高偉松，王立玲，肖金壯，王洪瑞

（河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071000）

在伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器組成的高性能穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)中，需要實(shí)時(shí)地獲得伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速信息，高速高精度的傳感器以及相應(yīng)的外圍電路設(shè)計(jì)是必不可少的。由于單片機(jī)自身資源的局限性，難以滿足現(xiàn)在伺服系統(tǒng)高精度、高運(yùn)算率以及快速實(shí)時(shí)性的要求。在穩(wěn)定平臺(tái)伺服控制系統(tǒng)中，DSP已經(jīng)逐漸取代單片機(jī)，成為主流芯片。本設(shè)計(jì)采用TI公司的32 bit浮點(diǎn)型DSP芯片TMS320F28335，其工作時(shí)鐘頻率高達(dá)150 MHz，具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，能夠?qū)崟r(shí)地完成復(fù)雜的控制算法。片內(nèi)集成了豐富的電機(jī)控制外圍部件和電路，簡化了控制電路的硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

本研究采用DSP的新型開發(fā)板ICETEK-F28335-A，配合使用其中的EQEP模塊和光電編碼器設(shè)計(jì)了測量伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的解決方案，同時(shí)利用該開發(fā)板上的數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）模塊，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換放大完成對(duì)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)伺服電機(jī)控制的閉環(huán)系統(tǒng)。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)有功耗低、成本低和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有高精度、高分辨率以及快速實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，使穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)達(dá)到了較好的控制效果。

1 穩(wěn)定平臺(tái)的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

穩(wěn)定平臺(tái)應(yīng)用的主要技術(shù)是伺服控制技術(shù)，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)松下伺服MINAS A系列伺服電機(jī)進(jìn)行速度控制，其主要由松下伺服MINAS A系列的伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、相應(yīng)的光電編碼器、TMS320F28335運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)板、相應(yīng)的ICETEK-5100USB仿真器以及實(shí)現(xiàn)閉環(huán)過程必需的外圍電路組成。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

穩(wěn)定平臺(tái)的伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)過程為：DSP控制器根據(jù)上位機(jī)給定的速度命令值減去速度反饋值算出電機(jī)速度的誤差值，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)單元的數(shù)字濾波器（調(diào)節(jié)算法）產(chǎn)生電機(jī)速度的控制信號(hào)，即D/A模塊產(chǎn)生模擬量電壓，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換到能夠?qū)λ欧姍C(jī)進(jìn)行控制的電壓范圍，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。其中，反饋值是根據(jù)增量式光電編碼器反饋的正交脈沖信號(hào)，經(jīng)過光耦隔離、整形，將反饋信號(hào)提供給TMS320F28335的eQEP模塊。采集脈沖信號(hào)根據(jù)M/T計(jì)數(shù)方法計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速，反饋給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，從而使穩(wěn)定平臺(tái)能夠隔離載體運(yùn)動(dòng)建立穩(wěn)定基準(zhǔn)面[1]。電源模塊將開關(guān)電源提供的+5 V電壓變換為+3.3 V為系統(tǒng)供電[2]。

圖1 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 伺服系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 TMS320F28335的eQEP模塊

