基于TMS320F28335的穩(wěn)定平臺伺服系統(tǒng)的設計研究

高偉松，王立玲，肖金壯，王洪瑞

（河北大學 電子信息工程學院，河北 保定 071000）

在伺服電機和伺服驅動器組成的高性能穩(wěn)定平臺伺服系統(tǒng)中，需要實時地獲得伺服電機的轉角和轉速信息，高速高精度的傳感器以及相應的外圍電路設計是必不可少的。由于單片機自身資源的局限性，難以滿足現在伺服系統(tǒng)高精度、高運算率以及快速實時性的要求。在穩(wěn)定平臺伺服控制系統(tǒng)中，DSP已經逐漸取代單片機，成為主流芯片。本設計采用TI公司的32 bit浮點型DSP芯片TMS320F28335，其工作時鐘頻率高達150 MHz，具有強大的運算能力，能夠實時地完成復雜的控制算法。片內集成了豐富的電機控制外圍部件和電路，簡化了控制電路的硬件設計，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計了測量伺服電機轉速的解決方案，同時利用該開發(fā)板上的數模轉換（D/A）模塊，經過電壓轉換放大完成對伺服電機轉速的控制，實現了對穩(wěn)定平臺伺服電機控制的閉環(huán)系統(tǒng)。實踐表明，該系統(tǒng)有功耗低、成本低和結構簡單的優(yōu)點，同時具有高精度、高分辨率以及快速實時性的特點，使穩(wěn)定平臺伺服系統(tǒng)達到了較好的控制效果。

1 穩(wěn)定平臺的伺服系統(tǒng)結構

穩(wěn)定平臺應用的主要技術是伺服控制技術，本系統(tǒng)實現了對松下伺服MINAS A系列伺服電機進行速度控制，其主要由松下伺服MINAS A系列的伺服驅動器、伺服電機、相應的光電編碼器、TMS320F28335運動控制開發(fā)板、相應的ICETEK-5100USB仿真器以及實現閉環(huán)過程必需的外圍電路組成。伺服系統(tǒng)的結構如圖1所示。

穩(wěn)定平臺的伺服系統(tǒng)實現速度閉環(huán)過程為：DSP控制器根據上位機給定的速度命令值減去速度反饋值算出電機速度的誤差值，經過驅動單元的數字濾波器（調節(jié)算法）產生電機速度的控制信號，即D/A模塊產生模擬量電壓，經過電平轉換到能夠對伺服電機進行控制的電壓范圍，從而實現對伺服電機的轉速控制。其中，反饋值是根據增量式光電編碼器反饋的正交脈沖信號，經過光耦隔離、整形，將反饋信號提供給TMS320F28335的eQEP模塊。采集脈沖信號根據M/T計數方法計算出電機轉速，反饋給上位機，實現自動控制，從而使穩(wěn)定平臺能夠隔離載體運動建立穩(wěn)定基準面[1]。電源模塊將開關電源提供的+5 V電壓變換為+3.3 V為系統(tǒng)供電[2]。

圖1 伺服系統(tǒng)結構框圖

2 伺服系統(tǒng)的硬件設計

2.1 TMS320F28335的eQEP模塊

TMS320F28335的eQEP模塊為增強型的正交解碼模塊，主要應用于運動控制系統(tǒng)中，它提供了編碼器的直接接口，通過eQEP模塊可以得到電機的位置、方向和速度信息。TMS320F28335中提供4個引腳信號經GPIO復用器進入到eQEP內部的正交解碼模塊，QDU（正交解碼單元）對接收到的編碼器的正交脈沖信號進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和方向信號，送到位置計數器中進行脈沖計數。設置編碼器控制寄存器QDECCTL為正交計數模式，觀察狀態(tài)寄存器QEPSTS中的正交方向標志位來觀察旋轉方向，順時針時進行增計數，逆時針時進行減計數。通過程序讀取該位置計數器QPOSCNT的值就可以得到電機實際位置信息，通過該位置信息就可以與給定位置信息進行閉環(huán)控制。此外，還可以通過QCAP模塊來計算電機的速度信息[3]。正交編碼脈沖、定時器計數脈沖和計數方向時序邏輯如圖2所示。

