專利名稱：：一種基于rcp與dsp運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)方法一種基于RCP與DSP運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及控制器的設(shè)計(jì)
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體地說，是一種基于快速控制原型RCP(R即idControllerPrototyping)與數(shù)字信號(hào)處理器DSP(DigitalSignalProcessing)運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)控制器的開發(fā)往往包括兩個(gè)大的環(huán)節(jié)，一是運(yùn)動(dòng)算法的軟件開發(fā)，二是運(yùn)動(dòng)控制器的硬件設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的開發(fā)過程中，這兩大環(huán)節(jié)都分別需要專業(yè)的軟件開發(fā)工程師和硬件開發(fā)工程師來針對專門的開發(fā)要求進(jìn)行開發(fā)；然后共同調(diào)試，使控制算方法能很好的應(yīng)用于硬件中。只有這兩個(gè)環(huán)節(jié)緊密的配合達(dá)到形成一個(gè)最優(yōu)的系統(tǒng)，才稱得上成功的運(yùn)動(dòng)控制器的開發(fā)。然而，在實(shí)際的運(yùn)動(dòng)控制器的開發(fā)過程中，運(yùn)動(dòng)算法的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的軟件開發(fā)過程，這個(gè)過程往往需要專業(yè)的軟件開發(fā)工程師來實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在的控制系統(tǒng)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，大多都是在對應(yīng)微處理器的開發(fā)環(huán)境中手動(dòng)編寫匯編或C語言或C++代碼，開發(fā)周期長，對程序員的要求較高，而且大多數(shù)程序員只熟悉某種語言，適應(yīng)性很差，在大型開發(fā)項(xiàng)目中要互相結(jié)合開發(fā)就會(huì)出現(xiàn)明顯的局限性。由于不同的程序員編程習(xí)慣的不同，同樣的系統(tǒng)不同的人用同樣的語言寫出的代碼差別很大，使其易讀性很差，甚至對程序員自己來說，對于某些稍微復(fù)雜點(diǎn)的程序，親自編寫的程序在過一段時(shí)間后自己讀起來都很吃力，尤其對匯編語言更是如此。而運(yùn)動(dòng)控制器的硬件則需要硬件工程師根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制器的控制對象以及外圍設(shè)備來進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇MCU(如DSP)以及各種外圍器件。這就要求硬件工程師對各種MCU以及各種外圍器件相當(dāng)?shù)氖煜ぃ哂胸S富的硬件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。而硬件的設(shè)計(jì)不可能一次成功，往往需要由驗(yàn)證到修改，由修改到驗(yàn)證這樣反復(fù)的嘗試。DSP系統(tǒng)模塊很多，要用匯編或C語言編寫就一定要對其寄存器與內(nèi)部結(jié)構(gòu)了解很深，同時(shí)就像TI公司的DSP開發(fā)環(huán)境CCS學(xué)習(xí)起來也很費(fèi)時(shí)間，尤其在GEL與CMD文件的編寫時(shí)，需注意的問題很多，這樣對程序員的要求很高，這樣不但延長了系統(tǒng)開發(fā)周期，更是將一大批想用DSP技術(shù)人員拒之門外。然而，硬件設(shè)計(jì)對于軟件工程師是一個(gè)比較陌生的環(huán)節(jié)，而運(yùn)動(dòng)算法復(fù)雜的編程也是硬件工程是一個(gè)比較薄弱的環(huán)節(jié)。所以在運(yùn)動(dòng)控制器的開發(fā)過程中存在著運(yùn)動(dòng)算法開發(fā)和硬件設(shè)計(jì)脫節(jié)的環(huán)節(jié)；這是傳統(tǒng)開發(fā)方法中存在不課避免的一個(gè)問題。同時(shí)，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的手動(dòng)編寫代碼的方法易讀性差，開發(fā)周期長，對程序員要求較高，新手入門較難。