本文介紹的是以TMS320LF2407A DSP為控制核心的直流有刷力矩電機的伺服控制系統(tǒng)。它具有控制精度高、響應快和對加載系統(tǒng)的多余力的抑制效果比較好的特點。 1 引言 伺服加載系統(tǒng)又名模擬負載器，它屬于伺服控制系統(tǒng)的范疇。伺服加載系統(tǒng)是目前最為常用的一種地面動態(tài)飛行仿真設備，廣泛的應用于航空、航天領域的項目研制中，用于模擬飛行器在飛行過程中作用在承載對象上的氣動載荷。在系統(tǒng)中伺服加載系統(tǒng)的作用主要有：（1）實際考核承載對象在近似實際載荷的作用下的動態(tài)工作情況，驗證其在實際工作中的可行性;（2）加入載荷后將舵機在加載情況下的動態(tài)過程反饋回加載回路，從而在模擬的粒度上進一步細化，提高了系統(tǒng)的仿真結(jié)果的置信度和等級。本文介紹的就是基于DSP的直流有刷力矩電機的伺服加載系統(tǒng)。 2 伺服加載系統(tǒng)的組成 在電機伺服加載系統(tǒng)中，執(zhí)行力矩電機在DSP控制器的控制下對承載對象進行加載。圖1所示為加載系統(tǒng)組成，它由力矩函數(shù)發(fā)生器、DSP控制器、放大器、力矩電機、扭矩傳感器、角位移傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器及與舵機相關的部分組成。其中力矩函數(shù)發(fā)生器根據(jù)實時采到的角位移信號，以載荷譜為依據(jù)，通過查表或計算的方法得到對應于舵機某一固定位置的力矩標準參考輸入，在該系統(tǒng)中這項功能由上位機來實現(xiàn)。由于本系統(tǒng)只要考慮下位機的設計，所以認為下位機的輸入為經(jīng)過力矩函數(shù)發(fā)生器處理過的力矩的標準參考輸入值。 　　 3 系統(tǒng)硬件設計 在系統(tǒng)設計中為了保證設計要求的控制精度，PWM波形輸出采用了數(shù)字PWM發(fā)生電路。為了滿足基頻為l0KHz和脈寬占空比調(diào)節(jié)分辨率為12位的要求，所以需要采用40MHz以上的定時器，即需要使DSP的主頻達到40MHz。而TMS320LF2407A工作頻率最高可達到40MHz，集成有較為強大的PWM發(fā)生電路，同時可以擔負起通訊、處理和監(jiān)控的任務。其電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。 根據(jù)圖2可知，整個電路由以下幾個部分組成：數(shù)字量輸入端口、TMS320LF2407A控制器、AD974采樣電路、放大和執(zhí)行電路以及保護電路等。電路的主要運行流程為：上位機通過DO板鎖存輸出數(shù)字量，同時以中斷方式激勵TMS320LF2407A控制器來讀取該值。TMS320LF2407A讀取新值以后，經(jīng)過一定算法校正后輸出PWM波形。輸出的PWM波經(jīng)后繼的電路（IR2110）放大后驅(qū)動橋式MOSFET管（IRF540N）開關電路，實現(xiàn)力矩電機輸出轉(zhuǎn)矩控制。 3.1 TMS320LF2407A簡介 TMS320系列的DSP的體系結(jié)構(gòu)是專為實時信號處理而設計的，然而該系列DSP控制器將實時處理能力和控制外設的功能集于一身，為控制系統(tǒng)的應用提供了一個理想的解決方案。因為TMS320系列的DSP具有靈活的指令集、內(nèi)部操作的靈活性、高速的運算能力、改進的并行結(jié)構(gòu)和有效的成本等眾多優(yōu)點，所以它已成為很多信號處理及控制系統(tǒng)的理想選擇。 然而在TMS320系列DSP的基礎上，TMS320 LF2407A還有以下一些主要特點： （1）本控制器采用了高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，從而使得芯片供電電壓從一般的SV降為3.3V，減少了控制器的功耗，特別適用于野外作業(yè);40MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到25ns，從而提高了控制系統(tǒng)的實時控制能力。 （2）基于TMS320C2XXDSP的CPU內(nèi)核，保證了TMS320LF2407A系列DSP的代碼和TMS320系列DSP代碼兼容。 （3）兩個事務管理器模塊（EVA和EVB）每個包含：兩個6位的通用定時器; 8個16位的脈寬調(diào)制通道（PWM）。這種特點便于實現(xiàn)各種電機的多種控制，如三相反相器控制；可產(chǎn)生PWM的對稱和非對稱波形；同時出于保護作用的思想，當外部引腳PDPINTx出現(xiàn)低電平時快速關斷PWM輸出通道；可編程的PWM死區(qū)控制以防止外圍PWM輸出部分的上下橋臂的MOSFET管同時輸出觸發(fā)脈沖而燒壞MOSFET管；有3個片內(nèi)捕獲單元；片內(nèi)光電編碼器接口；16通道的10位AID轉(zhuǎn)換器。所以事務管理器特別適用于控制交流感應電機、無刷直流電機、步進電機等。 （4）片內(nèi)具有高達32K字的FLASH程序存儲器，高達1.5K的數(shù)據(jù)/程序RAM, 544字雙口RAM（DARAM）和2K字的單口RAM（SARAM）?？蓴U展的外部存儲器總共192K字空間，其中程序存儲器空間、數(shù)據(jù)存儲器空間和I/O尋址空間各有64K。 （5）系統(tǒng)還有內(nèi)部集成的看門狗定時器模塊（WDT），以防止程序在運行時發(fā)生跑飛等誤操作。 （6）芯片內(nèi)部還集成了10位的AID轉(zhuǎn)換器，它的最小轉(zhuǎn)換時間為500ns。但是在本設計中根據(jù)控制的實時性要求選用了兩個12位分辨率的AID轉(zhuǎn)換器，以改善系統(tǒng)控制的實時性。 （7）另外本芯片還有串行通信接口（SCI）模塊，16位的串行外設（SPI）接口模塊；基于鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器；5個外部中斷源；40個可單獨編程或復用的通用輸入/輸出引腳（GPIO）等模塊。 3.2 數(shù)字量輸入端電路設計 從上位機送來的DSP的標準參考輸入是通過上位機的并行鎖存板送出的TTL電平，由于此型DSP芯片的高電平為3.3V，所以電路中采用了三片具有5V/3.3V電平轉(zhuǎn)換功能的74HC245芯片，它們起著電平轉(zhuǎn)換和總線隔離的作用。其中兩片相并聯(lián)作為16位的數(shù)據(jù)輸入端口；另一片用作控制信號的輸入口，為上位機控制本電路提供方便。 由于TMS320LF2407A DSP具有獨立的程存、數(shù)存和I/O尋址空間，并具有與三個外部尋址空間相對應的外部空間選擇信號PS, DS和IS控制引腳。因為在本電路中只有一個外部I/O端口，即只用了一個外部I/O地址，所以這里僅用IS作為外部I/O空間的選擇信號，即將DSP的IS引腳直接接至兩片用于16位數(shù)據(jù)輸入端口的74HC245的輸出使能端OE上，用于74HC245兩側(cè)的上位機和DSP的數(shù)據(jù)傳輸與隔離，而這兩片74HC245的B端接至TMS320 LF2407A外部數(shù)據(jù)總線DO～D15上，上位機輸送過來的數(shù)據(jù)在且僅在TMS320LF2407A進行外部Il0空間尋址（IS=0）時才出現(xiàn)在D0～D15上，其余時間以高阻方式實現(xiàn)信號隔離。TMS320LF2407A的完整外部I/O空間尋址周期里IS均為低電平，而這里選用的74HC245芯片數(shù)據(jù)傳輸延時不超過7ns，所以TMS320LF2407A通過外部I/O尋址方式完全可以有效的讀取數(shù)據(jù)。 而另外一片74HC245的OE直接接低電平，以保證上位機的控制信號在任何時候都能夠暢通的到達DSP。其中A2（即74HC245的2#）引腳接收上位機發(fā)出的中斷信號，而與之對應的輸出引腳B2接至TMS320LF2407A的外部中斷1上，用于上位機以中斷方式通知TMS320LF2407A來讀取新數(shù)據(jù)。采用中斷傳輸方式時，每次輸出數(shù)據(jù)時上位機先將A2置1，然后寫入D0～D15，之后再將D17置0，如此可向TMS320LF2407A發(fā)出一個中斷。在這個中斷驅(qū)動下可實現(xiàn)非常迅速的數(shù)據(jù)傳輸。由于出于冗余設計考慮將74HC245的A1腳作為“上位機輸出數(shù)據(jù)已穩(wěn)定”的標志信號輸入端，而將與之對應的輸出引腳B1接至TMS320LF2407A的IOPF6引腳上，用于查詢通訊方式下。