vlsi（very large scale integration）數(shù)字電路技術(shù)的迅速發(fā)展使得dsp發(fā)展迅速，經(jīng)歷了16位定點dsp、32位浮點dsp和并行dsp的發(fā)展階段，性能大大提高且成本大幅度下降。以往傳統(tǒng)的電機控制一般采用模擬電路實現(xiàn)。如今，具有競爭力的市場需求在更低的成本下追求更高性能、更大效率。因此，設(shè)計者就走向數(shù)字化伺服控制，自動控制理論和計算機技術(shù)是數(shù)字伺服系統(tǒng)技術(shù)的兩個主要依托；自動控制理論的高速發(fā)展為數(shù)字伺服系統(tǒng)提供了不少新的先進(jìn)控制規(guī)律以及相應(yīng)的分析和綜合方法，計算機技術(shù)的飛速發(fā)展為數(shù)字伺服系統(tǒng)提供了實現(xiàn)這些控制規(guī)律的可能性，大大提高了伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)品質(zhì)指標(biāo)。 數(shù)字化控制的發(fā)展歷程 數(shù)字化控制也經(jīng)歷了單片機的發(fā)展歷程，z80、8031、8052、8096、80196等各種單片機，都可以完成電機的控制任務(wù)，主要區(qū)別是它們的位數(shù)和工作頻率不一樣，發(fā)展的趨勢是越來越高頻化、低功耗、低成本。電機系統(tǒng)本身是一個比較復(fù)雜的系統(tǒng)，就需要一個更強有力的中央處理器，更短的執(zhí)行周期，近年來發(fā)展起來的dsp就完全能勝任提升整個系統(tǒng)性能和降低成本的作用，具有片上can、adc、pwm、qep以及spi等外圍接口，dsp是非常理想的數(shù)字伺服控制芯片。 數(shù)字信號處理器（dsp）的出現(xiàn)將逐漸取代單片機的地位，占據(jù)控制領(lǐng)域的數(shù)字控制的主導(dǎo)地位。而且，專門有針對電動機控制的dsp芯片，如ti公司的2000系列dsp，使得設(shè)計越來越方便。dsp的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為哈佛結(jié)構(gòu)，三級流水線作業(yè)。ti新推出的tms320f2812是應(yīng)用于控制領(lǐng)域的最新dsp，具有更高的運算能力和面向電動機的高效控制能力集于一體，輕松將復(fù)雜的控制策略實現(xiàn)。采用高性能的靜態(tài)cmos技術(shù)，工作頻率達(dá)到150mhz，低功耗設(shè)計，３２位cpu，片上128k程序存儲器和128k數(shù)據(jù)存儲器，三個32位計數(shù)器，兩個事件管理器可以用來輸出pwm波控制電機，pwm輸出通道達(dá)12個，sci串行通訊接口，can總線接口，mcbsp接口，具有采樣速率12.5msps的12位16通道的a/d轉(zhuǎn)換器，有正交編碼脈沖接口，可以使用語言進(jìn)行編程控制，移植性強，非常適合電機的pwm控制。在電機控制系統(tǒng)，如許多先進(jìn)方法:無傳感器的場控或電流形狀控制的開關(guān)磁阻電機控制很容易在dsp上實現(xiàn)，對于減少成本，降低損耗，減少emi，提高系統(tǒng)效率和可靠性，都大有好處。 基于dsp的電機位置控制系統(tǒng) 基于dsp的電機位置控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖，見圖1。圖1中m為電機，pe為功率電子驅(qū)動單元，dcs為數(shù)字控制系統(tǒng)。輸入到數(shù)字控制器的信號為參考輸入和過程變量，過程變量為傳感器輸出經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換后的值，包括電壓、電流、速度和位置信號。dcs通過輸出接口（oi）控制電機驅(qū)動，如果pe需要一個模擬量輸入時，oi接口還包括d/a轉(zhuǎn)換；當(dāng)驅(qū)動大功率的電機時，采用的大功率igbt、bjt等，還需要一些隔離接口模塊。 [align=center] 圖1　基于dsp的電機位置控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖[/align] 電機位置控制系統(tǒng)的總體要求不外乎穩(wěn)態(tài)精度、動態(tài)響應(yīng)，對外部干擾的敏感程度、測量噪聲和參數(shù)變化的適應(yīng)能力也是必須考慮的，特別是可靠性和成本。越來越多的參數(shù)或變量需要控制，如位置或速度、加速度、力矩以及電流等，所有這些變量變化非常迅速，故要求采樣時間足夠?。ǖ湫椭翟?.1-1ms之間），“香農(nóng)定理”對采樣時間的大小有詳細(xì)的論述。在這些參數(shù)中，有些參數(shù)可以直接量測，另外一些參數(shù)可以通過估計的辦法得到。而且，系統(tǒng)中有許多模擬輸入變量，對于較復(fù)雜系統(tǒng)，輸入模擬變量的數(shù)量一般為5～8路，微處理器在相應(yīng)的時刻從相應(yīng)的傳感器讀取數(shù)據(jù)，精度主要由傳感器和轉(zhuǎn)換器的精度確定。對于一些特定的要求，dsp就得在每次采樣間隔時間內(nèi)完成一些復(fù)雜的控制算法，位置控制系統(tǒng)是一個比較典型的復(fù)雜系統(tǒng)，即使采用常規(guī)的pid算法。對于感應(yīng)電機控制，見圖2，從圖2中可以看出，需要采集的模擬信號是比較多的，需要的數(shù)學(xué)計算是比較復(fù)雜的。同時dsp還得和外部系統(tǒng)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，即具備通信功能。正因為dsp的高執(zhí)行效率和豐富的外圍接口，在許多領(lǐng)域（通信、圖像、語音識別、機器人控制等）得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在伺服控制領(lǐng)域中，采用dsp技術(shù)設(shè)計的伺服系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1,2,3,7,8]?？梢姡琩sp已經(jīng)成為業(yè)界公認(rèn)的、將按指數(shù)增長的技術(shù)焦點。 [align=center] 圖2　感應(yīng)電機的控制方框圖[/align] 系統(tǒng)設(shè)計 本文針對tms320f2812的具體特點，充分發(fā)揮其功能，設(shè)計了用于電機的多軸伺服控制板，具有多達(dá)16路的ad采樣（12位），而且可以滿足多個量程輸入范圍，8路da輸出（14位），以及can、spi、sci和rs422通信接口，以及正交編碼的隔離輸入通道，同時還設(shè)計了24路數(shù)字輸入和24路數(shù)字輸出接口。在設(shè)計過程中，采用大規(guī)模可編程器件cpld，用于地址譯碼和外圍通道選址，簡化電路設(shè)計，減少元器件數(shù)量，增加控制的靈活性。從而獲得把通用dsp處理器的所有優(yōu)點與cpld的先進(jìn)性能綜合在一起的新型硬件。充分利用該dsp的快速性，還可實現(xiàn)一些先進(jìn)控制算法的使用，如pid+ff控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。由于dsp具有可編程特點，任務(wù)可分時復(fù)用，降低系統(tǒng)硬件規(guī)模，提高系統(tǒng)設(shè)計的靈活性和可靠性，同時，系統(tǒng)具有開放性和向上兼容性，對新技術(shù)和算法可隨時采納和吸收。利用通訊口還可方便實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制，實現(xiàn)一些大系統(tǒng)的控制，如經(jīng)緯儀的伺服控制，可接收主控計算機、編碼器、雷達(dá)引導(dǎo)儀或gps的指令等。 電源管理 tms320f2812是采用雙電源，外圍接口用電源為3.3v，核心芯片電壓為1.8v，而一般情況下較多提供5v電源，故需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，采用tps767d318pwp電源轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)5v到3.3v和1.8v的轉(zhuǎn)變，每路輸出電流最大為1a。