的DSP 为核心控制交流伺服电机速度，还与算法控制技术相结合，先进算法能对电机进行复杂、准确闭环控制，控制方式灵活、效果好，还能提高控制系统整体性能，控制应用合理、电路结构简单、直接可靠、经济实用、便于维护，该控制系统值得采用和推广。
一. [0001] 一种基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统属于交流伺服电机控制技术领域，尤其涉及一种交流伺服电机速度的PID 控制机构，这种控制系统具有经济、实用、简单、直接、精细、平滑等优点。
二. [0002] 交流伺服电机速度必须采用闭环控制才能获得优良的速度控制性能。交流伺服电机速度闭环控制系统包括PID 控制机构和被控对象。在现有的公知技术中，PID 控制机构的各项参数往往采用试凑的方法或根据经验进行调整，比较盲目且费时费力。本实用新型提出了一种新的控制机构和控制机理：一种采用DSP 控制器并根据被控对象- 电机及其负载的实时参数直接得到PID 控制机构各项参数的交流伺服电机速度控制系统，该交流伺服电机速度控制系统使被控制电机的速度变化精确、平稳，具有控制简单、直接可靠、经济实用等优点。
三. [0003] 目的是：向社会提供这种基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统，该交流伺服电机速度控制系统控制电机速度精细、平滑、可靠、先进，值得采用和推广。
[0004] 本发明的技术方案是这样的：这种基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统，技术特点在于：该系统由DSP 控制器( 包括它的软件程序)、逆变控制电路、被控电机( 包括其负载) 和用于检测速度的编码器组成。所述的DSP 即数字信号处理器。
[0005] 根据以上所述的基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统，技术特点有：所述的DSP控制器是32 位、或64 位定点或浮点DSP，该DSP 控制器的两路输入端分别接收速度控制指令或信息、及由编码器输出的交流伺服电机实时速度信息，两信息经过DSP 控制器从两路输出端分别联接PID 控制机构的输入端，经过PID 控制机构处理输出PWM 控制信号，PWM 控制信号联接至逆变驱动电路，逆变驱动电路输出调整交流伺服电机速度信息并输入给交流伺服电机。所述的DSP 控制器输入接收速度控制指令或电机速度设定或稳定信息，并输入由编码器输出的交流伺服电机实时速度信息，两信息经过DSP 控制器处理后输入PID 控制机构中，PID 控制机构也是DSP 控制器的组成部分。在PID 控制机构中的信息经过一系列处理后变为调整电机速度的PWM 控制信号输出，该PWM 控制信号输出联接逆变驱动电路，逆变驱动电路输出调整交流伺服电机速度信息联接至交流伺服电机及其负载。
[0006] 根据以上所述的基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统，技术特点还有：所述的PID 控制机构由比较电路联接比例电路再联接积分电路再联接微分电路构成。所述的PID控制机构采用比较- 比例- 积分- 微分等电子控制过程，经过比较之后的信息，其误差输出信息是误差输入信息的比例、积分、微分的函数。P 控制即比例控制，即是比例电路控制机构，通常输出与输入误差信息成正比例关系，该比例关系会随着系统进入稳态呈现稳态关系。I 控制即积分控制，即是积分控制机构，当误差信息进入稳态变化时，将误差信息取时间 的积分，即便很小的误差信息也能随着时间增加而加大，采取相反控制使稳态误差信息减小直到为零。D 控制即微分控制，即是微分控制机构，当系统克服误差信息时，其控制变化总是落后于误差信息变化，说明系统中存在较大惯性组件或滞后组件，微分控制即是预测误差信息变化趋势或动向，以便提前控制避免误差信息严重冲过头。上述全过程就是PID 电子控制过程，该过程由DSP 控制器及其PID 控制机构以及它们的软件程序共同完成或实现。
[0007] 根据以上所述的基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统，技术特点还有：所述的PID 控制机构由现场可编程逻辑器件的内部逻辑电路：比较电路、比例电路、积分电路、微分电路及其硬件描述语言程序构成。所述的现场可编程逻辑器件是DSP 控制器的组成部分。现场可编程序逻辑器件FPGA 选用通用和专用的FPGA，如是型号为EP4S40G2 通用的FPGA，或是专用的FPGA，如是美国XILINX 公司的SPARTAN3 系列的FPGA。现场可编程逻辑器件是由用户编程来实现所需功能的集成电路芯片，可以反复地编程、擦除。利用配套开发软件及编程电缆实现现场可编程逻辑器件的编程，在开发软件中完成设计后，软件自动产生一个最终的编程文件，再通过编程电缆将编程文件烧写到现场可编程逻辑器件中，烧写过程就是编程过程。该现场可编程逻辑器件的内部逻辑电路图可参见说明书附图2，在图2中的内部逻辑电路：比较电路、比例电路、积分电路、微分电路均为硬件描述语言VHDL(VeryHigh speed Integrated Circuit Hardware Description Language) 编写的集成电路芯片。硬件描述语言是目前国内外数字系统的主流设计语言，主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口等。
