基于DSP－TMSF2812矯直機伺服控制器設計

岳 光，黃慶學，張華君，柏 林

(太原科技大學重型機械教育部工程研究中心，山西 太原 030024)

0 前言

隨著控制技術、微電子和計算機技術的迅速發展，DSP技術廣泛應用于各個行業，特別是以DSP為核心的伺服控制器在控制方面日益趨向于數字化、高精度、高性能方向發展。在自動控制多學科視角融合的今天，液壓伺服控制器在電氣和液壓多學科領域應用得越來越廣泛。目前常見MCU極限工作頻率為24 MHz，周期為0.5 μs，在低于4.8 V和高于5.3 V的時候則無法正常工作。通訊速率:125 kB/s，功耗:126 mW。而目前主流DSP主頻150 MHz，精度32bit(時鐘周期6.67 ns)，低功耗 (核心電壓1.8 V，I/O口電壓3.3 V)，高性能的32位中央處理器等16位×16位和32位×32位乘且累加操作等計算速度。CAN總線標準接口:通訊速率:1MB/s。本文針對目前同內傳統矯直機MCU伺服控制器水平不高，精度低且不能應用先進控制算法等缺點，設計出一款新穎嵌入式數字DSP伺服控制器。它采用美國德州儀器專門應用在控制領域C2000系列DSP芯片TMS320F2812作為液壓伺服控制器核心，集數字量輸入/輸出接口、模擬量輸人/輸出接口、LCD液晶及鍵盤于一體，帶有串口用于和上位機通訊，并有DP現場總線接口實現著與PLC融合，并且可運用神經網絡、遺傳等先進智能控制算法，對矯直機進行高精度的AGC位置伺服控制。

1 全液壓矯直機伺服壓下系統概述

矯直機通過液壓AGC壓下系統壓下，實現輥縫的精確定位、動態輥縫調整等。壓下部分由四個AGC液壓缸，四個AGC液壓缸分別裝有四個位移傳感器和壓力傳感器。矯直機通過伺服閥調節液壓缸的流量和壓力來控制液壓缸上、下移動的行程，實現輥縫的動態調整、精確定位和壓力控制。

主壓下系統的AGC位置控制是矯直機其中重要的控制環節［2］，它由 TI公司為核心 TMS 320F2812 DSP伺服控制器通過先進控制算法，進行位移傳感器信號、壓力變送器信號的數字信號采集、計算，得出相應的AGC輸出值，輸出到位置控制回路參與AGC位置控制。伺服位置控制系統框圖如圖1所示。

圖1 伺服位置控制系統框圖Fig.1 Block diagram of servo position control system

2 伺服控制器幾個關鍵硬件結構設計

2.1 總體結構設計

TI公司的TMS320F2812是一款專為控制系統所設計的芯片，片上集成豐富的片內、外設資源。在設計時充分利用主控制芯片32位定點數字信號處理，主頻150 MHz，處理性能高達150MPIS，簡化了外圍電路，降低了系統的功耗。根據設計實際需要各部分所實現的功能，將控制器大體分三個部分:DSP模塊處理器部分、外設通信接口和信號處理部分，控制器的總體硬件結構如圖2所示。

2.2 電源處理部分設計

圖2 DSP伺服控制器基本結構框圖Fig.2 Block diagram for basic structure of DSP servo controller

TMSF320F2812要求內核供電電壓1.8 VDC，外部I/0供電，電壓為3.3 VDC，內部Flash燒寫電壓3.3 V，同時控制器還存在著外圍電路所需的5 V、±15 V等供電電壓，此外伺服控制器還有承擔大量數據運算［4］等等，因此必須有一個良好供電系統來保證系統可靠、穩定。從性能和成本考慮，本設計采用了TI公司雙路低壓差電源穩定器為芯片TPS767D318，它一路可以調理出3.3 V供I/O電源，另一路可調至1.8 V供內核電源。

2.3 移位和壓力信號輸出接口設計

TMS320F2812的A/D單元是一個12位的模/數轉換器 (ADC)，內部的ADC是單極性的，且引腳允許輸入信號電壓的范圍是0～3.6 V，不可以承受5 V的輸入信號電壓，因此，在DSP與外圍器件之間應進行電平轉換。矯直機上傳感器輸出0～10 VDC，通過TI公司低功耗單電源運算放大器 OP 365按比例線性縮小到0～3 VDC，并且DSP系統進行了電壓保護，可以有效防止外界模擬電壓突變損壞DSP系統.對于傳感器輸出4～20 mADC的，采用精密電流/電壓轉換芯片RCV 420來實現4～20 mA至0～10 VDC電流/電壓變換.然后再通過圖3所示的由0～10 V轉0～3 V電壓變換、電路變換后進人F2812的ADC輸入引腳。電平轉換公式如式(1)。

