黎劍華，張仁杰，劉 虎，李夏青

(上海理工大學(xué) 光電與計算機工程學(xué)院，上海 200093)

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基于DSP和PowerPC的開放式伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

黎劍華，張仁杰，劉 虎，李夏青

(上海理工大學(xué) 光電與計算機工程學(xué)院，上海 200093)

設(shè)計了一種基于DSP和PowerPC的開放式伺服控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要采用TMS320C6713微控制器實現(xiàn)通信及控制算法的運算。硬件部分介紹了雙端口RAM電路、電源電路及復(fù)位電路，并提出了PowerPC端和DSP端基于雙端口RAM芯片進行通信的方法。軟件部分每400us進行一次伺服采樣運算并通過PID調(diào)節(jié)進行誤差補償。通過實驗對PID算法部分進行參數(shù)整定及誤差分析，結(jié)果證明，該伺服運動控制系統(tǒng)可達到良好的控制精度。

開放式數(shù)控系統(tǒng)；伺服運動控制器；DSP；PID

運動控制技術(shù)是基于高性能微處理器，對運動軌跡規(guī)劃進行計算使機械系統(tǒng)按照預(yù)期進行運動，當(dāng)出現(xiàn)偏差時能實現(xiàn)高速的實時運動誤差補償，保證系統(tǒng)的高的控制精度和伺服電機高的運動速度[1-3]。

本文基于開放式數(shù)控系統(tǒng)提出了一種基于PowerPC上位機，以DSP作為主控單元完成伺服運算的伺服運動控制系統(tǒng)?？刂破飨蛩欧?qū)動器下發(fā)電壓變化范圍為(-Ui-Ui)的速度指令信號[4-6]，并通過采集編碼器的反饋信號以實現(xiàn)電機控制。本文實現(xiàn)了數(shù)字式PID伺服控制算法，控制算法的引入減小了伺服控制誤差，達到了設(shè)計的預(yù)期效果和要求，具有較高的實用價值。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

運動控制時DSP與PowerPC兩者之間需要大量的數(shù)據(jù)傳輸。為提高DSP與PowerPC機之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，本文使用VME協(xié)議作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偩€協(xié)議。系統(tǒng)硬件架構(gòu)框圖如圖1所示。雙口RAM集成了兩個不同的硬件存儲訪問接口，這兩部分各自有不同的讀寫控制總線，DSP和PowerPC兩端可對雙端口RAM的地址空間進行互不影響的讀寫訪問；DSP主要完成的工作是接收PowerPC上位機指令，處理運動控制算法，實時向伺服驅(qū)動器下發(fā)變化的電壓量，并通過檢測運動的位置，完成位置誤差的補償。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 TMS320C6713微處理器

DSP是運動控制器的控制芯片，其性能決定著電機的運行速度和精度。本文選擇DSP的型號為TMS320C6713，芯片框圖如圖2所示，其內(nèi)部包括中央處理單元、內(nèi)部存儲器、寄儲器和外設(shè)4部分。其中，中央處理單元其組成包括：程序取指、指令分配、指令譯碼3個單元、2個數(shù)據(jù)通路、以及控制寄存器和邏輯、測試和仿真單元、中斷選擇控制器等。DSP內(nèi)部存儲采用哈佛結(jié)構(gòu)，分為獨立的數(shù)據(jù)空間和程序空間數(shù)據(jù)處理速度較快。另外片內(nèi)功能外設(shè)較多，需包括：(1)高性能的DMA控制器，可完成與外部存儲器SDRAM等的數(shù)據(jù)交換，無需CPU的直接參與;(2)HPI主機接口、EMIF外部存儲器接口，通過芯片內(nèi)部這些接口，DSP可與多種外設(shè)交換數(shù)據(jù)信息;(3)兩個32位通用定時器，作為事件定時、事件計數(shù)、產(chǎn)生脈沖，還可向DMA/EDMA控制器發(fā)送同步事件;(4)多通道緩沖串口，為了提高通訊時數(shù)據(jù)的傳輸速度，其可在DMA/EDMA控制器的幫助下，在存儲器中自動緩沖串行數(shù)據(jù)。

