基于DSP－TMSF2812矯直機(jī)伺服控制器設(shè)計(jì)

岳 光，黃慶學(xué)，張華君，柏 林

(太原科技大學(xué)重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西 太原 030024)

0 前言

隨著控制技術(shù)、微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，DSP技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，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(shù)字化、高精度、高性能方向發(fā)展。在自動(dòng)控制多學(xué)科視角融合的今天，液壓伺服控制器在電氣和液壓多學(xué)科領(lǐng)域應(yīng)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(shí)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(shí)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(jì)算速度。CAN總線標(biāo)準(zhǔn)接口:通訊速率:1MB/s。本文針對目前同內(nèi)傳統(tǒng)矯直機(jī)MCU伺服控制器水平不高，精度低且不能應(yīng)用先進(jìn)控制算法等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一款新穎嵌入式數(shù)字DSP伺服控制器。它采用美國德州儀器專門應(yīng)用在控制領(lǐng)域C2000系列DSP芯片TMS320F2812作為液壓伺服控制器核心，集數(shù)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(jī)通訊，并有DP現(xiàn)場總線接口實(shí)現(xiàn)著與PLC融合，并且可運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳等先進(jìn)智能控制算法，對矯直機(jī)進(jìn)行高精度的AGC位置伺服控制。

1 全液壓矯直機(jī)伺服壓下系統(tǒng)概述

矯直機(jī)通過液壓AGC壓下系統(tǒng)壓下，實(shí)現(xiàn)輥縫的精確定位、動(dòng)態(tài)輥縫調(diào)整等。壓下部分由四個(gè)AGC液壓缸，四個(gè)AGC液壓缸分別裝有四個(gè)位移傳感器和壓力傳感器。矯直機(jī)通過伺服閥調(diào)節(jié)液壓缸的流量和壓力來控制液壓缸上、下移動(dòng)的行程，實(shí)現(xiàn)輥縫的動(dòng)態(tài)調(diào)整、精確定位和壓力控制。

主壓下系統(tǒng)的AGC位置控制是矯直機(jī)其中重要的控制環(huán)節(jié)［2］，它由 TI公司為核心 TMS 320F2812 DSP伺服控制器通過先進(jìn)控制算法，進(jìn)行位移傳感器信號(hào)、壓力變送器信號(hào)的數(shù)字信號(hào)采集、計(jì)算，得出相應(yīng)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(tǒng)框圖如圖1所示。

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

2 伺服控制器幾個(gè)關(guān)鍵硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

TI公司的TMS320F2812是一款專為控制系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的芯片，片上集成豐富的片內(nèi)、外設(shè)資源。在設(shè)計(jì)時(shí)充分利用主控制芯片32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理，主頻150 MHz，處理性能高達(dá)150MPIS，簡化了外圍電路，降低了系統(tǒng)的功耗。根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)際需要各部分所實(shí)現(xiàn)的功能，將控制器大體分三個(gè)部分:DSP模塊處理器部分、外設(shè)通信接口和信號(hào)處理部分，控制器的總體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 電源處理部分設(shè)計(jì)

圖2 DSP伺服控制器基本結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram for basic structure of DSP servo controller

TMSF320F2812要求內(nèi)核供電電壓1.8 VDC，外部I/0供電，電壓為3.3 VDC，內(nèi)部Flash燒寫電壓3.3 V，同時(shí)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(dān)大量數(shù)據(jù)運(yùn)算［4］等等，因此必須有一個(gè)良好供電系統(tǒng)來保證系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定。從性能和成本考慮，本設(shè)計(jì)采用了TI公司雙路低壓差電源穩(wěn)定器為芯片TPS767D318，它一路可以調(diào)理出3.3 V供I/O電源，另一路可調(diào)至1.8 V供內(nèi)核電源。

2.3 移位和壓力信號(hào)輸出接口設(shè)計(jì)

TMS320F2812的A/D單元是一個(gè)12位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，內(nèi)部的ADC是單極性的，且引腳允許輸入信號(hào)電壓的范圍是0～3.6 V，不可以承受5 V的輸入信號(hào)電壓，因此，在DSP與外圍器件之間應(yīng)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。矯直機(jī)上傳感器輸出0～10 VDC，通過TI公司低功耗單電源運(yùn)算放大器 OP 365按比例線性縮小到0～3 VDC，并且DSP系統(tǒng)進(jìn)行了電壓保護(hù)，可以有效防止外界模擬電壓突變損壞DSP系統(tǒng).對于傳感器輸出4～20 mADC的，采用精密電流/電壓轉(zhuǎn)換芯片RCV 420來實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)0～3 V電壓變換、電路變換后進(jìn)人F2812的ADC輸入引腳。電平轉(zhuǎn)換公式如式(1)。