圖3 DSP伺服控制器由0～10 V轉0～3 V電壓變換電路Fig.3 Voltage conversion circuit from 0～10 V to 0～3 V for DSP servo controller

由于矯直機上移位傳感器為MTS-R系列24位SSI信號輸出，采用SSI208P模塊進行轉換，SSI208P模塊的D ［0］～ ［7］和 TMS320F2812的XD［0］～ ［7］引腳相連，CLK+、CLK-(MTS-R的時鐘信號)和DATA+、DATA-(MTSR的數據信號)與SSI208P上的CLK+、CLK-、DATA+、DATA－相接，由于MTS-R輸出SSI為24位，由TMS320F2812的A1、A0控制輸出數據的高低位，0 0表示讀取最低八位、11表示讀取最高八位。讀取3次 (A1、A0分別為0 0、01、10)，需二位地址線區分SSI數據的高八位和低八位，由外部地址片選管腳/XZCS67作為SSI208P的外部片選信號，用GPIOB4控制SSI208P模塊啟動，GPIOB5進行SSI208P模塊轉換結束狀態查詢。在CLKMD0、CLKMD1、GRAY接20K上拉電阻，來實現SSI信號電路的調理。

2.4 伺服控制器輸出電路

伺服閥輸入量為模擬信號，伺服控制器輸出數據是數字量，要控制伺服閥，需要將控制器輸出的數字量轉換為模擬量輸出到伺服閥上。設計考慮到精度［5］，分辨率等，選擇了ADI公司的16位模數轉換芯片DAC7744，它一種低功耗16位并口輸出的模數轉換芯片，支持單極、雙極輸出。由供電電源方式的不同，4通道輸出模擬量電壓通過由參考端參考電壓決定。采用芯片REF01生成參考電壓，DAC774模擬量輸出通道由A0，A1片選信號決定。DSP XR/W腳與讀寫信號RW連接，片選DAC_CS由地址線A16反相后與外部空間選擇信號XZCS2相“或”產生，見圖4硬件電路。

圖4 DSP伺服控制器模擬量輸出硬件電路Fig.4 Hardware circuit for analog output of DSP servo controller

2.5 伺服控制器RS485及DP總線接口

控制器設計了RS485接口、PROFIBUS—DP總線的網絡接口。DP總線在控制伺服閥可以實現在線參數設定、診斷故障、報警和故障在線排除等功能，同時可以連接實現車間級和廠級的網絡實現二級自動化控制。DP總線接口采用了西門子的 DP總線專用集成芯片 SPC3。TMS320F2812的XZCS2端經SN74LVC245接SPC3的XCS端提供片選信號;XINT2端子經SN74LVC245接SPC3的XINT端子，作為外部中斷信號引腳。硬件電路圖如圖5所示。

圖5 DSP伺服控制器DB總線硬件電路Fig.5 DP bus hardware circuit for DSP servo controller

2.6 伺服控制器JTAG接口設計

為了實現在線仿真和程序升級，實現F2812目標系統與仿真器的通信接口。設計選用合眾達公司的USB接口仿真器SEED一XDS510PLUS選擇JTAG方式。設計一個14芯，間距為100 mil雙排插針，它是一個標準的JTAG接口，通過此口可以實現與F2812伺服控制器硬件在線仿真［6］。

2.7 伺服控制器其他外設硬件接口設計

2.7.1 LCD及按鍵硬件接口電路

2.7.2 內存和EEPROM存儲器擴展設計

由于TMS320F2812的片內存儲器只有128K×16位的Flash和18K的SRAM，而伺服控制器在壓下系統中，需要更大的空間來存放控制算法和程序以及其他數據，因此需要擴展。本文通過設計一片高速異步讀寫512K×16位SARM芯片IS6LV25616存儲芯片對程序存儲器和外部數據擴展。采用一片AT25HP512芯片實現外擴512K EEPROM存儲器，此芯片支持DC1.8～5.5V低功耗工作，具有讀寫保護功能，擦出次數達15萬次數據可保存50年之久。該芯片可與F2812的SPI串行外設接口兼容。

