基于DSP和運(yùn)動(dòng)控制芯片的轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制設(shè)計(jì)

王 嘉，黃巖平，張玉廣

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

0 引言

光電跟蹤系統(tǒng)是一個(gè)集圖像采集處理、伺服控制以及精密機(jī)械于一體的復(fù)雜設(shè)備。根據(jù)光電傳感器采集到的視軸與被跟蹤目標(biāo)之間的偏差信號(hào)，通過伺服系統(tǒng)控制視軸運(yùn)動(dòng)來減小跟蹤誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤，其對(duì)實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性有較高的要求。

光電跟蹤系統(tǒng)一直以來在軍事上應(yīng)用廣泛，比如武器控制方面等。近幾年，光電跟蹤系統(tǒng)發(fā)展十分迅速，被廣泛應(yīng)用于公安、消防以及環(huán)境監(jiān)控等民用領(lǐng)域，在機(jī)場(chǎng)安全、起降跟蹤、船舶助航、防海盜、邊海防安全、高空瞭望監(jiān)控等都有廣泛應(yīng)用，尤其隨著我國(guó)海洋開發(fā)的進(jìn)展，該系統(tǒng)特別適合于安裝在漁政船、巡邏船、救助船、緝私船等艦船上，對(duì)維護(hù)我國(guó)海洋權(quán)益發(fā)揮重要的作用。

伺服控制是光電跟蹤系統(tǒng)的重要組成部分，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制采用的是對(duì)每個(gè)軸系進(jìn)行精確的模型分析，通過確定系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)而確定控制參數(shù)，一般都采用多個(gè)回路以及復(fù)合控制等先進(jìn)技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)。但由于光電跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，許多參數(shù)難以精確確定，在建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，具有嚴(yán)重的非線性等原因使得這種做法設(shè)計(jì)復(fù)雜，開發(fā)難度大，周期時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性比較差，可靠性不高。

本文立足于設(shè)計(jì)一種抗擾動(dòng)的精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)，使用TMS320C6713 DSP作為核心處理器，配合PCL6045B專業(yè)的運(yùn)動(dòng)控制芯片來共同控制電機(jī)，DSP通過片外存儲(chǔ)器讀寫操作就達(dá)到了對(duì)電機(jī)的復(fù)雜控制。對(duì)于CPU來說是一種負(fù)擔(dān)的減輕，而且PCL6045B自身的閉環(huán)控制功能保證伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的精確度，提高了可靠性，在滿足實(shí)際使用要求的前提下簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程。

1 轉(zhuǎn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

與陸地環(huán)境不同，海洋環(huán)境中，在風(fēng)的作用下會(huì)出現(xiàn)不同的海況。由于海浪對(duì)船體的影響，光電跟蹤系統(tǒng)會(huì)發(fā)生周期性的搖擺 (橫搖、縱搖、首搖、升沉等)，使視軸相對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生大的角度晃動(dòng)，造成圖像模糊，甚至丟失目標(biāo)，因此，為了隔離載體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的擾動(dòng)誤差，本系統(tǒng)采用抗擾動(dòng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由轉(zhuǎn)臺(tái)底座、速率陀螺、方位和俯仰軸系上的電機(jī)、主軸、導(dǎo)電滑環(huán)等組成。光電跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Turntable structure diagram

底座用來穩(wěn)定轉(zhuǎn)臺(tái)，增大系統(tǒng)的慣性，當(dāng)有外部振動(dòng)干擾時(shí)減小對(duì)系統(tǒng)的影響。2個(gè)電機(jī)分別安裝在俯仰軸的軸向方向和底座內(nèi)部的中心垂直軸上，用來帶動(dòng)俯仰軸和方位軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。攝像頭固定在俯仰軸上，通過電機(jī)帶動(dòng)方位軸和俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)使得鏡頭可以對(duì)準(zhǔn)允許視場(chǎng)內(nèi)的任意方向。導(dǎo)電滑環(huán)安裝在方位軸和底座之間，用來在有軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩側(cè)實(shí)現(xiàn)圖像、控制信號(hào)的傳遞，使得軸向旋轉(zhuǎn)不受信號(hào)線的影響。速率陀螺用來提供外部干擾的速度反饋信息，根據(jù)文獻(xiàn)［3］的理論，系統(tǒng)在3個(gè)軸系上安裝了單自由度速率陀螺，1個(gè)在底座的垂直軸上，另2個(gè)安裝在方位軸平面上相互垂直的2個(gè)方向上。根據(jù)測(cè)得的速度大小可以反推出轉(zhuǎn)臺(tái)穩(wěn)定所需要進(jìn)行的速度補(bǔ)償