圖2 TMS320C6713框圖

2.2 雙端口RAM電路設(shè)計

本文使用雙端口RAM作為DSP與PowerPC數(shù)據(jù)通信的介質(zhì)。芯片型號為CY7C1061AV33，其電路如圖3所示。此芯片為高性能的CMOS雙端口RAM(Dural Ported Random Access Memory，DPRAM)，內(nèi)存大小為1 MB。設(shè)置RAM芯片的數(shù)據(jù)總線為16位的位寬，可滿足設(shè)計對數(shù)據(jù)傳輸寬度的要求。

圖3 雙端口RAM接口電路圖

CY7C1061AV33內(nèi)部集成了兩個不同的硬件存儲訪問接口，這兩部分各自有不同的讀寫控制總線，DSP和PowerPC兩端可對雙端口RAM的地址空間進行獨立的讀寫訪問；另外芯片內(nèi)部集成了優(yōu)秀的仲裁邏輯，芯片內(nèi)部設(shè)計的忙邏輯和中斷邏輯等電路可判斷出DSP和PowerPC兩側(cè)端口的使用狀況，避免數(shù)據(jù)訪問沖突，保證了DSP和PowerPC兩側(cè)可以對同一地址空間進行異步操作。

2.3 電源管理及復(fù)位模塊

TMS320C6713芯片采用低功耗的設(shè)計模式，芯片IO引腳部分和CPU內(nèi)核所需的供電電壓分別為3.3 V和1.8 V。為得到穩(wěn)定的電源電壓，本文電源模塊的電路設(shè)計使用TI的電源管理芯片TPS70302。TPS703xx系列的電源管理芯片在進行電源設(shè)計時所需外圍電路簡單，抗干擾能力強，可為DSP芯片提供穩(wěn)定的電源電壓。TPS70302支持兩路電壓輸出時，最大輸出電流為2 A，輸入電壓范圍為2.7～6 V，兩路輸出電壓范圍為1.2～5.5 V。另外DSP系統(tǒng)的工作頻率較高，在系統(tǒng)上電時，易發(fā)生高頻干擾導(dǎo)致程序跑飛，所以根據(jù)需要設(shè)計了上電復(fù)位電路。電源管理及復(fù)位電路的電路設(shè)計如圖4所示。

圖4 電源管理模塊

3 軟件設(shè)計

3.1 控制軟件架構(gòu)

在進行DSP軟件設(shè)計時，遵循模塊化和層次化的設(shè)計思路[8]，為使程序結(jié)構(gòu)清晰，將軟件按功能劃分3個層次：(1)主控層。負責(zé)上位機命令的接收以及任務(wù)調(diào)度，在完成相應(yīng)的中斷設(shè)置、硬件初始化、就進入while循環(huán)中，程序輪詢外部存儲器接口接收命令；(2)通訊接口層。負責(zé)與硬件的接口，所有與雙端口RAM有關(guān)的操作都在該層進行處理；(3)算法層。是數(shù)字伺服控制軟件設(shè)計的核心，系統(tǒng)的主要功能均在這一層實現(xiàn)，算法層實現(xiàn)了伺服運動控制的控制算法。其是通過定時器定時400 μs，CPU進入中斷函數(shù)調(diào)用算法層的函數(shù)來實現(xiàn)的，DSP程序流程圖如圖5所示。