3 控制系統設計及主程序流程

控制系統用于伺服的參數控制、狀態顯示、數據報名等，其軟件在整個伺服控制系統中起實時控制、顯示、數據處理等作用。

程序開發設計采用TI開發工具Code Composer Studio＆ampTM(CCSV)，通過伺服控制器上的JTAG對系統進行控制算法編程和MATLAB在線模擬仿真。系統軟件設計功能:控制系統的同步控制和實時顯示;控制模式及算法選擇;系統自檢、一體化標定、控制曲線擬合和在線人工給定以及其它數據處理功能。

系統軟件遵循軟件工程方法，采用模塊化程序設計方法。整個控制功能通過控制計算機和伺服控制器協作完成。

核心算法模塊:主要提供各類控制算法，通過程序改變控制參數達到更精確控制。

輸入輸出模塊:完成伺服控制器采集數目、通道等參數的設置，實現所有輸入信號的采集、數字濾波、工程量化等數據處理;輸出模塊用來完成輸出通道、數模轉換參數的設置，進行控制輸出信號的有效性、上下限幅處理、數模轉換。

界面操作模塊:整個界面采用類似于標準的Windows風格，一個總的窗口作為對所有控制系統進行操作的接口，同時對于每一路控制子系統相應的有一個子窗口來實時顯示控制參數、跟蹤曲線。

軟件的總體功能框圖見圖6，包括初始化、試驗設置、系統設置、數據處理分析等模塊。

圖6 控制軟件總體功能框圖Fig.6 Block diagram for general functions of control software

系統控制功能模塊由單通道控制與多通道控制組成。程序控制流程框圖如圖7所示。分單通道和多通道兩種控制方式。

圖7 程序控制流程框圖Fig.7 Flow chart of program control

在本設計的傳統MCU伺服控制器PID控制和DSP伺服控制器RBF神經網絡整定PID控制，分別應用與全液壓矯直機伺服閥控制，并通過實驗模擬Matlab仿真得到圖8和圖9。由于本設計伺服控制器能夠運用先進智能控制算法，而傳統MCU伺服控制器最優越的也僅僅運用到PID算法，本設計根據全液壓矯直機伺服控制的工業復雜情況下要求高精度、快速度、抗干擾等，設計了RBF神經網絡整定PID控制算法。RBF網絡是一種三層前向網絡，由輸入到輸出的映射是非線性的，因此大大加快了學習速度并避免局部極小問題，能以任意精度逼近任意連續函數。通過圖8和圖9比較可以得出DSP伺服控制器通過RBF神經網絡整定PID控制算法，對壓下系統能在較短時間內對系統穩定控制，突出了其優越。

圖8 PID控制Matlab仿真圖Fig.8 Simulation diagram of PID control Matlab

圖9 RBF神經網絡整定PID控制Matlab仿真圖Fig.9 Simulation diagram of RBF neuro-network PID control Matlab

4 結論

矯直機伺服控制器核心控制就是伺服閥的位置控制。傳統MCU伺服控制器，雖然在工程上應用較多，但可擴展性差、控制精度低、抗干擾能力差等缺點，而在數字控制技術飛速發展的21世紀，選擇數字控制己成一種重要發展方向和探索［7］。在如此背景下，設計了這款以TMS320F2812為核心的伺服控制器，對控制器重要部分進行了電路設計，并通過它可以更精確的采集矯直機壓下系統的位移傳感器和壓力變送器信號，并經過控制器算法運算，輸出控制信號到伺服閥，對壓下系統進行精確控制。

［1］崔甫.矯直原理與矯直機械 ［M］.北京:冶金工業出版社，2002.

［2］王斌.矯直機定位控制系統開發及設計 ［J］.施工技術，2011，10(1):102－104.

［3］王憲，孫開林，楊坤，液壓位置伺服系統同步的控制［J］.計算機系統應用，2011，10(7):57－60.

［4］劉小鳴.DSP控制器原理及應用 ［M］.北京:清華大學出版社，2009:2－10.

［5］KJAER P C，COSSAR C，MILLER T J E.Very high bandwidth digital current controller for high－performance motor drives［J/OL］.［2009－08－28］.http://www.dsp.eccn.com.

［6］P.S.Pa，C.M.Wu.The New Design of Digital Servo Robot Controller.［J］.ICIRA .2008:1108－1154.

［7］周建欽，基于DSP2812的Profibus－DP通信接口設計 ［J］.機電工程技術，2011，40(8):51－52.