見圖3。 [align=center] 圖3 電源電路原理圖[/align] 接口電路 對于通訊電路，為了增加可靠性，增強對外界的抗干擾能力，設(shè)計了隔離的接口電路，通信的原理圖見圖4。 [align=center] 圖4 sci接口原理圖[/align] 隔離電路采用6n137作為隔離的光耦，速度可達(dá)10 mbps，滿足不同傳輸速率的要求。對于can總線接口也采取光耦隔離設(shè)計。作為和編碼器的接口，dsp需要接收編碼器的脈沖信號，作為位置和速度的反饋信號，這一部分設(shè)計的光耦隔離電路，也采用光耦6n137。在需要和外界強信號或主電路的高電壓大電流的場合進(jìn)行信號交換，考慮隔離，有助于減少外界干擾，增加可靠性，同時，各輸入輸出口電路在考慮各種干擾性質(zhì)上適當(dāng)設(shè)計容錯設(shè)計，抗esd設(shè)計，短路保護(hù)等。 ad轉(zhuǎn)換單元 tms320f2812具有采樣速率12.5msps的12位16通道的a/d轉(zhuǎn)換器，被分為兩組，ad0～ad7為一組，ad8～ad15為一組。每組都有一個專門的輸入端。事件管理器可將adc配置為兩個獨立的8通道模塊，也可串接成為一個16通道的模塊。adcin0為模擬輸入，adcina0為輸入到dsp的模擬輸入口的信號，為滿足多量程的模擬電壓輸入要求，圖5所示的設(shè)計電路中j5、r66、r67、r74和r76用與選擇輸入量程，滿足r66=r74=4r67，r76=2r67，j5的三個位置用來設(shè)置不同的輸入量程，當(dāng)連接1和2時，表示±5v輸入范圍，連接5和6時，表示±10v輸入范圍。 da轉(zhuǎn)換單元 dsp本身具有12路pwm輸出，在要求pwm信號驅(qū)動的伺服電機單元時，可以字節(jié)利用這些輸出口進(jìn)行控制。在一些需要模擬量輸出時，本板還包括8路da轉(zhuǎn)換，采用一片封裝里含8路14位的dac芯片ad7841，輸出電壓建立時間為31μs，當(dāng)參考基準(zhǔn)為±5v時，具有±10v的滿量程輸出，可以直接和一些伺服驅(qū)動單元相連。 [align=center] 圖5 模擬輸入通道之一接口電路原理圖[/align] pcb電磁兼容設(shè)計 由于接口眾多，網(wǎng)絡(luò)線交錯，在設(shè)計pcb之前，重點設(shè)計布局，功能單元區(qū)分，值得注意的是，需要考慮dsp和cpld之間的走線，cpld和輸入輸出接口之間的走線，可以重新調(diào)整網(wǎng)絡(luò)，以利于pcb走線，否則走線交錯，難于布線，增加過孔。布線時，先對所有信號線進(jìn)行分類，對控制線、數(shù)據(jù)、地址等總線進(jìn)行區(qū)分，對i/o接口線進(jìn)行分類。先布時鐘、敏感信號線，再布高速信號線，最后布一般信號線。由于dsp工作頻率很高，內(nèi)部工作頻率達(dá)到150mhz，因此，設(shè)計pcb中充分考慮反射、高頻串?dāng)_、電磁干擾、熱分布，采取必要措施保證信號質(zhì)量。 設(shè)計pcb板時，在電路、芯片附近和電源電路上加一些電容來滿足數(shù)字電路工作時要求的電源低噪聲和低紋波的要求，在合適的位置加上去耦電容、旁路電容和儲能電容，提高信號的質(zhì)量。接地的處理上也是比較考究的，本設(shè)計為4層板（分布為信號、地、電源、信號），設(shè)計是遵循3w和20h原則（３ｗ原則：走線間距離間隔必須是單一走線寬度的三倍；20h原則：印制板的物理尺寸都應(yīng)該比最靠近的接地地板的物理尺寸小20h，其中h是兩層印制板的間距。），盡可能減少電流回路的面積，而且系統(tǒng)采用僅一個參考面。在模擬信號和數(shù)字信號地采用橋接的辦法處理地[9]。 