基於DSP的穩定平臺伺服系統的設計研究

2020-11-21 電子產品世界

　　在伺服電機和伺服驅動器組成的高性能穩定平臺伺服系統中，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。由於單片機自身資源的局限性，難以滿足現在伺服系統高精度、高運算率以及快速實時性的要求。在穩定平臺伺服控制系統中，DSP已經逐漸取代單片機，成為主流晶片。本設計採用TI公司的32 bit浮點型DSP晶片TMS320F28335，其工作時鐘頻率高達150 MHz，具有強大的運算能力，能夠實時地完成複雜的控制算法。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體設計，提高了系統的可靠性。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/273863.htm

　　本研究採用DSP的新型開發板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，實現了對穩定平臺伺服電機控制的閉環系統。實踐表明，該系統有功耗低、成本低和結構簡單的優點，同時具有高精度、高解析度以及快速實時性的特點，使穩定平臺伺服系統達到了較好的控制效果。

　　1 穩定平臺的伺服系統結構

　　穩定平臺應用的主要技術是伺服控制技術，本系統實現了對松下伺服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運動控制開發板、相應的ICETEK-5100USB仿真器以及實現閉環過程必需的外圍電路組成。伺服系統的結構如圖1所示。

　　

 

　　穩定平臺的伺服系統實現速度閉環過程為：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範圍，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衝信號，經過光耦隔離、整形，將反饋信號提供給TMS320F28335的eQEP模塊。採集脈衝信號根據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，從而使穩定平臺能夠隔離載體運動建立穩定基準面[1]。電源模塊將開關電源提供的+5 V電壓變換為+3.3 V為系統供電[2]。

　　2 伺服系統的硬體設計

　　2.1 TMS320F28335的eQEP模塊

　　TMS320F28335的eQEP模塊為增強型的正交解碼模塊，主要應用於運動控制系統中，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衝信號進行方向和脈衝的解碼，解碼之後得到4倍頻的位置脈衝信號和方向信號，送到位置計數器中進行脈衝計數。設置編碼器控制寄存器QDECCTL為正交計數模式，觀察狀態寄存器QEPSTS中的正交方向標誌位來觀察旋轉方向，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]。正交編碼脈衝、定時器計數脈衝和計數方向時序邏輯如圖2所示。

　　

 

　　2.2 光電編碼器和TMS320F28335的接口電路

　　伺服系統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，因此在採集前需要對編碼器輸出的信號OA+、OA-、OB+、OB-、OZ+和OZ-進行轉換，本系統利用AM26LS32晶片進行差分信號的接收[4]，接收後的輸出信號為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、整形之後送到DSP eQEP模塊的相應引腳，其接口電路如圖3所示。其中，6N137是高速光耦晶片，實現數位訊號和模擬信號的隔離;74HC14是高速CMOS反相器，實現對輸入脈衝信號的整形。圖3隻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，光電隔離和整形後的信號送到TMS320F28335外設引腳的EQEP1A、EQEP1B和EQEP1I，進行正交解碼。

　　

 

　　

 

　　由於DSP開發板輸出阻抗較大，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，從而使後級放大電路能夠更好地工作。

　　3 伺服系統的軟體設計

　　系統的軟體調試與開發均採用針對TMS320F28335的CCSV3.3版本。TI公司為用戶提供的軟體開發工具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還提供了實時作業系統DSP/BIOS，極大地方便了調試和開發。本系統的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模塊的脈衝計數、檢測電路的反饋以及控制算法的程序等工作，其軟體流程如圖6所示。

　　

 

　　本文提出了穩定平臺伺服系統的設計，利用DSP晶片TMS320F28335的eQEP模塊對光電編碼器的脈衝信號進行解碼和計數，求得伺服電機的角度和速度信息，從而與上位機給定值進行比較，通過調節算法使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、穩定精度和較強的抗負載擾動能力，充分實現了穩定平臺的高精度控制。同時，該系統具有較強的魯棒性和自適應能力，驗證了該方案的有效性，並為不同控制領域提供了高性能的數字解決方案。

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