圖2 正交編碼脈沖、計數脈沖和方向信號

2.2 光電編碼器和TMS320F28335的接口電路

伺服系統(tǒng)的編碼器信號是從伺服驅動器上輸出的差分信號，而DSP需要的是TTL信號，因此在采集前需要對編碼器輸出的信號 OA+、OA-、OB+、OB-、OZ+和OZ-進行轉換，本系統(tǒng)利用AM26LS32芯片進行差分信號的接收[4]，接收后的輸出信號為 A、B和Z 3路信號，其中A、B信號相位差為90°。光電編碼器輸出的信號經過光電隔離、整形之后送到DSP eQEP模塊的相應引腳，其接口電路如圖3所示。其中，6N137是高速光耦芯片，實現數字信號和模擬信號的隔離；74HC14是高速CMOS反相器，實現對輸入脈沖信號的整形。圖3只給出了光電編碼器輸出的OA+、OA-兩路信號的光電隔離和整形，光電隔離和整形后的信號送到TMS320F28335外設引腳的 EQEP1A、EQEP1B和 EQEP1I，進行正交解碼。

圖3 接口電路圖

2.3 伺服電機轉角和轉速的測量

通過設置中斷使能寄存器QEINT、中斷標志寄存器QFLG、中斷清除寄存器QCLR和一些相關初始化程序產生中斷，通過周期寄存器QUPRD設置周期中斷采樣時間為t，位置鎖存器QPOSLAT每隔時間t就鎖存一次位置計數器QPOSCNT的值，位置計數器計數到邊沿時也會發(fā)生翻轉，由于采樣時間內位置計數值遠小于位置計數的周期數，因此最多發(fā)生一次翻轉[5]。本文令2次相鄰中斷的鎖存值為 f（t）和 f（2t），位置計數器為 32 bit寄存器。當位置計數器增計數到FFFFFFFFh時，若計數方向還是增計數，則計數值回到0，繼續(xù)進行增計數；同理，當位置計數器減計數到0時，若計數方向仍為減計數，則計數值回到FFFFFFFFh，繼續(xù)進行減計數。

當狀態(tài)寄存器QEPSTS[QDF]為0時，說明伺服電機進行反轉，即進行減計數；當狀態(tài)寄存器QEPSTS[QDF]為1時，說明伺服電機進行正轉，即進行增計數。以正轉為例，分兩種情況計算電機轉速：當不發(fā)生翻轉時，δ=f（2t）-f（t），t～2t時間內電機轉子旋轉的機械角度為：

其中，P表示每轉的脈沖數，△t=2t-t。

計算伺服電機轉速的方法有很多，常見的就是M法、T法和M/T法。M法測速是根據在一規(guī)定的時間間隔內光電編碼器所產生的脈沖數來確定轉速，它實際上是測定頻率，適用于測量較高的轉速。T法測速是通過測量光電編碼器所產生的相鄰兩個脈沖之間的時間來確定被測轉速，這種方法實際上是測量周期，適用于測量較低的轉速。M/T法是通過測量檢測時間和在該檢測時間內脈沖發(fā)生器發(fā)送的脈沖數來確定被測轉速，這種方法兼顧上述兩種方法的優(yōu)點，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為時鐘脈沖的頻率，P為每轉的脈沖數。

2.4 電平轉換放大電路

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

M1為測速脈沖計數值，M2為高頻時鐘脈沖計數值，T為采樣時間，時鐘脈沖計數 M2有±1的誤差，由于時鐘脈沖頻率遠遠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。轉速習慣上常以每分鐘轉速來表示，計算公式為：

圖5 電壓轉換放大電路

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

3 伺服系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)的軟件調試與開發(fā)均采用針對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中進行，包括項目建立、源程序的編輯、程序的編譯和調試，此外，CCS還提供了實時操作系統(tǒng) DSP／BIOS，極大地方便了調試和開發(fā)。本系統(tǒng)的DSP程序主要分為主程序和中斷服務程序兩個模塊。主程序模塊[10]主要實現各個功能模塊的初始化、內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現相關寄存器的設置、讀取和鎖存eQEP模塊的脈沖計數、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)定平臺伺服系統(tǒng)的設計，利用DSP芯片TMS320F28335的eQEP模塊對光電編碼器的脈沖信號進行解碼和計數，求得伺服電機的角度和速度信息，

圖6 軟件流程圖

從而與上位機給定值進行比較，通過調節(jié)算法使D/A

模塊產生電壓信號對伺服電機進行速度控制。研究表明，該設計具有較高的響應速度、穩(wěn)定精度和較強的抗負載擾動能力，充分實現了穩(wěn)定平臺的高精度控制。同時，該系統(tǒng)具有較強的魯棒性和自適應能力，驗證了該方案的有效性，并為不同控制領域提供了高性能的數字解決方案。

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