圖2 三坐標(biāo)系空間關(guān)系示意圖Fig.2 Three coordinate system spatial relationship diagram

2 轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制硬件設(shè)計(jì)

光電跟蹤系統(tǒng)的主體由圖像采集處理單元和運(yùn)動(dòng)控制單元2個(gè)部分構(gòu)成。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)控制單元需要用到伺服控制器，涉及到復(fù)雜的系統(tǒng)建模以及控制算法，使得運(yùn)動(dòng)控制的可靠性不高。本次設(shè)計(jì)采用運(yùn)動(dòng)控制芯片來解決這一問題，既可完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，又可提高系統(tǒng)的集成度，降低了成本。

在本設(shè)計(jì)中，TMS320C6713的應(yīng)用主要是作為圖像處理單元以及控制指令、參數(shù)發(fā)送單元。攝像機(jī)采集的圖像信號(hào)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換由FPGA對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，之后通過TMS320C6713進(jìn)行圖像分割、匹配、跟蹤處理，得到目標(biāo)與視軸中心的偏差量，然后TMS320C6713通過對(duì)運(yùn)動(dòng)控制芯片PCL6045B寄存器的訪問來發(fā)送控制參數(shù)以及指令，PCL6045B再根據(jù)指令以及反饋的電機(jī)運(yùn)動(dòng)信息調(diào)整驅(qū)動(dòng)器輸出，對(duì)方位軸和俯仰軸電機(jī)進(jìn)行控制，完成對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤。圖3所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 System hardware structure diagram

2.1 TMS320C6713的EMIF接口配置

本次設(shè)計(jì)中的圖像處理單元必須擁有強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，同時(shí)需要有一定的外部擴(kuò)展接口，便于和后續(xù)的控制電路通信。TMS320C6713是一款功能強(qiáng)大的DSP，滿足設(shè)計(jì)中對(duì)圖像處理單元的要求，首先是可以同時(shí)處理8條32 bit的指令，其次是具有豐富的外部擴(kuò)展功能，TMS320C6713的EMIF(外存儲(chǔ)器接口)是外部存儲(chǔ)器和TMS320C6713片內(nèi)各單元間的接口，CPU訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)必須通過EMIF，C6000系列的EMIF具有很強(qiáng)的接口能力，其數(shù)據(jù)總線寬度為32 bit，同時(shí)也提供對(duì)8/16 bit寄存器的讀寫支持，EMIF的可尋址空間一共有512 Mb，分為4個(gè)彼此獨(dú)立的空間CE0～CE3，可以進(jìn)行不同的訪問控制，既提供了同步存儲(chǔ)器的高吞吐率接口，也支持異步存儲(chǔ)接口，而且異步接口速度、時(shí)序可編程。

本設(shè)計(jì)采用DSP和運(yùn)動(dòng)控制芯片的組合完成了轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制功能，作為一款功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制芯片，PCL6045B可以同時(shí)控制最多4個(gè)軸系的電機(jī)動(dòng)作，具有比較優(yōu)秀的控制性能，TMS320C6713與PCL6045B的接口示意圖如4所示。

圖4中，CE0為外部映射空間使能輸出;EA［2∶5］為外部地址輸出;ED［0∶15］為外部數(shù)據(jù)總線;AWE為異步存儲(chǔ)器寫使能輸出;ARE為異步存儲(chǔ)器讀使能輸出;EXT-INT4為外部中斷輸入;ARDY為異步存儲(chǔ)器準(zhǔn)備輸入;RESET為復(fù)位輸入。

圖4 接口示意圖Fig.4 Interface diagram

除了硬件接口可以直接連接，在時(shí)序控制上還可以根據(jù)器件的情況靈活設(shè)置，EMIF的配置是通過對(duì)EMIF的控制寄存器設(shè)置完成的，主要是對(duì)CECTL0(CE0空間控制寄存器)的設(shè)置，CE空間控制寄存器對(duì)于讀/寫操作的建立、觸發(fā)和保持3個(gè)階段的時(shí)間可以進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)置，工作時(shí)首先是片選信號(hào)CE0和地址信號(hào)EA變?yōu)橛行В缓笫亲x/寫信號(hào)ARE/AWE有效，之后結(jié)束1個(gè)訪問周期，完成讀/寫操作，設(shè)計(jì)中需要保證接口電路信號(hào)發(fā)送、接收的時(shí)序有效性，這在后續(xù)的軟件設(shè)計(jì)中體現(xiàn)。