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于RCP與DSP運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的—種基于RCP與DSP運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)方法，所用的硬件包括通用運(yùn)動(dòng)控制器，軟件開發(fā)平臺(tái)為MATLAB/Simulink/RTW，具體步驟為(1)運(yùn)動(dòng)控制算法設(shè)計(jì)與仿真在Matlab/Simulink中調(diào)用對應(yīng)DSP芯片(TMS320F2812)以及所需要的芯片的各個(gè)模塊，結(jié)合Simulink中相關(guān)控制模塊搭建出系統(tǒng)控制模型，利用Simulink強(qiáng)大的仿真功能，對搭建好的系統(tǒng)控制模型進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，調(diào)節(jié)相應(yīng)的控制參數(shù)，直到在仿真中達(dá)到控制要求；本步驟要求開發(fā)者能較熟練的運(yùn)用Matlab軟件，對Simulink的工具箱以及Ti公司的SDP系列模塊有一定的了解；該步驟可以模擬仿真輸出的結(jié)果，可以讓設(shè)計(jì)者很好的觀察系統(tǒng)控制模塊的效果，大大提高了設(shè)計(jì)的效率；(2)自動(dòng)代碼轉(zhuǎn)換利用自動(dòng)代碼生成功能將仿真好的控制模型轉(zhuǎn)換成需要的代碼，同時(shí)設(shè)置好要生成代碼的類型(如匯編代碼，C代碼或者C++代碼)，生成對應(yīng)的控制代碼，并自動(dòng)將代碼轉(zhuǎn)到CCS開發(fā)環(huán)境中；本步驟利用自動(dòng)代碼生成功能，使開發(fā)者能在不寫一行代碼的情況下獲得復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制代碼，降低了運(yùn)動(dòng)控制算法開發(fā)的開發(fā)門檻，提高了運(yùn)動(dòng)控制算法程序的開發(fā)效率；(3)代碼移植將運(yùn)動(dòng)控制代碼在CCS開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行綜合，做必要的修改后移植到嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中；由于系統(tǒng)采用嵌入式開發(fā)方法，所以給代碼的移植帶來很大的便利；該步驟要求開發(fā)者對CCS開發(fā)環(huán)境有一定的了解，并且能夠在CCS開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行匯編代碼或者C代碼的編程工作，本步驟將自動(dòng)生成的代碼進(jìn)行必要的修改，使其符合具體開發(fā)應(yīng)用的需要，最后將移植有運(yùn)動(dòng)控制算法的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)代碼編譯成最終的可執(zhí)行代碼；(4)驗(yàn)證將CCS環(huán)境中生成的二進(jìn)制代碼通過SEEDXDS-usb2.0仿真編程器，下載到通用運(yùn)動(dòng)控制器的處理器(DSP)中，進(jìn)行實(shí)際對象的在線運(yùn)動(dòng)控制，并且做好數(shù)據(jù)記錄工作；本步驟要求設(shè)計(jì)者熟練的使用SEEDXDS-usb2.0仿真編程器，正確的將編譯的可執(zhí)行文件下載到處理器中，在硬件實(shí)體是進(jìn)行調(diào)試，做好數(shù)據(jù)記錄，以便進(jìn)行再次修改；(5)信息反饋將記錄的數(shù)據(jù)與期望的控制輸入進(jìn)行對比，將對比結(jié)果反饋到Simulink中的控制模型中，如果實(shí)際結(jié)果和期望值有所出入，則相應(yīng)的對Simulink中的系統(tǒng)控制模型或者系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行修改；本步驟為運(yùn)動(dòng)控制器算法的優(yōu)化提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在記錄下實(shí)際結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行再編程，提高了運(yùn)動(dòng)控制算法開發(fā)的效率，也體現(xiàn)了RCP開發(fā)方法不可比擬的有點(diǎn)；(6)重復(fù)以上步驟調(diào)節(jié)控制器的各個(gè)參數(shù)，完善整