[0008] 根据以上所述的基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统，技术特点还有：所述的PID 控制机构由比较电路联接并联的比例电路与积分电路，比例电路与积分电路并列输入加法电路构成。PID 控制器的全部功能均由DSP 软硬件实现。工作时，PID 控制机构电子控制流程如下：由DSP 控制器通过PWM 产生一幅值为A 的阶跃信号输入到逆变驱动电路，启动交流伺服电机运转，由编码器测出电机的实时速度，并输入DSP 控制器中记录电机速度随时间变化的全过程。DSP 控制器读取电机速度的稳态幅值V，并将阶跃信号的幅值A 除以V，得到被控电机系统的等效阻尼系数K ＝ A/V。DSP 控制器读取电机速度稳态幅值V 的0.632倍处的时间值T。DSP 控制器将被控电机系统的等效阻尼系数K 乘以T，得到被控电机系统的等效惯量系数I ＝ KxT。设控制系统所选的逆变驱动电路****驱动功率为Pmax，且交流伺服电机系统****允许速度值为Vmax，则PID 控制机构的比例控制系数Kp ＝ Pmax/Vmax。
选用PID 控制机构的积分控制系数Ki ＝ (Kp+K)2/(4xI)。DSP 控制器将电机稳态速度信号和由编码器测出电机的实时速度信号通过比较电路比较产生并输出两者的速度误差信号，该误差信号与PID 控制机构的比例控制系数Kp 信息相乘输入PID 控制机构的比例电路。
同时该误差信号与PID 控制机构的积分控制系数Ki 信息相乘输入PID 控制机构的积分电路，并联的比例电路与积分电路同时处理输入信息，又同时并列输出信息给加法电路，经过加法电路生产PWM 阶跃信号( 控制信息) 输入到逆变驱动电路，控制交流伺服电机运转。
上述过程在具体实施时由DSP 控制器及其PID 控制机构以及它们的软件程序共同完成或实现。
[0009] 根据以上所述的基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统，技术特点还有：所述的PID 控制机构由现场可编程逻辑器件的内部逻辑电路：比较电路、并联的比例电路与积分电路、加法电路及其硬件描述语言程序构成。所述的现场可编程逻辑器件是DSP 控制器的 组成部分。现场可编程序逻辑器件FPGA 选用通用和专用的FPGA，如是型号为EP4S40G2 通用的FPGA，或是专用的FPGA，如是美国XILINX 公司的SPARTAN3 系列的FPGA。现场可编程逻辑器件是由用户编程来实现所需功能的集成电路芯片，可以反复地编程、擦除。利用配套开发软件及编程电缆实现现场可编程逻辑器件的编程，在开发软件中完成设计后，软件自动产生一个最终的编程文件，再通过编程电缆将编程文件烧写到现场可编程逻辑器件中，烧写过程就是编程过程。该现场可编程逻辑器件的内部逻辑电路图可参见说明书附图3，在图3 中的内部逻辑电路：比较电路、并联的比例电路与积分电路、加法电路均为硬件描述语言VHDL(Very High speed Integrated Circuit Hardware Description Language) 编写的集成电路芯片。硬件描述语言是目前国内外数字系统的主流设计语言，主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口等。
[0010] 本实用新型的基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统优点有：1. 基于采用32 位、或64 位定点或浮点数字信号处理器DSP 为核心控制的交流伺服电机速度，该DSP 是一种新型、高效、低功耗的集成电路芯片，能为电动机进行复杂控制，能准确实现对交流伺服电机速度的闭环控制，控制方式灵活，控制效果好；2. 采用数字处理和算法控制技术相结合，应用合理、先进的算法不仅可以实施对电动机的实时准确控制，还可提高控制系统整体的性能，具有电路结构简单、成本低、便于维护等优点；3. 本实用新型的基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统使被控制电机的速度变化精确、平稳，具有控制简单、直接可靠、经济实用等优点。实际使用证明：这种基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统值得采用和推广。
四. 附图说明[0011] 本实用新型的说明书附图有3 幅：
