三维运动平台的直流伺服控制系统设计

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随着高性能微处理器的发展，使用数字信号处理器的伺服控制系统越来越普遍，研究高速高精度、高可靠性的嵌入式微处理器的全数字伺服控制系统，已成为当代伺服控制系统发展的趋势H-3]。

TMS320F2812 系列 DSP功耗低、速度快 (150 MHz)、外设资源丰富，是用于伺服控制的高性能、多功能的32位定点芯片.本文以TMS320F2812为核心处理器组建多路直流数字 PID伺服控制系统 ，利用芯片的增强串口拈与上位机实时通讯，接收控制指令与发送相关数据同时进行 ，并利用 CPLD对 DSP进行接口扩展实现多通道信号的采集与输出。

1 直流伺服控制系统的硬件设计直流伺服控制系统使用TMS320F2812芯片作为主控，该芯片是TI公司针对电机控制推出的高性价比处理器，集微控制器与DSP的特点于-身，拥有强大的控制和信号处理能力，主要进行指令目标位置的实时计算、位置伺服PID控制、限位信号等开关量的输入输出、与上位机通讯、程序和数据存储.借助CPLD(EPM1270)进行接口扩展，包括多路正交信号处理，多路 DA输出等 J.但考虑运动平台的过载能力及允许速度极限，决定摒弃DA转换，直接将芯片内部事件管理器EVA的两个比较单元 的信号输出、分路、放大后作为三维运动平台的信号输入.运动平台的控制驱动部件主要包括：1)伺服驱动器 (泰科智能 IDM640-8EIA伺服驱动器)，作为信号放大器件，通过调节 DSP比较单元的相对占空比得到模拟电压差驱动直流伺服电机运转。

2)直流伺服电机 (MAXON353295)，具有高稳定性、大转矩、带宽高等优点.电机末端通过塑胶缓存垫与丝杠相连，将旋转量转换为位置量。

3)增量式编码器 (HEDL-5610B13)，位于伺服电机尾端，用于检测电机转速、方向。

作为伺服控制系统的关键，由增量编码器获得的反馈信号经过与之相匹配的差分信号接收器(AM26LS32AC)得到正交编码脉冲，再经过低通滤波减消信号干扰后由 CPLD进行倍频、鉴相、计数，从而获得电机的位置、速率等信息并通过数据总线传递给 DSP.进而由DSP将这些信息打包并[收稿日期]2012-10-24 [修回日期]2013-03-04[基金项目]厦门市科技计划项目 (3502Z20113038)[作者简介]徐敏 (1963-)，男，教授，研究方向为智能控制.E-mail：xumin###xmut.edu.ca第 1期 徐敏，等：三维运动平台的直流伺服控制系统设计通过带有 16级接收、发送 FIFO的串行通信接口 (sci)发送至上位机。

FIFO是-个缓冲寄存器，发送数据时，可以-次性连续写入多个字节数据 (最多 16个)，DSP会自动将这些数据发送，无需CPU干预；接收数据时，经由设置SCIFFRX寄存器，可以实现接收若干个字节的数据后 (最多16个)触发中断，在中断中处理数据，减少了CPU进人中断的次数，提高了效率.由于限位开关输出电压信号为12 V，远高于DSP的可承受输入电压，采用电阻分压法即可得到稳定的开关量电平信号.直流伺服控制系统硬件结构框图如图 1所示。

控制板 接口板 I. ..上 - PG叽 差 信号 信号 讳 信号 直流 直流伺服 丝杠传 - -接口接口 、，伺服驱动器- 接口 有刷电机动平台皋 --f 1- 1 l f 噌量编码i图 1 直流伺服控制系统硬件结构框图Fig.1 Control system hardware block2 直流伺服控制系统的软件设计为方便用户开发基于 DSP的应用系统，TI公司提供了多种开发工具，选用其中的CCS3.3作为DSP的代码开发调试平台.在 PC机上使用 CCS编辑、编译和链接产生的可执行代码并下载到DSP的实时硬件上运行调试 .设计过程中，定时器 ， ，T4的设定与T1相同，在定时中断中分别修改 12，，I3，T4比较寄存器的值可即时更改 PWM2的占空比从而与 PWM1形成相对电压差，即相当于改变了伺服驱动器模拟量输入端的参考电平，进而驱动电机实现正反向转动。

DSP2812内置-个 l6级深度的发送/接收 FIFO以减少数据收发的延迟以及对 CPU资源的占用，高效地实现串口数据收发.支持 16级FIFO的SCI关键寄存器设置：在-般SCI初始化程序中添加对FIFO功能的使能设置 SciaRegs.SCWFrX.al0xE068，SciaRegs.SCIFFRX.al0x6068，设置接收中断条件(当接收FIFO缓冲寄存器有 8个字节时触发接收中断)并在串口接收中断中添加相应的指令响应程序。