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是本發(fā)明可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制程序在RCP硬件平臺(tái)上的運(yùn)行情況以及產(chǎn)品硬件系統(tǒng)的需要，在RCP硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，同步的進(jìn)行控制算法和產(chǎn)品硬件電路的設(shè)計(jì)，提高了開發(fā)效率；采用Matlab的自動(dòng)代碼裝換技術(shù)，可以很好的將在Matlab中很容易實(shí)現(xiàn)的各種運(yùn)動(dòng)控制算法(如PID控制，模糊控制等)轉(zhuǎn)換成可讀可寫的C代碼，而且能夠很好的移植嵌入到CCStudio開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行調(diào)用，這些運(yùn)動(dòng)控制的C代碼很復(fù)雜，往往需要專業(yè)有經(jīng)驗(yàn)的程序員進(jìn)行編寫，這樣就大大的降低了運(yùn)動(dòng)控制器開發(fā)的門檻，而且開發(fā)的周期和成本得到很的縮減。圖1為基于RCP的DSP運(yùn)動(dòng)控制器的開發(fā)方法的總體框圖。圖2本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3定速度PID控制流程圖；圖4QEP設(shè)置示意圖；圖5定速度控制的RCP實(shí)現(xiàn)的程序圖；圖6定扭矩PID控制流程圖；圖7AD模塊設(shè)置示意圖；圖8定扭矩控制的RCP實(shí)現(xiàn)的程序圖；圖9電源的原理圖；圖10TPS75733封裝圖；圖11TPS76801Q封裝圖；圖12aTPS75733接線原理圖；圖12bTPS76801Q接線原理圖；圖13電壓轉(zhuǎn)換芯片SN74CBTD3384;圖14光柵編碼器接口電路原理圖；圖15a，圖15b，圖15c力傳感器接口及其放大器接線原理16AD620引腳封裝圖。具體實(shí)施方式以下提供本發(fā)明一種基于RCP與DSP的運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)方法的具體實(shí)施方式。下面以一種基于RCP與DSP的運(yùn)動(dòng)控制器的材料試驗(yàn)機(jī)，來詳細(xì)說明其設(shè)計(jì)方法，附圖1為一種基于RCP與DSP的運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)方法的總體框圖。請參見附圖2，一種基于RCP與DSP的運(yùn)動(dòng)控制器的材料試驗(yàn)機(jī)，控制器通過SPI串行總線與DA連接，DA與伺服控制器相連；伺服控制器通過50針的數(shù)據(jù)線與伺服電機(jī)相連；光電編碼器通過物理線路將位移信號(hào)與控制器的QEP采集模塊的引腳進(jìn)行位移信號(hào)的采集；力傳感器將采集到的力值信號(hào)通過物理線路與信號(hào)放大器進(jìn)行連接，放大后的信號(hào)通過物理線路與控制器的AD采集模塊進(jìn)行連接，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換；打印機(jī)模塊通過RS232串口與控制器的芯片連接；實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊通過SPI串行總線與控制器的芯片連接；鍵盤模塊通過I2C總線于控制器的芯片連接；LCD模塊通過GPIO口與控制器的芯片連接；電源模塊通過物理線路與控制器的芯片連接；所述的控制器為Ti公司出品的TMS320F2812:所述的控制器設(shè)計(jì)分為速度閉環(huán)控制設(shè)計(jì)以及轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制設(shè)計(jì)；所述的速度閉環(huán)控制設(shè)計(jì)，用光電編碼器采集位移信號(hào)，然后將采集到的反饋信號(hào)經(jīng)控制器的芯片信號(hào)處理器的運(yùn)算和處理后，再通過DA發(fā)出反饋控制信號(hào)來調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到速度反饋的效果；基于RCP開發(fā)理念的速度反饋控制的具體實(shí)現(xiàn)過程為伺服電機(jī)的速度變化是通過調(diào)節(jié)發(fā)送給伺服放大器的電壓大小而實(shí)現(xiàn)的。