vlsi（very large scale integration）數字電路技術的迅速發展使得dsp發展迅速，經歷了16位定點dsp、32位浮點dsp和并行dsp的發展階段，性能大大提高且成本大幅度下降。以往傳統的電機控制一般采用模擬電路實現。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，設計者就走向數字化伺服控制，自動控制理論和計算機技術是數字伺服系統技術的兩個主要依托；自動控制理論的高速發展為數字伺服系統提供了不少新的先進控制規律以及相應的分析和綜合方法，計算機技術的飛速發展為數字伺服系統提供了實現這些控制規律的可能性，大大提高了伺服系統的穩態和動態品質指標。 數字化控制的發展歷程 數字化控制也經歷了單片機的發展歷程，z80、8031、8052、8096、80196等各種單片機，都可以完成電機的控制任務，主要區別是它們的位數和工作頻率不一樣，發展的趨勢是越來越高頻化、低功耗、低成本。電機系統本身是一個比較復雜的系統，就需要一個更強有力的中央處理器，更短的執行周期，近年來發展起來的dsp就完全能勝任提升整個系統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是非常理想的數字伺服控制芯片。 數字信號處理器（dsp）的出現將逐漸取代單片機的地位，占據控制領域的數字控制的主導地位。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，使得設計越來越方便。dsp的內部結構為哈佛結構，三級流水線作業。ti新推出的tms320f2812是應用于控制領域的最新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，輕松將復雜的控制策略實現。采用高性能的靜態cmos技術，工作頻率達到150mhz，低功耗設計，３２位cpu，片上128k程序存儲器和128k數據存儲器，三個32位計數器，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轉換器，有正交編碼脈沖接口，可以使用語言進行編程控制，移植性強，非常適合電機的pwm控制。在電機控制系統，如許多先進方法:無傳感器的場控或電流形狀控制的開關磁阻電機控制很容易在dsp上實現，對于減少成本，降低損耗，減少emi，提高系統效率和可靠性，都大有好處。 基于dsp的電機位置控制系統 基于dsp的電機位置控制系統基本結構圖，見圖1。圖1中m為電機，pe為功率電子驅動單元，dcs為數字控制系統。輸入到數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a/d轉換后的值，包括電壓、電流、速度和位置信號。dcs通過輸出接口（oi）控制電機驅動，如果pe需要一個模擬量輸入時，oi接口還包括d/a轉換；當驅動大功率的電機時，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基本結構圖[/align] 電機位置控制系統的總體要求不外乎穩態精度、動態響應，對外部干擾的敏感程度、測量噪聲和參數變化的適應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），“香農定理”對采樣時間的大小有詳細的論述。在這些參數中，有些參數可以直接量測，另外一些參數可以通過估計的辦法得到。而且，系統中有許多模擬輸入變量，對于較復雜系統，輸入模擬變量的數量一般為5～8路，微處理器在相應的時刻從相應的傳感器讀取數據，精度主要由傳感器和轉換器的精度確定。對于一些特定的要求，dsp就得在每次采樣間隔時間內完成一些復雜的控制算法，位置控制系統是一個比較典型的復雜系統，即使采用常規的pid算法。對于感應電機控制，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，需要的數學計算是比較復雜的。同時dsp還得和外部系統接收或發送數據，即具備通信功能。正因為dsp的高執行效率和豐富的外圍接口，在許多領域（通信、圖像、語音識別、機器人控制等）得到了廣泛的應用，尤其在伺服控制領域中，采用dsp技術設計的伺服系統得到了越來越廣泛的應用[1,2,3,7,8]?？梢?，dsp已經成為業界公認的、將按指數增長的技術焦點。 [align=center] 圖2　感應電機的控制方框圖[/align] 系統設計 本文針對tms320f2812的具體特點，充分發揮其功能，設計了用于電機的多軸伺服控制板，具有多達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，同時還設計了24路數字輸入和24路數字輸出接口。在設計過程中，采用大規?？删幊唐骷pld，用于地址譯碼和外圍通道選址，簡化電路設計，減少元器件數量，增加控制的靈活性。從而獲得把通用dsp處理器的所有優點與cpld的先進性能綜合在一起的新型硬件。充分利用該dsp的快速性，還可實現一些先進控制算法的使用，如pid+ff控制，模糊控制，神經網絡控制等。由于dsp具有可編程特點，任務可分時復用，降低系統硬件規模，提高系統設計的靈活性和可靠性，同時，系統具有開放性和向上兼容性，對新技術和算法可隨時采納和吸收。