圖5 DSP程序架構(gòu)框圖

3.2 雙端口RAM通訊機制

DSP軟件將DPRAM劃分為命令接受區(qū)，應(yīng)答發(fā)送區(qū)和錯誤返回區(qū)3個部分，圖6為DPRAM各段的劃分情況。在3個區(qū)域里定義了讀寫DPRAM的讀寫標志控制區(qū)，以實現(xiàn)PowerPC和DSP芯片對DPRAM的3個區(qū)域數(shù)據(jù)的讀寫控制。程序定義了3個區(qū)域的基地址，標志控制結(jié)構(gòu)體的成員變量包括數(shù)據(jù)塊類型、目標運動控制板卡的狀態(tài)、當(dāng)前下發(fā)的命令I(lǐng)D、當(dāng)前下發(fā)的命令子ID、本條命令的超時值、傳送的數(shù)據(jù)包的總長度、當(dāng)次的數(shù)據(jù)包長度、RAM寫權(quán)限所有者。

#define COM_DPRAM_BASE 0xA0000100

#define RPL_DPRAM_BASE 0xA0000200

#define ERR_DPRAM_BASE 0xA0003000

typedef struct

{

SMEE_BOOL is_rpy_buf; //F8數(shù)據(jù)塊類型

unsigned int channel_id //FC標示當(dāng)前通道ID

vme_dpram_status_enum Status;//100運動控制板卡的狀態(tài)

unsigned int CmdID; //104當(dāng)前下發(fā)的命令I(lǐng)D

unsigned int filler; //108當(dāng)前下發(fā)的命令子ID

unsigned int timeout_or_rtn_val; //10C本條命令的超時值

unsigned int TotalLength; //110傳送的數(shù)據(jù)包的總長度

unsigned int CurLength; //118當(dāng)次的數(shù)據(jù)包長度

unsigned int Owner; //11C DPRAM寫權(quán)限所有者

}dpram_flag_struct;

圖6 DPRAM區(qū)域劃分

PowerPC端和DSP端對DPRAM數(shù)據(jù)讀寫是否擁有讀寫權(quán)利是通過區(qū)分DPRAM標志寄存器中的Owner標記來實現(xiàn)的。Owner標志為0表示DPRAM讀寫權(quán)在DSP端。由于PowerPC端可首先對命令接收區(qū)進行下發(fā)命令，而DSP軟件可以首先對命令接受區(qū)、錯誤返回區(qū)進行下發(fā)命令。所以，系統(tǒng)上電時軟件對3個區(qū)域的標志位初始化的值不同。0xA000 011C為接收通道Owner的內(nèi)存地址，默認設(shè)置接收區(qū)的標志位為1。0xA000 031C為發(fā)送通道Owner的內(nèi)存地址，默認設(shè)置接受區(qū)的標志位為0；0xA000 311C為錯誤返回區(qū)Owner的內(nèi)存地址，默認設(shè)置接收區(qū)的標志位為0。圖7為DPRAM不同區(qū)域標志位的初始化值。

圖7 DPRAM不同區(qū)域標志位初始化值

3.3 PID控制算法

本文在伺服電機算法控制中采用PID算法，PID算法具有魯棒性能好、可靠性能高、參數(shù)易于調(diào)節(jié)等特點。PID算法內(nèi)部由比例、積分、微分3個環(huán)節(jié)構(gòu)成，比例能夠快速成倍地反應(yīng)偏差量并通過調(diào)節(jié)作用來減小偏差量。積分環(huán)節(jié)的作用是減小控制位置或控制速度的穩(wěn)態(tài)誤差。微分項則體現(xiàn)了控制位置或控制速度的偏差的變化形勢，通過相位超前加入一個修正量來防止偏差量變的過大，因此微分環(huán)節(jié)有利于縮小誤差調(diào)節(jié)周期、提高動態(tài)響應(yīng)。如圖8所示為Matlab Simulink下PID環(huán)節(jié)的仿真框圖。

圖8 數(shù)子PID控制框圖

對于連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字PID控制器，其控制方程可表示為

(1)

其中，u(t)是控制器的輸出信號；e(t)是控制的軌跡規(guī)劃的目標位置與測量系統(tǒng)測量得到的反饋位置的距離差。Kp是比例放大倍數(shù)，Ki是積分放大倍數(shù)，Kd是微分放大倍數(shù)。通過拉氏變換寫成傳遞函數(shù)形式為

