基于DSP的穩定平臺伺服系統的設計研究

　　在伺服電機和伺服驅動(dòng)器組成的高性能穩定平臺伺服系統中，需要實(shí)時(shí)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(mǎn)足現在伺服系統高精度、高運算率以及快速實(shí)時(shí)性的要求。在穩定平臺伺服控制系統中，DSP已經(jīng)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(diǎn)型DSP芯片TMS320F28335，其工作時(shí)鐘頻率高達150 MHz，具有強大的運算能力，能夠實(shí)時(shí)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(jiǎn)化了控制電路的硬件設計，提高了系統的可靠性。

　　本研究采用DSP的新型開(kāi)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(shí)利用該開(kāi)發(fā)板上的數模轉換(D/A)模塊，經(jīng)過(guò)電壓轉換放大完成對伺服電機轉速的控制，實(shí)現了對穩定平臺伺服電機控制的閉環(huán)系統。實(shí)踐表明，該系統有功耗低、成本低和結構簡(jiǎn)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(shù)是伺服控制技術(shù)，本系統實(shí)現了對松下伺服MINAS A系列伺服電機進(jìn)行速度控制，其主要由松下伺服MINAS A系列的伺服驅動(dòng)器、伺服電機、相應的光電編碼器、TMS320F28335運動(dòng)控制開(kāi)發(fā)板、相應的ICETEK-5100USB仿真器以及實(shí)現閉環(huán)過(guò)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(shí)現速度閉環(huán)過(guò)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(jīng)過(guò)驅動(dòng)單元的數字濾波器(調節算法)產(chǎn)生電機速度的控制信號，即D/A模塊產(chǎn)生模擬量電壓，經(jīng)過(guò)電平轉換到能夠對伺服電機進(jìn)行控制的電壓范圍，從而實(shí)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(jīng)過(guò)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(shí)現自動(dòng)控制，從而使穩定平臺能夠隔離載體運動(dòng)建立穩定基準面[1]。電源模塊將開(kāi)關(guān)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(dòng)控制系統中，它提供了編碼器的直接接口，通過(guò)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(gè)引腳信號經(jīng)GPIO復用器進(jìn)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(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和方向信號，送到位置計數器中進(jìn)行脈沖計數。設置編碼器控制寄存器QDECCTL為正交計數模式，觀(guān)察狀態(tài)寄存器QEPSTS中的正交方向標志位來(lái)觀(guān)察旋轉方向，順時(shí)針時(shí)進(jìn)行增計數，逆時(shí)針時(shí)進(jìn)行減計數。通過(guò)程序讀取該位置計數器QPOSCNT的值就可以得到電機實(shí)際位置信息，通過(guò)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(guò)QCAP模塊來(lái)計算電機的速度信息[3]。正交編碼脈沖、定時(shí)器計數脈沖和計數方向時(shí)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(dòng)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(jìn)行轉換，本系統利用AM26LS32芯片進(jìn)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(jīng)過(guò)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(shí)現數字信號和模擬信號的隔離;74HC14是高速CMOS反相器，實(shí)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(jìn)行正交解碼。