利用通訊口還可方便實現網絡化控制，實現一些大系統的控制，如經緯儀的伺服控制，可接收主控計算機、編碼器、雷達引導儀或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，故需要進行電壓轉換，采用tps767d318pwp電源轉換芯片，實現5v到3.3v和1.8v的轉變，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上適當設計容錯設計，抗esd設計，短路保護等。 ad轉換單元 tms320f2812具有采樣速率12.5msps的12位16通道的a/d轉換器，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的三個位置用來設置不同的輸入量程，當連接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轉換單元 dsp本身具有12路pwm輸出，在要求pwm信號驅動的伺服電機單元時，可以字節利用這些輸出口進行控制。在一些需要模擬量輸出時，本板還包括8路da轉換，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，當參考基準為±5v時，具有±10v的滿量程輸出，可以直接和一些伺服驅動單元相連。 [align=center] 圖5 模擬輸入通道之一接口電路原理圖[/align] pcb電磁兼容設計 由于接口眾多，網絡線交錯，在設計pcb之前，重點設計布局，功能單元區分，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，可以重新調整網絡，以利于pcb走線，否則走線交錯，難于布線，增加過孔。布線時，先對所有信號線進行分類，對控制線、數據、地址等總線進行區分，對i/o接口線進行分類。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，內部工作頻率達到150mhz，因此，設計pcb中充分考慮反射、高頻串擾、電磁干擾、熱分布，采取必要措施保證信號質量。 設計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，提高信號的質量。接地的處理上也是比較考究的，本設計為4層板（分布為信號、地、電源、信號），設計是遵循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，而且系統采用僅一個參考面。在模擬信號和數字信號地采用橋接的辦法處理地[9]。 在設計pcb過程中充分考慮信號完整性問題，并采取有效的措施進行控制，處理好信號的延遲、反射、串擾、地彈（當pcb板上的眾多數字信號同步進行切換時（如cpu的數據總線、地址總線等），由于電源線和地線上存在阻抗，會產生同步切換噪聲，在地線上還會出現地平面反彈噪聲，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，靜電放電能量能導致電路損壞、數據紊亂，從而造成系統復位、死機、程序跑飛等，靜電對整個系統的影響是嚴重的，是必須認真考慮的。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，正確接地處理，大面積的pcb銅箔，設置空間最小距離，對大規模集成電路設置多個去耦電容等，對預防靜電干擾都能起到一定作用。設計的pcb板見圖6。 系統結構框圖 整個dsp控制系統的結構框圖如圖7所示。12路pwm輸出可直接用于多達3個直流電機（直流有刷電機，每個電機需要4路pwm信號），如配置的電機驅動器需要更少的路數pwm信號，則可控制更多的電機。16路a/d輸入，通過配置適當的跳線，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過調理電路后進入dsp的采樣電路，進行ad采樣。8路d/a輸出均有輸出運算放大器進行電壓轉換和保護電路，可用于控制模擬量輸入設備的控制變量。6路正交編碼器信號輸入，經過隔離電路電平轉換后進入dsp，dsp通過程序控制正交脈沖的計數，得到位置和速度信號。設計了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進行接口轉換。sci、can通訊都設計了光耦隔離電路，esd保護電路。i/o輸入輸出口的電平電壓都經過了電平轉換，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口都進行led指示，易于故障判斷。為簡化電路設計，采用大規模集成芯片cpld，并可通過jtag口進行在線編程。 [align=center] 圖7 dsp的控制系統原理方框圖[/align] 實驗 設計的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，因此設計pcb走線時，芯片時鐘需要仔細布置。實際證明，此板的時鐘信號滿足設計要求，波形質量好，無毛刺。見圖8和圖9。 下一步工作，是利用設計的控制板進行伺服控制算法的實現，完成對大型經緯儀的高低和方位電機控制，和各分系統的通訊，實現對目標的高精度跟蹤。 [align=center] 圖8 xclkout輸出波形和dsp的晶振輸出信號[/align] 結語 整個控制系統具有豐富的接口和通訊功能，可組成多軸伺服控制系統，如在經緯儀的伺服系統中，可完成和編碼器、調光調焦系統、主控計算機、捕獲電視、測量電視、紅外系統以及數字通信系統等的通信功能，并且實時控制方位電機和俯仰電機的位置和速度環路，完成對目標的跟蹤任務，實時返回相關信息，配合主控計算機得到目標的方位、高低信息、運動姿態等。另外，此多軸伺服控制系統還可用在機器人控制、數控等領域，具有廣闊的應用前景。