全数字位置随动系统设计精品.doc

全数字位置随动系统设计 《工业控制计算机}2007年2O卷第3期 全数字位置随动系统设计 DesignofFullDigitalPositionServoSystem 郑艳霞张培仁赵鹏张华宾胡晓松 (中国科学技术大学信息科学技术学院自动化系嵌入式系统与控制网络研究室,安徽合肥230027) 摘要 介绍了一种以DSPTMS320LF2407为核心控制器,以单片机SPCEO61A为信号发生器,以直流力矩电机为广义被 控对象的全数字位置随动系统.详细描述了系统设计原理与结构,硬件组成和软件的设计,并实现了前馈补偿控制算法在 位置随动中的控制. 关键词:全数字随动系统,直流电机,DSP,信号发生器,前馈补偿 Abstract Thispaperintroducesthedigitalpositionservosystem.whichusingDSPTMS32OLF24O7asthecorecontroller, SPCE061Aassignalgenerator.andDCtorquemotorastheobjectofcontrolling.Thepaperalsoexplicatestheprinciples andstructuresofthesystem,compositionofhardwareanddesignofsoftware.Finally,thepreviewfeedfwardarithmetichas beenrealizedinthesystem Keywords:digitalservosystem,DCmotor,DSP,signalgenerator.previewfeedfward 本文设计了一种以DSPTM$320LF2407为核心控制器的 全数字随动系统,并采用单片机SPCEo61A设计信号发生器, 以模拟各种被跟踪信号.最后,实验证明了本设计的可行性. 1系统结构与工作流程 本文设计了一种电流,位置双闭环反馈控制系统.如图1所 示,硬件系统包括了信号发生器,TM$320LF2407(以下简称 F2407)控制器,电机驱动,电机及负载,电流采样,角度采样和 通讯电路几个部分. 图1整体电路功能框图 为了更好地模拟工业中实际的随动系统,采用SPCEO61A 作为信号发生器,F2407通过ADC单元采样SPCE061A产生 的波形,作为系统的被跟踪信号. F2407的ADC单元(ADIN2,ADIN4)采样反映通过电机的 电流值和电机转动角度值的电压信号,作为系统的反馈. F2407通过串口SCl单元实时向PC机发送系统状态信 息.一方面,PC机实时显示系统状态曲线,创造了良好的人机界 面,实现了对系统状态的实时监控.另一方面可以保存系统状态 信息,为系统建模及控制算法研究提供了试验数据. 每个采样周期开始,DSP首先采样给定信号,位置反馈信 号和电流反馈信号,然后执行随动系统的PID等控制策略,计算 输出加在电机两端的PWM电压信号量,最后通过电机驱动芯 片A3952进行功率放大,驱动电机转动,实现随动控制. 2组成系统的主要硬件 2.1信号发生器 全数字随动系统的研究,需要研究系统对典型信号的跟踪 效果.本文采用凌阳16位单片机SPCE061A,通过软件设计和 简易的硬件电路,产生多种被跟踪信号,包括各种随机信号和典 型信号(阶跃函数,斜坡函数,脉冲函数和正弦函数等). SPCEO61A工作电压2.6V～3,6V,最大工作速率达 49.152MHz,内置2K字SRAM,32KFLASH,32位通用可编程 输入/输出端口,2个1O位DAC(数一模转换)输出通道.DSP F2407控制061A的l0A端口电平,形成波形类型和参数,触发 外部中断EXT2进行同步调试,通过DAC2输出波形.信号发生 器电路功能框图如图2.由于凌阳 SPCE061A单片机DAC输出为电DSPF240～_L 流输出,最大输出电流为3mA,为一嚣 得到ON3V的电压信号,需要将输Il惭-~r,羹 出电流信号通过1Kn变阻器,转变loAD,JoAET2 为电压信号.外部放大电路作用是SPCE06IA路 改变波形幅度;采用RC低通滤波一?一 电路,滤除DAC转换过程中形成图2信号发生器电路功能框图 的阶梯波高频分量. 2l2核心控制器 电动机的数字控制既要求控制器有强大的I/0控制功能,又 要求控制器有高速的信号处理能力以实现实时控制.因此,需要 采用将高速运算和高控制能力相结合的电动机控制专用芯片. 美国Tl公司开发的数字信号处理器TM$320LF2407,是一 款高性能,低功耗,高性价比的16位定点DSP芯片,是电动机 控制的专用芯片.F2407芯片最高运算速度达40MIPS,ADC最 小转换时间为500ns,非常适合电机的实时