2.2 PCL6045B的接口配置

本次設(shè)計(jì)中采用PCL6045B作為運(yùn)動(dòng)控制單元核心，作為一種通過總線接收CPU命令并產(chǎn)生高速脈沖控制電機(jī)的CMOS大規(guī)模集成芯片，芯片輸出脈沖頻率最高為6.5 MHz，可以提供各種脈沖控制功能，包括連續(xù)進(jìn)給、定位、勻速回零、線性加速/減速、S曲線加減速以及動(dòng)作中速度以及目標(biāo)位置變更等;閉環(huán)以及補(bǔ)償控制是PCL6045B的重要功能，PCL6045B最多支持同時(shí)控制4個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，支持中斷，并且可以向CPU提供PCL的工作狀態(tài)，還具有與伺服驅(qū)動(dòng)器相連的驅(qū)動(dòng)器接口，以上功能都可以通過比較簡(jiǎn)單的指令實(shí)現(xiàn)，減少CPU控制電機(jī)產(chǎn)生的負(fù)擔(dān)。DSP通過總線訪問來對(duì)PCL進(jìn)行控制，PCL芯片有4個(gè)地址線A［1∶4］，A3和A4控制軸地址;A1和A2控制軸命令、寄存器以及I/O口地址，如表1和表2所示。

表1 軸地址Tab.1 Shaft address

表2 每軸命令、buffer及IO口地址Tab.2 Command，buffer and IO address for every axis

指令控制過程如下:

1)向BUFW0和BUFW1中寫入運(yùn)動(dòng)參數(shù)的高、低一共32 bit。

2)向COMW中寫入寄存器控制指令，當(dāng)寄存器控制指令寫入后，BUFW0和BUFW1中的運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)會(huì)自動(dòng)的寫入相應(yīng)的寄存器中。

3)向COMW中寫入啟動(dòng)命令等控制指令，之后系統(tǒng)會(huì)根據(jù)寄存器中設(shè)定的參數(shù)來控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的讀取與指令的寫入類似，只不過先是設(shè)置寄存器控制指令，之后才讀取緩沖器中的數(shù)據(jù)。

3 轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作時(shí)，首先設(shè)置運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)入數(shù)字引導(dǎo)模式，在確定了跟蹤目標(biāo)之后進(jìn)入自動(dòng)跟蹤模式，系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)情況調(diào)整運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)自動(dòng)跟蹤，在出現(xiàn)目標(biāo)丟失跟蹤失敗或取消目標(biāo)的情況下再次進(jìn)入數(shù)字引導(dǎo)模式，系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

本設(shè)計(jì)中每30 ms更新一次數(shù)據(jù) (主要是考慮到圖像采集的頻率)，包括新的位置信息以及速度信息，以單軸為例，控制器需要設(shè)置的速度符合式(3)，新位置s滿足式(4)，如下所示:

其中:Δs為下一時(shí)刻目標(biāo)預(yù)測(cè)位置與當(dāng)前位置差;vit為速率陀螺反饋速度。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言編寫，使用TI公司的CCS編程環(huán)境，分以下2個(gè)步驟:

1)設(shè)置TMS320C6713EMIF相關(guān)的寄存器，保證邏輯地址對(duì)應(yīng)關(guān)系正確以及接口滿足各種時(shí)序要求;

2)對(duì)PCL6045B的訪問設(shè)置。首先是把運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)傳遞給輸入輸出緩沖器BUFW0、BUFW1，之后發(fā)送控制器編碼到COMW，由于PCL6045B具有42個(gè)控制寄存器，而且支持預(yù)置寄存器功能，可以產(chǎn)生豐富的控制效果，達(dá)到各種控制要求，最后是發(fā)送控制指令編碼到COMW，PCL6045B支持單軸動(dòng)作以及多軸同時(shí)動(dòng)作，適用于各種情形。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Software flow diagram

4 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)的伺服控制設(shè)計(jì)方法不同，本設(shè)計(jì)采用TMS320C6713 DSP和PCL6045B運(yùn)動(dòng)控制芯片的組合完成轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制功能，并且考慮到海洋環(huán)境的特殊性，加入由速率陀螺反饋構(gòu)成的抗擾動(dòng)設(shè)計(jì)，根據(jù)高性能的浮點(diǎn)DSP對(duì)圖像實(shí)時(shí)處理之后發(fā)送的目標(biāo)偏差量等信息來控制運(yùn)動(dòng)控制芯片產(chǎn)生復(fù)雜的控制脈沖，驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成跟蹤功能，提高了系統(tǒng)的集成度以及可靠性，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制的設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。

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