圖3 DSP伺服控制器由0～10 V轉(zhuǎn)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(jī)上移位傳感器為MTS-R系列24位SSI信號(hào)輸出，采用SSI208P模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，SSI208P模塊的D ［0］～ ［7］和 TMS320F2812的XD［0］～ ［7］引腳相連，CLK+、CLK-(MTS-R的時(shí)鐘信號(hào))和DATA+、DATA-(MTSR的數(shù)據(jù)信號(hào))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(shù)據(jù)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(qū)分SSI數(shù)據(jù)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(hào)，用GPIOB4控制SSI208P模塊啟動(dòng)，GPIOB5進(jìn)行SSI208P模塊轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)查詢。在CLKMD0、CLKMD1、GRAY接20K上拉電阻，來實(shí)現(xiàn)SSI信號(hào)電路的調(diào)理。

2.4 伺服控制器輸出電路

伺服閥輸入量為模擬信號(hào)，伺服控制器輸出數(shù)據(jù)是數(shù)字量，要控制伺服閥，需要將控制器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量輸出到伺服閥上。設(shè)計(jì)考慮到精度［5］，分辨率等，選擇了ADI公司的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片DAC7744，它一種低功耗16位并口輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)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(hào)決定。DSP XR/W腳與讀寫信號(hào)RW連接，片選DAC_CS由地址線A16反相后與外部空間選擇信號(hào)XZCS2相“或”產(chǎn)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(shè)計(jì)了RS485接口、PROFIBUS—DP總線的網(wǎng)絡(luò)接口。DP總線在控制伺服閥可以實(shí)現(xiàn)在線參數(shù)設(shè)定、診斷故障、報(bào)警和故障在線排除等功能，同時(shí)可以連接實(shí)現(xiàn)車間級(jí)和廠級(jí)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)二級(jí)自動(dòng)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(jīng)SN74LVC245接SPC3的XCS端提供片選信號(hào);XINT2端子經(jīng)SN74LVC245接SPC3的XINT端子，作為外部中斷信號(hào)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(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)在線仿真和程序升級(jí)，實(shí)現(xiàn)F2812目標(biāo)系統(tǒng)與仿真器的通信接口。設(shè)計(jì)選用合眾達(dá)公司的USB接口仿真器SEED一XDS510PLUS選擇JTAG方式。設(shè)計(jì)一個(gè)14芯，間距為100 mil雙排插針，它是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口，通過此口可以實(shí)現(xiàn)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(shè)硬件接口設(shè)計(jì)

2.7.1 LCD及按鍵硬件接口電路

2.7.2 內(nèi)存和EEPROM存儲(chǔ)器擴(kuò)展設(shè)計(jì)

由于TMS320F2812的片內(nèi)存儲(chǔ)器只有128K×16位的Flash和18K的SRAM，而伺服控制器在壓下系統(tǒng)中，需要更大的空間來存放控制算法和程序以及其他數(shù)據(jù)，因此需要擴(kuò)展。本文通過設(shè)計(jì)一片高速異步讀寫512K×16位SARM芯片IS6LV25616存儲(chǔ)芯片對程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)擴(kuò)展。采用一片AT25HP512芯片實(shí)現(xiàn)外擴(kuò)512K EEPROM存儲(chǔ)器，此芯片支持DC1.8～5.5V低功耗工作，具有讀寫保護(hù)功能，擦出次數(shù)達(dá)15萬次數(shù)據(jù)可保存50年之久。該芯片可與F2812的SPI串行外設(shè)接口兼容。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及主程序流程

控制系統(tǒng)用于伺服的參數(shù)控制、狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)報(bào)名等，其軟件在整個(gè)伺服控制系統(tǒng)中起實(shí)時(shí)控制、顯示、數(shù)據(jù)處理等作用。