實際上查詢方式與中斷方式相比有明顯的不足，因為查詢方式的效率明顯低于中斷方式，使得大量的機器周期用于無效的循環(huán)運行中，若查詢的頻率比較低時，上位機的輸出命令不能被有效的跟蹤，而且如果TMS320LF2407A的定時與上位機的定時周期不完全匹配，則上位機命令執(zhí)行的延時時間將是變化的。因此這里首選中斷方式，而查詢方式只是做了相應的硬件連接，以備必要時使用。另外這片74HC245的A3引腳用作上位機對TMS320LF2407A的直接復位信號的輸入端，在線控制TMS 320LF2407A的復位。 3.3 PWM波形放大和驅(qū)動電路設計 由于TMS 320LF2407A所輸出的PWM脈沖信號的高電平為3.3V，所以這兩路輸出的PWM信號必須通過兩片75451芯片將TMS320LF2407A所輸出的3.3V的電平上拉為15V以驅(qū)動兩片IR2110。然后兩片IR2110輸出兩對經(jīng)過波形放大以后的PWM信號控制由四個MOS管組成的橋式開關功率放大電路，實現(xiàn)供電通斷以及供電極性控制。 另外當電機的正反轉(zhuǎn)切換頻率比較高時，由于電機是感性器件，所以存在di/dt的影響使關斷信號出現(xiàn)時要經(jīng)過一定時間的延遲MOS管才能徹底關斷，然而當在正轉(zhuǎn)時所對應的兩個MOS管還沒有徹底關斷，又出現(xiàn)控制反轉(zhuǎn)的兩個MOS導通，這時就出現(xiàn)了上下橋臂的MOS管直通進而燒壞MOS管，所以應該在MOS管上組成放電電路，即在每個MOS管的漏源極之間反接一快速恢復二極管，即所謂的續(xù)流二極管。這里同樣選用IN4148快恢復二極管。 從傳輸時序上考慮，IR2110傳輸延時不大于150ns;75451傳輸延時不大于25ns;GAL16V8傳輸延時不大于1ns;橋式電路中MOS管的開啟和關閉時間均不超過70ns;可以認為中間傳輸環(huán)節(jié)的動作比較快。所以PWM波形傳輸過程中，中間器件引起的波形上升沿和下降沿延時比較穩(wěn)定。因PWM波形用于控制的有效作用變量是基頻與占空比，波形上升沿、下降沿的失真的影響具有互補性，在比較高的精度上可以認為波形經(jīng)過傳輸僅僅是發(fā)生了整體移位，并在這一精度上可認為最終輸出的供電電壓有效占空比與原始PWM波占空比相同。 4 系統(tǒng)軟件設計 在基于TMS320LF2407A的DSP力矩電機加載系統(tǒng)中，其主要功能是較高精度的跟蹤由上位機所給定的標準參考輸入值，盡可能的減少由于承載對象的主動運動所帶來的加載多余力矩。在以上系統(tǒng)硬件的支持下要獲得較好的跟蹤性能和產(chǎn)生較小的多余力矩，就必須有比較完善的控制規(guī)律和對這些控制規(guī)律的較為精確的實現(xiàn)，而此處的軟件設計就是對以上所設計的控制規(guī)律的具體實現(xiàn)。由于TMS320LF2407A有較強的數(shù)據(jù)處理能力，所以對上述的控制器的實現(xiàn)是完全可能的。同時該器件具有精簡指令集和并行處理指令及較高的處理速度，使得系統(tǒng)可以對控制量進行實時跟蹤。 根據(jù)軟件設計思想，具體的設計步驟如下: （1）首先對系統(tǒng)進行初始化設置，這包括對中斷優(yōu)先級設置、總中斷的開啟、符號擴展模式的設置、溢出模式的設置、片內(nèi)DARAM存儲器的配置以及程序中所用到的各個存儲器變量的位置設置等; （2）其次，以中斷方式接收由上位機所輸出的控制量，并將該控制量存入上面所設置的存儲器空間中; （3）以中斷方式接收A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)果值（角位移和輸出力矩），并存入相應的存儲空間; （4）以角位移和輸出力矩為輸入量設計控制器程序; （5）將上一步中所得到的控制量通過運算轉(zhuǎn)換成PWM占空比，輸出并產(chǎn)生調(diào)制后的PWM脈沖波形以控制電機的輸出力矩。系統(tǒng)中斷程序流程圖如圖3所示。 5 結(jié)束語 實踐證明:本系統(tǒng)具有控制精度高、響應快和對加載系統(tǒng)的多余力的抑制效果比較好的特點。因此，本系統(tǒng)具有很強的實用價值。 第二屆伺服與運動控制論壇論文集 第三屆伺服與運動控制論壇論文集