本文介紹的是以TMS320LF2407A DSP為控制核心的直流有刷力矩電機(jī)的伺服控制系統(tǒng)。它具有控制精度高、響應(yīng)快和對加載系統(tǒng)的多余力的抑制效果比較好的特點(diǎn)。 1 引言 伺服加載系統(tǒng)又名模擬負(fù)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(shè)備，廣泛的應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域的項(xiàng)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(shí)際考核承載對象在近似實(shí)際載荷的作用下的動態(tài)工作情況，驗(yàn)證其在實(shí)際工作中的可行性;（2）加入載荷后將舵機(jī)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(jìn)一步細(xì)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(jī)的伺服加載系統(tǒng)。 2 伺服加載系統(tǒng)的組成 在電機(jī)伺服加載系統(tǒng)中，執(zhí)行力矩電機(jī)在DSP控制器的控制下對承載對象進(jìn)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(jī)、扭矩傳感器、角位移傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器及與舵機(jī)相關(guān)的部分組成。其中力矩函數(shù)發(fā)生器根據(jù)實(shí)時采到的角位移信號，以載荷譜為依據(jù)，通過查表或計(jì)算的方法得到對應(yīng)于舵機(jī)某一固定位置的力矩標(biāo)準(zhǔn)參考輸入，在該系統(tǒng)中這項(xiàng)功能由上位機(jī)來實(shí)現(xiàn)。由于本系統(tǒng)只要考慮下位機(jī)的設(shè)計(jì)，所以認(rèn)為下位機(jī)的輸入為經(jīng)過力矩函數(shù)發(fā)生器處理過的力矩的標(biāo)準(zhǔn)參考輸入值。 　　 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中為了保證設(shè)計(jì)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(dá)到40MHz。而TMS320LF2407A工作頻率最高可達(dá)到40MHz，集成有較為強(qiáng)大的PWM發(fā)生電路，同時可以擔(dān)負(fù)起通訊、處理和監(jiān)控的任務(wù)。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(hù)電路等。電路的主要運(yùn)行流程為：上位機(jī)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(guān)電路，實(shí)現(xiàn)力矩電機(jī)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(shí)時信號處理而設(shè)計(jì)的，然而該系列DSP控制器將實(shí)時處理能力和控制外設(shè)的功能集于一身，為控制系統(tǒng)的應(yīng)用提供了一個理想的解決方案。因?yàn)門MS320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(yùn)算能力、改進(jìn)的并行結(jié)構(gòu)和有效的成本等眾多優(yōu)點(diǎn)，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(chǔ)上，TMS320 LF2407A還有以下一些主要特點(diǎn)： （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(shí)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(wù)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(diǎn)便于實(shí)現(xiàn)各種電機(jī)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(hù)作用的思想，當(dāng)外部引腳PDPINTx出現(xiàn)低電平時快速關(guān)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(wù)管理器特別適用于控制交流感應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。 （4）片內(nèi)具有高達(dá)32K字的FLASH程序存儲器，高達(dá)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(kuò)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(yùn)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(shè)計(jì)中根據(jù)控制的實(shí)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(shí)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(shè)（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(dú)編程或復(fù)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(shè)計(jì) 從上位機(jī)送來的DSP的標(biāo)準(zhǔn)參考輸入是通過上位機(jī)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(jī)控制本電路提供方便。 由于TMS320LF2407A DSP具有獨(dú)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(yīng)的外部空間選擇信號PS, DS和IS控制引腳。因?yàn)樵诒倦娐分兄挥幸粋€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(jī)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(jī)輸送過來的數(shù)據(jù)在且僅在TMS320LF2407A進(jìn)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(shí)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(jī)的控制信號在任何時候都能夠暢通的到達(dá)DSP。其中A2（即74HC245的2#）引腳接收上位機(jī)發(fā)出的中斷信號，而與之對應(yīng)的輸出引腳B2接至TMS320LF2407A的外部中斷1上，用于上位機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)非常迅速的數(shù)據(jù)傳輸。由于出于冗余設(shè)計(jì)考慮將74HC245的A1腳作為“上位機(jī)輸出數(shù)據(jù)已穩(wěn)定”的標(biāo)志信號輸入端，而將與之對應(yīng)的輸出引腳B1接至TMS320LF2407A的IOPF6引腳上，用于查詢通訊方式下。實(shí)際上查詢方式與中斷方式相比有明顯的不足，因?yàn)椴樵兎绞降男拭黠@低于中斷方式，使得大量的機(jī)器周期用于無效的循環(huán)運(yùn)行中，若查詢的頻率比較低時，上位機(jī)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(jī)的定時周期不完全匹配，則上位機(jī)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(yīng)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(jī)對TMS320LF2407A的直接復(fù)位信號的輸入端，在線控制TMS 320LF2407A的復(fù)位。 3.3 PWM波形放大和驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 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(guān)功率放大電路，實(shí)現(xiàn)供電通斷以及供電極性控制。 另外當(dāng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換頻率比較高時，由于電機(jī)是感性器件，所以存在di/dt的影響使關(guān)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(guān)斷，然而當(dāng)在正轉(zhuǎn)時所對應(yīng)的兩個MOS管還沒有徹底關(guān)斷，又出現(xiàn)控制反轉(zhuǎn)的兩個MOS導(dǎo)通，這時就出現(xiàn)了上下橋臂的MOS管直通進(jìn)而燒壞MOS管，所以應(yīng)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(fù)二極管，即所謂的續(xù)流二極管。這里同樣選用IN4148快恢復(fù)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(guān)閉時間均不超過70ns;可以認(rèn)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(bǔ)性，在比較高的精度上可以認(rèn)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(rèn)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(shè)計(jì) 在基于TMS320LF2407A的DSP力矩電機(jī)加載系統(tǒng)中，其主要功能是較高精度的跟蹤由上位機(jī)所給定的標(biāo)準(zhǔn)參考輸入值，盡可能的減少由于承載對象的主動運(yùn)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(shí)現(xiàn)，而此處的軟件設(shè)計(jì)就是對以上所設(shè)計(jì)的控制規(guī)律的具體實(shí)現(xiàn)。由于TMS320LF2407A有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，所以對上述的控制器的實(shí)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(jìn)行實(shí)時跟蹤。 根據(jù)軟件設(shè)計(jì)思想，具體的設(shè)計(jì)步驟如下: （1）首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，這包括對中斷優(yōu)先級設(shè)置、總中斷的開啟、符號擴(kuò)展模式的設(shè)置、溢出模式的設(shè)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(shè)置等; （2）其次，以中斷方式接收由上位機(jī)所輸出的控制量，并將該控制量存入上面所設(shè)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(yīng)的存儲空間; （4）以角位移和輸出力矩為輸入量設(shè)計(jì)控制器程序; （5）將上一步中所得到的控制量通過運(yùn)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(jī)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(shí)踐證明:本系統(tǒng)具有控制精度高、響應(yīng)快和對加載系統(tǒng)的多余力的抑制效果比較好的特點(diǎn)。因此，本系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用價值。 第二屆伺服與運(yùn)動控制論壇論文集 第三屆伺服與運(yùn)動控制論壇論文集