程序開發(fā)設(shè)計(jì)采用TI開發(fā)工具Code Composer Studio＆ampTM(CCSV)，通過伺服控制器上的JTAG對系統(tǒng)進(jìn)行控制算法編程和MATLAB在線模擬仿真。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)功能:控制系統(tǒng)的同步控制和實(shí)時(shí)顯示;控制模式及算法選擇;系統(tǒng)自檢、一體化標(biāo)定、控制曲線擬合和在線人工給定以及其它數(shù)據(jù)處理功能。

系統(tǒng)軟件遵循軟件工程方法，采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法。整個(gè)控制功能通過控制計(jì)算機(jī)和伺服控制器協(xié)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(shù)達(dá)到更精確控制。

輸入輸出模塊:完成伺服控制器采集數(shù)目、通道等參數(shù)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)所有輸入信號(hào)的采集、數(shù)字濾波、工程量化等數(shù)據(jù)處理;輸出模塊用來完成輸出通道、數(shù)模轉(zhuǎn)換參數(shù)的設(shè)置，進(jìn)行控制輸出信號(hào)的有效性、上下限幅處理、數(shù)模轉(zhuǎn)換。

界面操作模塊:整個(gè)界面采用類似于標(biāo)準(zhǔn)的Windows風(fēng)格，一個(gè)總的窗口作為對所有控制系統(tǒng)進(jìn)行操作的接口，同時(shí)對于每一路控制子系統(tǒng)相應(yīng)的有一個(gè)子窗口來實(shí)時(shí)顯示控制參數(shù)、跟蹤曲線。

軟件的總體功能框圖見圖6，包括初始化、試驗(yàn)設(shè)置、系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)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(tǒng)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(shè)計(jì)的傳統(tǒng)MCU伺服控制器PID控制和DSP伺服控制器RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定PID控制，分別應(yīng)用與全液壓矯直機(jī)伺服閥控制，并通過實(shí)驗(yàn)?zāi)MMatlab仿真得到圖8和圖9。由于本設(shè)計(jì)伺服控制器能夠運(yùn)用先進(jìn)智能控制算法，而傳統(tǒng)MCU伺服控制器最優(yōu)越的也僅僅運(yùn)用到PID算法，本設(shè)計(jì)根據(jù)全液壓矯直機(jī)伺服控制的工業(yè)復(fù)雜情況下要求高精度、快速度、抗干擾等，設(shè)計(jì)了RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定PID控制算法。RBF網(wǎng)絡(luò)是一種三層前向網(wǎng)絡(luò)，由輸入到輸出的映射是非線性的，因此大大加快了學(xué)習(xí)速度并避免局部極小問題，能以任意精度逼近任意連續(xù)函數(shù)。通過圖8和圖9比較可以得出DSP伺服控制器通過RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定PID控制算法，對壓下系統(tǒng)能在較短時(shí)間內(nèi)對系統(tǒng)穩(wěn)定控制，突出了其優(yōu)越。

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

圖9 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定PID控制Matlab仿真圖Fig.9 Simulation diagram of RBF neuro-network PID control Matlab

4 結(jié)論

矯直機(jī)伺服控制器核心控制就是伺服閥的位置控制。傳統(tǒng)MCU伺服控制器，雖然在工程上應(yīng)用較多，但可擴(kuò)展性差、控制精度低、抗干擾能力差等缺點(diǎn)，而在數(shù)字控制技術(shù)飛速發(fā)展的21世紀(jì)，選擇數(shù)字控制己成一種重要發(fā)展方向和探索［7］。在如此背景下，設(shè)計(jì)了這款以TMS320F2812為核心的伺服控制器，對控制器重要部分進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)，并通過它可以更精確的采集矯直機(jī)壓下系統(tǒng)的位移傳感器和壓力變送器信號(hào)，并經(jīng)過控制器算法運(yùn)算，輸出控制信號(hào)到伺服閥，對壓下系統(tǒng)進(jìn)行精確控制。

［1］崔甫.矯直原理與矯直機(jī)械 ［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2002.

［2］王斌.矯直機(jī)定位控制系統(tǒng)開發(fā)及設(shè)計(jì) ［J］.施工技術(shù)，2011，10(1):102－104.

［3］王憲，孫開林，楊坤，液壓位置伺服系統(tǒng)同步的控制［J］.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2011，10(7):57－60.

［4］劉小鳴.DSP控制器原理及應(yīng)用 ［M］.北京:清華大學(xué)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(shè)計(jì) ［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2011，40(8):51－52.