要進(jìn)行定速度控制，先要使能伺服放大器，這是通過控制GPI0B2使放大器的SRV-ON為1而讓電機(jī)通電，進(jìn)入伺服使能狀態(tài)，然后是電機(jī)的模式選擇，通過控制GPI0B1使C-MODE為0，當(dāng)參數(shù)Pr02=5時(shí)，輸入0速度控制，輸入1轉(zhuǎn)矩控制；然后控制GPI0B0保證伺服放大器的ZEROSPD在正常運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)DA輸出電壓為0時(shí)，電機(jī)靜止，當(dāng)DA輸出為正電壓時(shí)，伺服電機(jī)相應(yīng)的正傳，而DA輸出負(fù)電壓時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)；在這個(gè)PID控制閉環(huán)中，執(zhí)行器是通過SPI發(fā)送16數(shù)值然后改變DA輸出電壓控制伺服放大器而實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速，反饋信號(hào)是通過光柵編碼器采集到材料試驗(yàn)機(jī)工作臺(tái)的位移信號(hào)，然后以脈沖的形式反饋給DSP芯片的QEP口，通過算法計(jì)算出當(dāng)前材料試驗(yàn)機(jī)工作臺(tái)的速度；將計(jì)算的速度與設(shè)定的速度進(jìn)行對比，通過PID控制算法得到一個(gè)反饋的控制信號(hào)，這樣就可以使實(shí)際的速度與設(shè)定速度達(dá)到高度一致，實(shí)現(xiàn)速度反饋控制，其實(shí)現(xiàn)流程圖如附圖3;定速度控制的RCP實(shí)現(xiàn)客戶實(shí)際要求的速度單位是mm/min(0-600mm/min)，在這段程序中，所設(shè)定的定速度為200mm/min，對于從QEP采集的數(shù)據(jù)，因?yàn)槊?000個(gè)脈沖代表電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈，所以QEP模塊的設(shè)置如附圖4;這樣QEP采集輸出的數(shù)據(jù)單位是r/min，而材料試驗(yàn)機(jī)的螺距為5mm，電機(jī)一轉(zhuǎn)對應(yīng)材料試驗(yàn)機(jī)升降5mm，所以設(shè)定的速度除以5才能與反饋信號(hào)的單位匹配；在伺服放大器的設(shè)定中，輸入IV電壓對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為500r/min，所以將速度除以500(或乘以0.002)得到的才是輸出給伺服電機(jī)所需要的電壓。而又考慮到DA電壓的輸出是由SPI對應(yīng)的16位數(shù)據(jù)得到的，盡管設(shè)計(jì)中采用的是IO位DA，但SPI需發(fā)送16的數(shù)據(jù)，其中高四位與低二位都是空位，而中間的IO位才是真正對應(yīng)的DA轉(zhuǎn)換值；于是0v電壓對應(yīng)的16位數(shù)據(jù)應(yīng)該是512*4=2048,2.048V對應(yīng)的是1024*4=4096，-2.048V對應(yīng)的是0*4=0。DA芯片MAX504的電壓輸出范圍是_2.048V—2.048V，而對應(yīng)的10位數(shù)據(jù)應(yīng)該是0-1024，只是最后把數(shù)據(jù)向左移2位即乘以4;于是以0為界限，SPI的數(shù)據(jù)每增加1對應(yīng)的電壓大小為2.048/512=0.004V，即要乘以250;然后在此基礎(chǔ)上加上0V電壓時(shí)對應(yīng)的10位數(shù)據(jù)值即512，最后放大四倍就好；除此以外，還需DSP的三個(gè)10口來分別控制伺服電機(jī)的使能、模式選擇、嵌位選擇，該設(shè)計(jì)選用的分別是GPIOB2、GPI0B1、GPIOBO;綜上所述，得到速度控制在Simulink中的RCP模型如附圖5;建立好速度反饋的RCP控制模塊后，就可以利用Simulink強(qiáng)大的仿真功能進(jìn)行建模及仿真(步驟l);通過仿真，可以修改模塊中的參數(shù)，使程序能夠優(yōu)化；當(dāng)對仿真效果滿意時(shí)，就可以通過代碼自動(dòng)轉(zhuǎn)換技術(shù)(步驟2)，將仿真后的模塊轉(zhuǎn)換成所需要的控制代碼；將控制代碼在CCS(步驟3)中進(jìn)行綜合，做必要的修改，然后編譯成可執(zhí)行代碼；然后通過仿真編程器(步驟4)將可執(zhí)行代碼下載到TMS320F2812控制器中；啟動(dòng)材料試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行速度反饋的調(diào)試，做好記錄以便進(jìn)行控制模型的必要的的修改(步驟5)。