[0012] 图1 是基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统的结构框图；[0013] 图2 是基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统的PID 控制机构结构框图；[0014] 图3 是基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统的又一PID 控制机构结构框图。
[0015] 在各图中采用了统一标号，即同一物件在各图中用同一标号。在各图中：1.DSP 控制器；2. 比较电路；3.PID 控制机构；4.PWM 控制信号；5. 逆变驱动电路；6. 交流伺服电机及其负载；7. 编码器；8. 由编码器7 输出的交流伺服电机实时速度信息；9. 速度控制指令或设定信息；10. 比例电路；11. 积分电路；12. 微分电路；13. 加法电路。
五. 具体实施方式[0016] 本实用新型基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统的非限定实施例如下：
[0017] 实施例一. 基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统[0018] 该例的基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统具体结构由图1 ～图2 示出，图1所示的是基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统的结构框图，图2 所示的是基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统的PID 控制机构结构框图。如两图所示，这种基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统由DSP 控制器1( 包括它的软件程序)、逆变控制电路5、被控电机( 包括其负载)6 和用于检测速度的编码器7 等组成。所述的DSP 即数字信号处理器，该DSP 控制器1 如是型号为TMS320C32 的32 位浮点DSP，该DSP 控制器1 的两路输入端分别接收速度控制指令或信息9、及由编码器7 输出的交流伺服电机实时速度信息8，两信息经过DSP控制器1 从两路输出端分别联接PID 控制机构3 的输入端，经过PID 控制机构3 处理输出PWM 控制信号4，PWM 控制信号4 联接至逆变驱动电路5，逆变驱动电路5 输出调整交流伺服电机速度信息并输入给交流伺服电机6。该例的DSP 控制器1 输入接收速度控制指令或电机速度设定、或稳定信息9，并输入由编码器7 输出的交流伺服电机实时速度信息8，两信息经过DSP 控制器1 处理输入PID 控制机构3 中，PID 控制机构也是DSP 控制器的组成部分。在PID 控制机构3 中的信息经过一系列数字信息处理后变为调整电机6 速度的PWM 控制信号4 输出，该PWM 控制信号4 输出联接逆变驱动电路5，逆变驱动电路5 输出调整交流伺服电机速度信息联接至交流伺服电机及其负载6。该例的PID 控制机构3 由比较电路2联接比例电路10 再联接积分电路11 再联接微分电路12 构成。该PID 控制机构3 采用比较- 比例- 积分- 微分等电子控制过程，经过比较电路之后的信息，其误差输出信息是误差输入信息的比例、积分、微分的函数。P 控制即比例控制，即是比例电路控制机构，通常输出与输入误差信息成正比例关系，该比例关系会随着系统进入稳态呈现稳态关系。I 控制即积分控制，即是积分控制机构，当误差信息进入稳态变化时，将误差信息取时间的积分，即便很小的误差信息也能随着时间增加而加大，采取相反控制使稳态误差信息减小直到为零。D控制即微分控制，即是微分控制机构，当系统克服误差信息时，其控制变化总是落后于误差信息变化，说明系统中存在较大惯性组件或滞后组件，微分控制即是预测误差信息变化趋势或动向，以便提前控制避免误差信息严重冲过头。上述全过程就是PID 电子控制过程，该过程由DSP 控制器1 及其PID 控制机构3 以及它们的软件程序共同完成或实现。该例的PID 控制机构3 选择由现场可编程逻辑器件的内部逻辑电路：比较电路2、比例电路10、积分电路11、微分电路12 及其硬件描述语言程序构成。该例的现场可编程逻辑器件是DSP 控制器1 的组成部分，该现场可编程序逻辑器件FPGA 选用通用的FPGA，如是型号为EP4S40G2通用的FPGA。现场可编程逻辑器件是由用户编程来实现所需功能的集成电路芯片，可以反复地编程、擦除。利用配套开发软件及编程电缆实现现场可编程逻辑器件的编程，在开发软件中完成设计后，软件自动产生一个最终的编程文件，再通过编程电缆将编程文件烧写到现场可编程逻辑器件中，烧写过程就是编程过程。该现场可编程逻辑器件的内部逻辑电路图可参见说明书附图2，在图2 中的内部逻辑电路：比较电路2、比例电路10、积分电路11、微分电路12 均为硬件描述语言VHDL(Very High speed Integrated Circuit HardwareDescription Language) 编写的集成电路芯片。硬件描述语言是目前国内外数字系统的主流设计语言，主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口等。