在設(shè)計pcb過程中充分考慮信號完整性問題，并采取有效的措施進(jìn)行控制，處理好信號的延遲、反射、串?dāng)_、地彈（當(dāng)pcb板上的眾多數(shù)字信號同步進(jìn)行切換時（如cpu的數(shù)據(jù)總線、地址總線等），由于電源線和地線上存在阻抗，會產(chǎn)生同步切換噪聲，在地線上還會出現(xiàn)地平面反彈噪聲，簡稱地彈）等電磁兼容性問題。 靜電問題也是需要注重的問題，靜電放電能量能導(dǎo)致電路損壞、數(shù)據(jù)紊亂，從而造成系統(tǒng)復(fù)位、死機、程序跑飛等，靜電對整個系統(tǒng)的影響是嚴(yán)重的，是必須認(rèn)真考慮的。器件的選擇上，盡可能選用靜電不敏感器件，輸入輸出電路的隔離或使用tvs管保護(hù)，正確接地處理，大面積的pcb銅箔，設(shè)置空間最小距離，對大規(guī)模集成電路設(shè)置多個去耦電容等，對預(yù)防靜電干擾都能起到一定作用。設(shè)計的pcb板見圖6。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 整個dsp控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。12路pwm輸出可直接用于多達(dá)3個直流電機（直流有刷電機，每個電機需要4路pwm信號），如配置的電機驅(qū)動器需要更少的路數(shù)pwm信號，則可控制更多的電機。16路a/d輸入，通過配置適當(dāng)?shù)奶€，可接收不同量程的輸入范圍。對電機電壓、電流以及別的模擬信號均可經(jīng)過調(diào)理電路后進(jìn)入dsp的采樣電路，進(jìn)行ad采樣。8路d/a輸出均有輸出運算放大器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換和保護(hù)電路，可用于控制模擬量輸入設(shè)備的控制變量。6路正交編碼器信號輸入，經(jīng)過隔離電路電平轉(zhuǎn)換后進(jìn)入dsp，dsp通過程序控制正交脈沖的計數(shù)，得到位置和速度信號。設(shè)計了8路rs422通訊能力，采用兩片16c554來完成，并通過接口芯片sp489和sp487進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換。sci、can通訊都設(shè)計了光耦隔離電路，esd保護(hù)電路。i/o輸入輸出口的電平電壓都經(jīng)過了電平轉(zhuǎn)換，高電平為5v，輸入16路未隔離，8路隔離輸入；輸出24路為隔離，對所有的i/o口都進(jìn)行l(wèi)ed指示，易于故障判斷。為簡化電路設(shè)計，采用大規(guī)模集成芯片cpld，并可通過jtag口進(jìn)行在線編程。 [align=center] 圖7 dsp的控制系統(tǒng)原理方框圖[/align] 實驗 設(shè)計的pcb板需要保證工作正常，各個芯片的時鐘信號或晶振輸出信號必須正常，不能受到干擾或去干擾別的器件，因此設(shè)計pcb走線時，芯片時鐘需要仔細(xì)布置。實際證明，此板的時鐘信號滿足設(shè)計要求，波形質(zhì)量好，無毛刺。見圖8和圖9。 下一步工作，是利用設(shè)計的控制板進(jìn)行伺服控制算法的實現(xiàn)，完成對大型經(jīng)緯儀的高低和方位電機控制，和各分系統(tǒng)的通訊，實現(xiàn)對目標(biāo)的高精度跟蹤。 [align=center] 圖8 xclkout輸出波形和dsp的晶振輸出信號[/align] 結(jié)語 整個控制系統(tǒng)具有豐富的接口和通訊功能，可組成多軸伺服控制系統(tǒng)，如在經(jīng)緯儀的伺服系統(tǒng)中，可完成和編碼器、調(diào)光調(diào)焦系統(tǒng)、主控計算機、捕獲電視、測量電視、紅外系統(tǒng)以及數(shù)字通信系統(tǒng)等的通信功能，并且實時控制方位電機和俯仰電機的位置和速度環(huán)路，完成對目標(biāo)的跟蹤任務(wù)，實時返回相關(guān)信息，配合主控計算機得到目標(biāo)的方位、高低信息、運動姿態(tài)等。另外，此多軸伺服控制系統(tǒng)還可用在機器人控制、數(shù)控等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。