所述的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制設(shè)計(jì)，在轉(zhuǎn)矩控制中，通過力傳感器采集力值信號(hào)，從傳感器中得到的力值信號(hào)經(jīng)AD放大器進(jìn)行信號(hào)放大后，通過控制器的芯片信號(hào)處理器的AD模塊采集電壓值；再根據(jù)力，半徑和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，經(jīng)轉(zhuǎn)換就可得到當(dāng)前轉(zhuǎn)矩大小，經(jīng)過DSP的算法和處理后，調(diào)整DA輸出的模擬量值，來控制伺服電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩值，從而達(dá)到轉(zhuǎn)矩的反饋控制；基于RCP開發(fā)理念的轉(zhuǎn)矩反饋控制的具體實(shí)現(xiàn)過程轉(zhuǎn)矩等于力值乘以力臂，當(dāng)力臂不變時(shí)，定轉(zhuǎn)矩的實(shí)現(xiàn)其實(shí)就是定力值的實(shí)現(xiàn)；伺服電機(jī)的扭矩變化也是通過調(diào)節(jié)發(fā)送給伺服放大器的電壓大小而實(shí)現(xiàn)的，只是要通過控制GPI0B1使C-MODE為1讓伺服放大6器處于扭矩控制狀態(tài)(當(dāng)參數(shù)Pr02二5時(shí))；同時(shí)還要通過控制GPI0B2使放大器的SRV-0N為1而讓電機(jī)通電，進(jìn)入伺服使能狀態(tài)，在這個(gè)PID控制閉環(huán)中，執(zhí)行器是通過SPI發(fā)送16數(shù)值然后改變DA輸出電壓控制伺服放大器而實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的不同轉(zhuǎn)矩，反饋信號(hào)是通過力傳感器采集到材料試驗(yàn)機(jī)輸出力值大小經(jīng)AD620放大信號(hào)后由AD采集經(jīng)過一定的算法計(jì)算出扭矩大小，其實(shí)現(xiàn)的流程圖如附圖6;定轉(zhuǎn)矩控制的RCP實(shí)現(xiàn)在本設(shè)計(jì)中選用的是ADCINO接口，AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果保存在ADCResultO寄存器中，而DSP芯片AD轉(zhuǎn)換過程中的數(shù)字值與電壓值有如下對應(yīng)關(guān)系D,ZB4麵驗(yàn)，^腦0在該設(shè)計(jì)中，DSP芯片的ADCLO引腳接地，因此數(shù)字值和電壓值的對應(yīng)關(guān)系可以轉(zhuǎn)換為Fb/toge=3x^:，=0.0007326xDigital于是將ADC功能模塊的輸出值乘以0.0007326得到的即是ADCINO引腳實(shí)際采集到的電壓大??；ADCINO引腳采集的電壓值是經(jīng)過AD620放大之后的信號(hào)，由于當(dāng)傳感器上的壓力值為0時(shí)，AD620的輸出電壓不為0，為0.665V，所以計(jì)算電壓增加量的時(shí)候應(yīng)當(dāng)減去AD620的初始電壓0.665V;這樣得到的電壓值除以傳感器的靈敏度2.4X10-3V/N，即乘以416.66667，得到的即為壓力傳感器采集到的壓力值；最后將壓力傳感器采集到的壓力值引出到子系統(tǒng)模塊l的輸出端口；伺服驅(qū)動(dòng)器的設(shè)定是輸出1.3N/m額定轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的輸入電壓為IV;所以將期望的轉(zhuǎn)矩值除以1.3或乘以0.76923即得到輸出該期望轉(zhuǎn)矩值應(yīng)向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送的電壓值；DSP在Simulink中的AD模塊設(shè)置如附圖7所示除此以夕卜，還需DSP的兩個(gè)10口來分別控制伺服電機(jī)的使能、模式選擇，該設(shè)計(jì)選用的分別是GPI0B2、GPI0B1，綜上所述，得到轉(zhuǎn)矩控制在Simulink中的RCP模型如附圖8;建立好轉(zhuǎn)矩反饋的RCP控制模塊后，就可以利用Simulink強(qiáng)大的仿真功能進(jìn)行建模及仿真(步驟l);通過仿真，可以修改模塊中的參數(shù)，使程序能夠優(yōu)化。當(dāng)對仿真效果滿意時(shí)，就可以通過代碼自動(dòng)轉(zhuǎn)換技術(shù)(步驟2)，將仿真后的模塊轉(zhuǎn)換成所需要的控制代碼；將控制代碼在CCS(步驟3)中進(jìn)行綜合，做必要的修改，然后編譯成可執(zhí)行代碼；然后通過仿真編程器(步驟4)將可執(zhí)行代碼下載到TMS320F2812控制器中；啟動(dòng)材料試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行轉(zhuǎn)矩反饋的調(diào)試，做好記錄以便進(jìn)行控制模型的必要的的修改(步驟5)。