[0019] 实施例二. 基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统[0020] 该例的基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统的结构可用图1、图3 等联合示出，图3 所示的是基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统的又一PID 控制机构结构框图。该例的基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统与实施例一的基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统不同点有：1. 该例的DSP 控制器1 如是型号为TMS320C6474 的32 位定点DSP。2. 该例的PID 控制机构3 由比较电路2 联接并联的比例电路10 与积分电路11，比例电路10 与积分电路11 并列输入加法电路13 构成。3. 该例PID 控制器3 的全部功能均由DSP 控制器1 的软硬件实现。工作时，PID 控制机构3 电子控制流程如下：由DSP 控制器1 通过PWM 信号端产生一幅值为A 的阶跃信号输入到逆变驱动电路5，启动交流伺服电机6 运转，由编码器7 测出电机6 的实时速度8，并输入DSP 控制器1 中记录电机速度随时间变化的全过程。 DSP 控制器1 读取电机6 速度的稳态幅值V，并将阶跃信号的幅值A 除以V，得到被控电机6 系统的等效阻尼系数K ＝ A/V。DSP 控制器1 读取电机速度稳态幅值V 的0.632 倍处的时间值T。DSP 控制器1 将被控电机6 系统的等效阻尼系数K 乘以T，得到被控电机6 系统的等效惯量系数I ＝ KxT。设控制系统所选的逆变驱动电路5 ****驱动功率为Pmax，且交流伺服电机6 系统****允许速度值为Vmax，则PID 控制机构3 的比例控制系数Kp ＝ Pmax/Vmax。选用PID 控制机构3 的积分控制系数Ki ＝ (Kp+K)2/(4xI)。DSP 控制器1 将电机6稳态速度信号9 和由编码器测出电机的实时速度信号8 通过比较电路2 比较产生并输出两者的速度误差信号，该误差信号与PID 控制机构3 的比例控制系数Kp 信息相乘输入PID 控制机构的比例电路10。同时该误差信号与PID 控制机构3 的积分控制系数Ki 信息相乘输入PID 控制机构3 的积分电路11，并联的比例电路10 与积分电路11 同时处理输入信息，又同时并列输出信息给加法电路13，经过加法电路13 生产PWM 阶跃信号( 控制信息) 输入到逆变驱动电路5，控制交流伺服电机6 运转。上述过程在具体实施时由DSP 控制器1 及其PID 控制机构3 及它们的软件程序共同完成或实现。4. 该例的PID 控制机构3 选择由现场可编程逻辑器件的内部逻辑电路：比较电路2、并联的比例电路10 与积分电路11、加法电路13 及其硬件描述语言程序构成。该例的现场可编程逻辑器件是DSP 控制器的组成部分，该现场可编程序逻辑器件FPGA 选用专用的FPGA，如是美国XILINX 公司的型号为SPARTAN3 系列的FPGA。该现场可编程逻辑器件的内部逻辑电路图可参见说明书附图3，在图3 中的内部逻辑电路：比较电路2、并联的比例电路10 与积分电路11、加法电路13 均为硬件描述语言VHDL 编写的集成电路芯片。该例的基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统其余未述的，全同于实施例一中所述的，不再重述。
[0021] 实施例三. 基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统[0022] 该例的基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统的大体结构可用图1 ～图3 等联合示出，该例的基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统与实施例一、实施例二的基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统不同点有：该例的DSP 控制器1 如是选择64 位定点或浮点的DSP。
该例的基于DSP 的交流伺服电机速度控制系统其余未述的，全同于实施例一、实施例二中所述的，不再重述。
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