基于DSP与FPGA的跟踪伺服运动控制器设计

1、    基于DSP与FPGA的跟踪伺服运动控制器设计        代根学1,2 , 刘朝晖1, 刘 军1 时间:2010年04月14日     字 体: 大 中 小        关键词:        摘  要：关键词：    在高速光

2、电跟踪系统中，对伺服系统的高速性、精确度和稳定性都有很高的要求。为了提高跟踪精度，越来越多的控制算法被应用于伺服系统中，因此要求控制器能在很短的时间内完成大量的运算1。DSP1 总体结构设计    TMS320F2812作为一款专为电机控制所设计的芯片，不仅具有运算速度快的特点，而且集成了丰富的片内外设资源3。设计时综合考虑DSP片上资源的充分利用、系统的模块化和可移植性等特点，将整个控制器大体分为4个部分：DSP模块、FPGA模块、D/A转换模块和通信接口模块。控制器的总体硬件结构如图1所示。从图1中可以看出，DSP通过CAN总线接收上位机指令；位置信号通过两路

3、RS422通信口传给DSP作相应处理；速度信号是由DSP片上集成的QEP电路对电机产生的正交编码脉冲信号进行解码获得；DSP输出的PWM信号与FPGA相连，通过FPGA内部的保护模块后经光电隔离输出到功率放大模块。外部中断经FPGA片内中断控制逻辑后输出到DSP外部中断管脚上；DSP与FPGA之间的数据交换通过DSP片上的多通道缓冲串口（Mcbsp）来实现；D/A转换器控制由FPGA内部的D/A转换接口模块接收DSP传来的数字量并控制逻辑时序；计算机调试接口采用RS232。2 硬件电路设计2.1 DSP模块2.2 FPGA模块2.3 D/A转换器模块    根据转

4、换通道数、精度和转换速度，D/A转换芯片选择BURR-BROWN公司的DAC7614。它是12位串行数模转换器，4路模拟输出，功耗只有20 mW，单次转换建立时间10 s10。    使用单极性输出时，采用5 V供电；双极性输出时，采用±5 V供电。在此需要用到双极性输出，基准电压源选用LM336-2.5,负电压基准采用反相放大方式产生。为避免外电路对板内数字电路的干扰，需要对数字部分进行光电隔离。具体电路如图3所示。 2.4 其他模块    其他模块主要包括电源模块和通信接口模块。由于该控制器采用单5 V供电，因

5、此在内部需要进行电压转换，主要包括3.3 V、1.9 V和1.2 V以及-5 V和±12 V。其中3.3 V、1.9 V和1.2 V采用的是一般的LDO电压转换芯片，而-5 V和±12 V则采用开关电源MC34063。由于DSP要求3.3 V上电在1.9 V之前，在这里选用通过3.3 V转1.9 V的方法，既保证了上电顺序，又能提高电源的转换效率。    通信接口模块包括1路CAN总线，1路RS232和2路RS422。设计时主要保证与系统的其他部分匹配，一般都采用通常的工业标准。3 软件流程    为了提高控制的精

6、度和响应速度，在硬件电路基础上增加位置环和速度环。其中位置和位置增量数据通过RS422从外部编码器传入，速度值数据通过由QEP电路产生。此外丰富的模拟信号输入通道还可以增加电流环和其他反馈量，进一步提高系统的响应速度和稳定性。基本软件流程图如图4所示。    系统上电后自动初始化各端口和相关变量，并等待接收上位机开始指令，接收到开始指令后进入准备状态。因为整个跟踪系统需要同步工作才能产生有效的数据，所以需要等待外部同步脉冲信号，在这里以外部中断的形式接收。然后逐步完成控制算法。当收到结束指令时完成所有工作。    本文给出了一种基于D

7、SP和FPGA的光电跟踪系统伺服控制器的硬件结构和软件流程。实验证明，这种结构紧凑灵活，控制算法完全由控制器完成，使用CAN总线方式传输上位机指令，安全可靠，使计算机完全从工作现场解脱出来。参考文献1    李兴红，张淑梅，续志军,等.基于TMS320F2812的跟踪伺服系统J.微计算机信息,2007,23(5):147-149.2    郑晓峰，方凯，黄迎华.一种基于DSP和FPGA的多轴运动控制卡的设计J.自动化与仪器仪表,2006(4):18-    20.3    张

8、龙，王延年，陈栋森.基于TMS320F2812的双机高速数据采集与控制系统的设计J.西安工程大学学报，2008,22(3):321-323.4    徐科军，张瀚，陈智渊.TMS320X281x原理与应用M.北京：北京航空航天大学出版社,2006:1-3.5    Texas Instruments.TMS320F2812 Digital Signal Processers Data ManualZ.2004.6    苏奎峰，吕强，耿庆锋,等.TMS320F2812原理与开发M.  北京：电子工业出版社,2005:3-5.7    孟浩然，王建立，李洪文.基于TMS320F2812的直流力矩电机伺服系统J.电子测量技术,2007,30(3):63-65.8    Altera Corporation.Cyclone Device handookZ. 2007.9    王诚，吴继华，范丽珍,等.Altera