電源模塊對于DSP控制板系統(tǒng)的供電電源，本發(fā)明采用自行設(shè)計(jì)的線性穩(wěn)壓電源關(guān)，它能夠?qū)?20V的交流電源轉(zhuǎn)換成多種穩(wěn)壓直流電源輸出，它能夠提供+12V，2個(gè)+5V和-5V三種穩(wěn)壓直流電源，以及多個(gè)獨(dú)立的接地，該電源很好的解決了電壓干擾的問題，本發(fā)明將模擬電路與數(shù)字電路分開，很好的提高了模擬量采集的精度，完全能夠滿足所設(shè)計(jì)的DSP控制板的供電要求，如附圖9為電源的原理圖；對于DA芯片MAX504、信號(hào)放大芯片AD620所需的電源都是5V，則可直接利用總供電電源即可，而DSP芯片與普通單片機(jī)不一樣，其芯片內(nèi)核CPU供電為+1.9V，而外部的GPIO接口供電為+3.3V，當(dāng)DSP芯片上電時(shí)，外部的GPIO接口(+3.3)先上電，然后內(nèi)核CPU(+1.9V)再上電，并且內(nèi)核的供電電流要不大于luA，因此這就需要一個(gè)能把5V轉(zhuǎn)換為1.9V與3.3V的芯片，并要保證這兩塊芯片在上電時(shí)有一定的先后順序，在該設(shè)計(jì)方案中選用的兩款電壓轉(zhuǎn)換芯片分別為TPS75733和TPS76801Q，下面分別對這兩款電壓轉(zhuǎn)換芯片加以介紹TPS75733是一款將輸入的5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓輸出的芯片，附圖10為其封裝圖，EN為TPS75733的使能引腳，當(dāng)該引腳為低電平時(shí)，TPS75733能夠?qū)崿F(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換功能；當(dāng)該引腳為高電平時(shí)，在完成電壓轉(zhuǎn)換的同時(shí)，芯片內(nèi)部的電壓調(diào)節(jié)器關(guān)閉，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的靜態(tài)電流減小到luA，F(xiàn)B引腳為TPS75733的反饋引腳，將輸出的電壓接入反饋引腳，這樣就可以使TPS75733對輸出的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，保證輸出電壓的準(zhǔn)確性，TPS75733的各引腳功能如表1所示表lTPS75733引腳功能引腳名稱序號(hào)I/O描述EN1I使能引腳FB/PG5I電壓反饋調(diào)節(jié)引腳GND3接地引腳IN2I電壓輸入引腳OUTPUT40電壓輸出引腳TPS76801Q也是一款將5V電壓轉(zhuǎn)換成1.9V電壓輸出，附圖11為其封裝圖，EN為TPS76801Q的使能引腳，當(dāng)該引腳為低電平時(shí)，TPS75733能夠?qū)崿F(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換功能；當(dāng)該引腳為高電平時(shí)，在完成電壓轉(zhuǎn)換的同時(shí)，芯片內(nèi)部的電壓調(diào)節(jié)器關(guān)閉，進(jìn)入休眠狀態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的靜態(tài)電流減小到luA，F(xiàn)B為TPS76801Q的反饋引腳，用以監(jiān)視輸出電壓，保證輸出電壓的準(zhǔn)確性。TPS76801Q的各引腳的功能如表2所示表2TPS76801Q引腳功能引腳名稱序號(hào)I/O描述GND1接地引腳EN2I使能引腳IN3I電壓輸入引腳IN4I電壓輸入引腳OUT50可調(diào)節(jié)電壓輸出引腳8<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>由于在DSP芯片的上電過程中要求外部的GPIO接口要先于內(nèi)核上電，而DSP的GPI0接口供電要求是+3.3V，內(nèi)部CPU的供電要是+1.9V，所以TPS75733和TPS76801Q為DSP供電要有一個(gè)先后順序，即TPS75733先為外部GPIO接口供電，而后使能TPS76801Q為內(nèi)核供電，同時(shí)要保證內(nèi)核供電電流不大于luA。