(2)

在進行程序設(shè)計時，需要對連續(xù)的時域信號做離散化處理，離散的PID控制有基于有增量式的離散表達式

Δu(k)=kp(e(k)-e(k-1))+kie(k)+kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))

(3)

得到離散化的表達式后，程序編寫變得方便。

4 控制誤差分析

在調(diào)試伺服系統(tǒng)時，要考慮控制誤差這一參數(shù)，其決定了系統(tǒng)的控制精度。其是指位置指令與位置檢測單元反饋的差值，將這差值繪成曲線即稱為誤差曲線。為獲得良好的控制性能，PID算法需要有匹配的參數(shù)。在進行比例調(diào)節(jié)時，Kp參數(shù)跟伺服帶寬、超調(diào)量直接相關(guān)、影響伺服穩(wěn)定時間即響應(yīng)速度；控制回路高增益可改善指令信號的響應(yīng)，同時改善對擾動的響應(yīng)[9]。圖9為單獨調(diào)節(jié)Kp參數(shù)時，伺服系統(tǒng)的控制誤差，圖4每400 μs采樣一次，共2 048個誤差采樣點。

圖9 不同Kp值時伺服位置誤差

由圖9可看出，Kp=300時，伺服系統(tǒng)的誤差在5 μm范圍內(nèi)變化，數(shù)據(jù)的前半部分，電機處于加速狀態(tài)，伺服誤差會有超過10 μm的情況。相比Kp=300時，當(dāng)設(shè)置在Kp為400時伺服誤差平均值較大，并出現(xiàn)了一些超調(diào)的現(xiàn)象。參考表1中不同Kp參數(shù)下的控制誤差值分析。可得出Kp=300是較好的參數(shù)選擇。

圖10為單獨調(diào)節(jié)Ki參數(shù)時，伺服系統(tǒng)的控制誤差。參考表2中不同Ki參數(shù)下的控制誤差值?？芍狵i參數(shù)為1時，平均控制誤差最小，是較好的參數(shù)選擇。另外在進行參數(shù)整定調(diào)試時需要注意，回路噪聲、非線性隨機噪聲也會在增益下放大，必須滿足伺服控制環(huán)路處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10 不同Ki值時伺服位置誤差

表1 不同Kp參數(shù)下的控制誤差值分析

表2 不同Ki參數(shù)下的控制誤差值分析

5 結(jié)束語

在開放式數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，主要研究了PowerPC+伺服運動控制器，介紹了硬件電路的設(shè)計方法以及DSP和PowerPC之間共享雙口RAM進行數(shù)據(jù)通信的實現(xiàn)機制，以滿足伺服控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸實時性、穩(wěn)定性的要求。并對DSP軟件進行層次化設(shè)計，控制算法的引入減小了伺服控制誤差。本設(shè)計方案簡潔并具有良好的控制精度，在工業(yè)運動控制領(lǐng)域中，可為伺服運動控制系統(tǒng)的研究提供參考。

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The Design of Open Servo Control System Based on DSP and PowerPC

LI Jianhua，ZHANG Renjie，LIU Hu，LI Xiaqing

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering ,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

This paper introduces the design of open servo control system based on DSP and PowerPC. This system mainly uses TMS320C6713 micro controller to realize communication and control algorithm. The hardware part introduces the design method of dual port RAM circuit, power circuit and reset circuit, and puts forward a communication method based on dual port RAM chip for PowerPC and DSP ports. In the software part, once a servo sampling operation is performed on each 400us and the error compensation by PID adjustment. Finally, the experiment on the part of the PID algorithm is carried out parameter tuning and the error analysis. And the results show that the servo motion control system can achieve good control accuracy.

open CNC system; servo motion controller; DSP; PID

2016- 01- 25

黎劍華(1990-),女，碩士研究生。研究方向：儀器儀表工程。張仁杰(1956-)，男，博士，教授。研究方向：在線檢測，信號處理等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.11.009

TN

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