系统上电软硬件初始化配置E、 EVB串口寄存器二二二[二 通用定时器T0。

串口中断设置二二 [二 使能CPU级中断---T-- -] 霸扣弱 -Tl，T2，T3，T4输出PWM信号二二工二二主程序等待并查询限位信号定时器.ID定时中断串口接收中断图2 基于增强串口的伺服控制流程图Fig.2 Enhanced serial servo control flowcha定 时器T0 、 1ms定时中断 /. .. .. .. .. .. .. ... .!I!. .....- 读取cPLD中各编码器的计数值，计算编码器速度、方向、位置更新PD参数并根据设定位置目标更改T2CMP，T3CMP，T4CMP的值。 。。 。。。 。。 。。 。 。。 。。 。 。。 - 。。 。。 。。。 。- - - - - - jr--- 串口发送编码器位置、速度、转向及限位开关状态信息厦门理工学院学报 2013钲系统上电后进行软硬件初始化，主程序用来计算编码器实时位置、方向并查询运动平台的限位信号.串口中断用于接收解码上位机发送的控制指令，更新相关参数，启动定时器 rID.在 ，ID定时器的1 ms中断里主要更新上位机发送 的 PID参数和 目标位置信息并转算成对应的值赋给 T2CMPR、T3CMPR、T4CMPR，通过各比较寄存器输出的PWM脉冲驱动伺服电机进行转动，同时计算电机的转速并将编码器位置、速度、转动方向、限位开关状态等通过 SCI发送到上位机。

上位机控制界面使用VS2010版MFC编写，通过在新建的对话框程序中添加mscomm串口通讯控件以实现与 DSP的实时通信；添加 TeeChart图表制作控件以实现上位机对接收数据的实时曲线显示；添加文本输入框、按钮等实现对程序运行的基簇制.在按钮控件中对控制指令进行封包并借助串口控件发送至下位机.同时在串口接收中断OnCommMscomml(指定接收11个字节后触发)里分离出编码器位置、速度数据并传与TeeChart控件作实时曲线.通过观察实时反馈曲线判断后续系统调试时的PID参数整定效果。

3 直流伺服控制系统的组合调试使用数字PID算法 检验控制系统的整体性能.在数字计算机中，PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法.当采样周期相当短时，用求和代替积分，用差商代替微商，将PID算法离散化，使描述连续-时间PID算法的微分方程变为描述离散-时间PID算法的差分方程 。

( )Ke(k) 。∑e( )K [e( )-e(k-1)]. (1)式 (1)中： (k)为计算机输出的控制指令，本系统中输出为 10 kHz的可调 PWM脉宽；e(后)为当前单轴位置脉冲数；e(k-1)为上次单轴位置脉冲数；K 为比例放大系数；KI为积分放大系数；K。为微分放大系数。

由式 (1)可以得到计算机 (k-1)次控制量的 PID输出表达式：k-1u(k-1)K e(k-1)墨∑e( )K。[e(j-1)-e(k-2)]. (2)由式 (1)与式 (2)可得控制量的输出增量：au(k)(k)- (k-1)：Kp[e(k)-e(k-1)]KIe(k) D[e(k)-2e(k-1)e(k-2)] (1 71D/T)e - (12G/T)e Toe /T 。

其中控制量的整定系数分别为：AKP(1 7D/T)；BKP(12TD/T)；CKP7'D/由式 (3)可以看出，在控制系统采用恒定采样周期下，只需确定PID整定系数A、日、c以及前后3次位置误差值即可确定系统输出.在上位机输入PID参数，通过串口发送至DSP并启动控制系统.其中 DSP的误差采样周期为 1 ms，串口发送周期为 10 ms，波特率为 115 200 bps。

实验过程中伺服系统的控制界面在不同PID参数时的响应曲线如图3～4所示。

图3为PID参数为 (3，0，0)且目标位置设定为3 000脉冲时的实时整定结果，其中上方曲线为编码器时间 -位置脉冲响应曲线，下方曲线为时间 -速度脉冲响应曲线，从曲线可观察编码器的实时位置及速度信息。

由图3中可见，随着时间的推移，曲线的上升过程较为平滑，稳定性较好，但刚性不足，可进-步对 PID参数进行更改。

· 54· 厦门理工学院学报 2013矩4 结语以常用的DSP2812芯片设计伺服控制器，充分发挥其硬件优势以及前后台程序管理实时多任务资源分配和高效SCI通讯的特点，搭建直流伺服系统，并根据实际情况剔除 DA转换过程，用可变PWM脉冲直接驱动伺服放大器，增强了系统的抗干扰能力.通过其增强串口实现与上位机的稳定快速通讯 ，实时监测系统运行状态，配合代码保密性较高的 CPLD进行接口扩展，为进-步应用提供冗余.实验过程中利用数字PID算法进行测试，通过不同的PID参数观察时间-位置、时间-速度响应曲线，直观地表现单路伺服系统的控制性能.最后，组建了3通道的输入输出系统，实现了空间圆弧插补.实验结果表明，系统满足实时伺服控制的要求，取得了较好的实验效果，整个系统结构简单并预留扩展接口，满足-定诚的控制要求，具有较好的经济实用性。