TMS320F28335的eQEP模塊為增強(qiáng)型的正交解碼模塊，主要應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，它提供了編碼器的直接接口，通過eQEP模塊可以得到電機(jī)的位置、方向和速度信息。TMS320F28335中提供4個(gè)引腳信號(hào)經(jīng)GPIO復(fù)用器進(jìn)入到eQEP內(nèi)部的正交解碼模塊，QDU（正交解碼單元）對(duì)接收到的編碼器的正交脈沖信號(hào)進(jìn)行方向和脈沖的解碼，解碼之后得到4倍頻的位置脈沖信號(hào)和方向信號(hào)，送到位置計(jì)數(shù)器中進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。設(shè)置編碼器控制寄存器QDECCTL為正交計(jì)數(shù)模式，觀察狀態(tài)寄存器QEPSTS中的正交方向標(biāo)志位來觀察旋轉(zhuǎn)方向，順時(shí)針時(shí)進(jìn)行增計(jì)數(shù)，逆時(shí)針時(shí)進(jìn)行減計(jì)數(shù)。通過程序讀取該位置計(jì)數(shù)器QPOSCNT的值就可以得到電機(jī)實(shí)際位置信息，通過該位置信息就可以與給定位置信息進(jìn)行閉環(huán)控制。此外，還可以通過QCAP模塊來計(jì)算電機(jī)的速度信息[3]。正交編碼脈沖、定時(shí)器計(jì)數(shù)脈沖和計(jì)數(shù)方向時(shí)序邏輯如圖2所示。

圖2 正交編碼脈沖、計(jì)數(shù)脈沖和方向信號(hào)

2.2 光電編碼器和TMS320F28335的接口電路

伺服系統(tǒng)的編碼器信號(hào)是從伺服驅(qū)動(dòng)器上輸出的差分信號(hào)，而DSP需要的是TTL信號(hào)，因此在采集前需要對(duì)編碼器輸出的信號(hào) OA+、OA-、OB+、OB-、OZ+和OZ-進(jìn)行轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)利用AM26LS32芯片進(jìn)行差分信號(hào)的接收[4]，接收后的輸出信號(hào)為 A、B和Z 3路信號(hào)，其中A、B信號(hào)相位差為90°。光電編碼器輸出的信號(hào)經(jīng)過光電隔離、整形之后送到DSP eQEP模塊的相應(yīng)引腳，其接口電路如圖3所示。其中，6N137是高速光耦芯片，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的隔離；74HC14是高速CMOS反相器，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入脈沖信號(hào)的整形。圖3只給出了光電編碼器輸出的OA+、OA-兩路信號(hào)的光電隔離和整形，光電隔離和整形后的信號(hào)送到TMS320F28335外設(shè)引腳的 EQEP1A、EQEP1B和 EQEP1I，進(jìn)行正交解碼。

圖3 接口電路圖

2.3 伺服電機(jī)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速的測量

通過設(shè)置中斷使能寄存器QEINT、中斷標(biāo)志寄存器QFLG、中斷清除寄存器QCLR和一些相關(guān)初始化程序產(chǎn)生中斷，通過周期寄存器QUPRD設(shè)置周期中斷采樣時(shí)間為t，位置鎖存器QPOSLAT每隔時(shí)間t就鎖存一次位置計(jì)數(shù)器QPOSCNT的值，位置計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到邊沿時(shí)也會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，由于采樣時(shí)間內(nèi)位置計(jì)數(shù)值遠(yuǎn)小于位置計(jì)數(shù)的周期數(shù)，因此最多發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)[5]。本文令2次相鄰中斷的鎖存值為 f（t）和 f（2t），位置計(jì)數(shù)器為 32 bit寄存器。當(dāng)位置計(jì)數(shù)器增計(jì)數(shù)到FFFFFFFFh時(shí)，若計(jì)數(shù)方向還是增計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)值回到0，繼續(xù)進(jìn)行增計(jì)數(shù)；同理，當(dāng)位置計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)到0時(shí)，若計(jì)數(shù)方向仍為減計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)值回到FFFFFFFFh，繼續(xù)進(jìn)行減計(jì)數(shù)。

當(dāng)狀態(tài)寄存器QEPSTS[QDF]為0時(shí)，說明伺服電機(jī)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，即進(jìn)行減計(jì)數(shù)；當(dāng)狀態(tài)寄存器QEPSTS[QDF]為1時(shí)，說明伺服電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)，即進(jìn)行增計(jì)數(shù)。以正轉(zhuǎn)為例，分兩種情況計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速：當(dāng)不發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，δ=f（2t）-f（t），t～2t時(shí)間內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械角度為：