本發(fā)明的解決方案是將TPS75733的FB引腳和TPS76801Q的EN引腳相連，而TPS75733的EN引腳直接接地，這樣在系統(tǒng)上電后，TPS75733直接實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，而當(dāng)TPS75733的FB引腳接收到反饋電壓的同時(shí)，TPS76801Q的EN引腳也接收到一個(gè)高電平，從而使TPS76801Q進(jìn)入到休眠的工作狀態(tài)，并且在兩款芯片在供電上還存在一個(gè)反饋的時(shí)間差，從而滿足DSP芯片供電的設(shè)計(jì)要求，電路設(shè)計(jì)原理圖參見附圖12a，圖12b所示。電壓轉(zhuǎn)換芯片SN74CBTD3384:由于此DSP芯片TMS320F2812的1/0接口電壓為3.3V，而一般的外圍設(shè)備的接口電壓為5V，這就需要一個(gè)5V到3.3V的電壓轉(zhuǎn)換芯片，該設(shè)計(jì)選用的就是SN74CBTD3384芯片，該芯片應(yīng)用很簡單，只需外接5V電源線與相應(yīng)的地，然后3.3V與5V的轉(zhuǎn)換口接到芯片上相應(yīng)的輸入輸出口即可，參見附圖13。光柵編碼器接口電路在該設(shè)計(jì)中光柵編碼器是用來采集伺服電機(jī)的速度信號(hào)和位置信號(hào)的傳感設(shè)備；旋轉(zhuǎn)編碼器有三個(gè)通道A通道，B通道和Z通道；其中A通道和B通道輸出方波的相位相差90度，只接其中一路通道的話，可以得到轉(zhuǎn)速的信息；接兩路通道的話，不僅可以得到轉(zhuǎn)速信息，還可以判斷旋轉(zhuǎn)方向，Z通道也稱為零通道，該通道給出了編碼器軸的絕對零位。在本發(fā)明中，為了即得到速度大小有得到電機(jī)轉(zhuǎn)向，且考慮到此DSP芯片TMS320F2812有專門采集光柵信號(hào)的正交接口QEP，則在硬件上是同時(shí)連接光柵的A、B兩路通道，它能夠直接將脈沖數(shù)儲(chǔ)存到相關(guān)寄存器中，并且能夠通過脈沖數(shù)的增減和頻率來分別判斷編碼器的方向和速度。因此在電路設(shè)計(jì)的過程中，只需直接將A和B兩路信號(hào)線連接到F2812的兩個(gè)QEP接口上；但是考慮到編碼器的供電為5V，A和B兩路信號(hào)輸出的方波的峰值也為5V，超出了F2812芯片的供電范圍(+3.3V)，所以要通過SN74CBTD3384進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換將峰值電壓降為3.3V，光柵編碼器的接口電路原理圖，參見附圖14所示。力傳感器測量力值的大小是為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的定轉(zhuǎn)矩控制，在力臂一定的情況下只需測量力值大小就能得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，在該設(shè)計(jì)中采用的是S型壓力傳感器，當(dāng)應(yīng)力作用在應(yīng)變片R上時(shí)，電橋的另外兩端就能輸出與所加應(yīng)力成正比的電壓，對電路的設(shè)計(jì)而言只需用AD去采集所輸出的電壓大小就能得到相應(yīng)的拉力大小，但考慮到其輸出信號(hào)很弱，則需另加一個(gè)信號(hào)放大器后才能被DSP有效采集，本設(shè)計(jì)中采用的AD620，其整體接線電路原理圖參見附圖15a，圖15b，圖15c;在力值信號(hào)的采集電路中用濾波電路來消除信號(hào)中的噪聲，在模擬信號(hào)采集中采用自校準(zhǔn)的方式，在程序上使用過采樣對采集的值進(jìn)行處理，實(shí)踐證明通過以上三個(gè)手段，采集到模擬量的值比較理想。對于AD620，它是一款高精度的電壓放大芯片，它能夠采集傳感器兩路通道的電勢差并進(jìn)行放大輸出，其放大系數(shù)可以從1到1000，AD620的放大倍數(shù)取決于兩個(gè)RG引腳之間接入的增益電阻大小，放大系數(shù)G與增益電阻RG的關(guān)系為G=l+(49.4K/RG)在本發(fā)明中，所選用的放大增益電阻為470Q，這樣AD620的放大系數(shù)將近106倍，得出的電勢差剛好能夠滿足F2812芯片的AD模塊OV到3V的電壓輸入要求；AD620的封裝圖，參見附圖16所示DA芯片MAX504:在速度控制模式下，要改變交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小可用P麗輸出(調(diào)節(jié)占空比)或DA輸出(改變電壓輸出大小)來實(shí)現(xiàn)；該設(shè)計(jì)采用的是DA輸出方案，采用的芯片就是MAX504;它是MAXM公司生產(chǎn)的一款低功耗、低電壓輸出的IO位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。MAX504既可用+5V單電源工作功能，也可用±5V雙電源工作，并且該芯片對于包括偏移、增益和線性誤差在內(nèi)的各項(xiàng)誤差均以調(diào)整，所以應(yīng)用非常簡單，不需要再度校正。