其中，P表示每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)，△t=2t-t。

計(jì)算伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法有很多，常見的就是M法、T法和M/T法。M法測速是根據(jù)在一規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)光電編碼器所產(chǎn)生的脈沖數(shù)來確定轉(zhuǎn)速，它實(shí)際上是測定頻率，適用于測量較高的轉(zhuǎn)速。T法測速是通過測量光電編碼器所產(chǎn)生的相鄰兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間來確定被測轉(zhuǎn)速，這種方法實(shí)際上是測量周期，適用于測量較低的轉(zhuǎn)速。M/T法是通過測量檢測時(shí)間和在該檢測時(shí)間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)送的脈沖數(shù)來確定被測轉(zhuǎn)速，這種方法兼顧上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，在高速和低速的場合下都具有較高的分辨能力。本文選用M/T法，其原理如圖4所示[6]。

圖4 M/T法測速的基本原理

其中，f為時(shí)鐘脈沖的頻率，P為每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)。

2.4 電平轉(zhuǎn)換放大電路

本設(shè)計(jì)采用的DSP開發(fā)板ICETEK-F28335-A的D/A模塊輸出電壓為0～4.2 V，而伺服電機(jī)所需的控制電壓范圍為-10 V～+10 V，因此需進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，其放大電路如圖5所示。

M1為測速脈沖計(jì)數(shù)值，M2為高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)值，T為采樣時(shí)間，時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù) M2有±1的誤差，由于時(shí)鐘脈沖頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于測速脈沖的頻率，因此誤差可以忽略，從而使測量精度大大提高。轉(zhuǎn)速習(xí)慣上常以每分鐘轉(zhuǎn)速來表示，計(jì)算公式為：

圖5 電壓轉(zhuǎn)換放大電路

由于DSP開發(fā)板輸出阻抗較大，有分壓導(dǎo)致衰減損耗嚴(yán)重，因此放大電路前需加一個(gè)電壓跟隨器，起到阻抗匹配作用，從而使后級(jí)放大電路能夠更好地工作。

3 伺服系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件調(diào)試與開發(fā)均采用針對(duì)TMS320F28335的CCSV3.3版本。TI公司為用戶提供的軟件開發(fā)工具CCS（Code Composer Studio）提供了可視化窗口，將所有代碼生成工具集成在一起，用戶的一切開發(fā)過程都在CCS中進(jìn)行，包括項(xiàng)目建立、源程序的編輯、程序的編譯和調(diào)試，此外，CCS還提供了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) DSP／BIOS，極大地方便了調(diào)試和開發(fā)。本系統(tǒng)的DSP程序主要分為主程序和中斷服務(wù)程序兩個(gè)模塊。主程序模塊[10]主要實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊的初始化、內(nèi)存變量的定義和中斷矢量的聲明等工作。中斷程序模塊主要實(shí)現(xiàn)相關(guān)寄存器的設(shè)置、讀取和鎖存eQEP模塊的脈沖計(jì)數(shù)、檢測電路的反饋以及控制算法的程序等工作，其軟件流程如圖6所示。本文提出了穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用DSP芯片TMS320F28335的eQEP模塊對(duì)光電編碼器的脈沖信號(hào)進(jìn)行解碼和計(jì)數(shù)，求得伺服電機(jī)的角度和速度信息，

圖6 軟件流程圖

從而與上位機(jī)給定值進(jìn)行比較，通過調(diào)節(jié)算法使D/A

模塊產(chǎn)生電壓信號(hào)對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行速度控制。研究表明，該設(shè)計(jì)具有較高的響應(yīng)速度、穩(wěn)定精度和較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)能力，充分實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定平臺(tái)的高精度控制。同時(shí)，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)能力，驗(yàn)證了該方案的有效性，并為不同控制領(lǐng)域提供了高性能的數(shù)字解決方案。

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