MAX504采用的是三線串行接口，與SPI，QSPI和Microwire標(biāo)準(zhǔn)均兼容。MAX504可通過寫入兩個(gè)8位長的數(shù)據(jù)進(jìn)行編程，其寫入的先后順序?yàn)椋?個(gè)填充位，10個(gè)數(shù)據(jù)位和最低兩位的0;此處，最高4位的填充位只有當(dāng)MAX504采用菊花鏈方式連接時(shí)必須寫入，而最低的兩位0則一定需要寫入。當(dāng)且僅當(dāng)CS片選有效時(shí)，數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿逐位打入片內(nèi)的16位移位寄存器，并在CS上升沿，將有效的10位數(shù)據(jù)(第2第11位)傳送到D/A轉(zhuǎn)換寄存器中，修改原寄存器內(nèi)容。MAX504芯片為14管腳的DIP或者SO封裝形式，除電源和地管腳外，管腳可以分為兩組，一組與處理器相連接，另一組管腳的不同連接可以改變MAX504的工作模式，MAX504具有三種工作模式，分別是單極性輸出，雙極性輸出和四象限乘法器。通過將MAX504的REIN，VOUT，BIP0FF和RFB幾個(gè)管腳的不同連接方式，可以根據(jù)需要將MAX504定義為需要的工作模式；由于在控制伺服驅(qū)動(dòng)器時(shí)，需要使用正負(fù)電壓分別控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，所以在使用MAX504時(shí)我們用到的是雙極性配置，硬件上要將BIPOFF連接到REFIN和RFB，然后采用的是雙電源(±5V)供電。F2812芯片與MAX504的通信是通過其自帶的串行外設(shè)接口SPI來實(shí)現(xiàn)的。SPI是一個(gè)高速同步串行輸入輸出端口，它以可編程的位傳送速率從器件移入或移出；MAX504與DSP芯片TMS320F2812處理器連接的主要管腳有三個(gè)，分別是(l)DIN-數(shù)據(jù)輸入端，該管腳用于接收串行通信數(shù)據(jù)信號(hào)，直接與DSP的SPISIMO管腳連接；(2)SCLK_串行時(shí)鐘輸入端，該管腳用于接收串行通信的時(shí)鐘信號(hào)，以便串行通信過程中的通信雙方的同步，直接與DSP的SPI時(shí)鐘輸出管腳SPICLK連接即可；(3)CS-片選管腳，該管腳為低電平有效，只有當(dāng)CS有效時(shí)，MAX504接收數(shù)據(jù)，并在CS失效時(shí)，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，本電路中，使用DSP的從動(dòng)發(fā)送使能引腳SPISTEA，但從DSP出來的信號(hào)都是以3.3V電壓為基礎(chǔ)的，而外圍DA芯片MAX504信號(hào)是以5V為基礎(chǔ)的，所以在兩者的信號(hào)之間需要一個(gè)3.3V到5V的電壓轉(zhuǎn)換芯片SN74CBTD3384。鍵盤模塊發(fā)明中的鍵盤模塊采用周立功公司的7290鍵盤芯片；使用12C通信方式與TMS320F2812芯片通信；該芯片能提供8行8列的64個(gè)鍵；在本發(fā)明中更具實(shí)際情況用4x5行列的20個(gè)鍵。LCD模塊本發(fā)明采用320x240點(diǎn)陣的液晶；液晶模塊通過GPIO口與TMS320F2812芯片相連；由于液晶在電系統(tǒng)中需要的功率相對比較大；所以單獨(dú)使用一個(gè)三端穩(wěn)壓器專門為其供電。實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊本發(fā)明用DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，DS1302通過SPI串行總線與TMS320F2812芯片進(jìn)行通信；系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)間的讀取和設(shè)置，為系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)。打印機(jī)模塊本發(fā)明選用煒煌漢字微型打印機(jī)，采用RS232串口與TMS320F2812芯片進(jìn)行通信，由于打印機(jī)需要的功率比較大，所以將其供電電源與模擬電源和數(shù)字電源分開單獨(dú)供電。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。權(quán)利要求一種基于RCP與DSP的運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，其具體步驟為(1)運(yùn)動(dòng)控制算法設(shè)計(jì)與仿真在Matlab/Simulink中調(diào)用對應(yīng)DSP芯片以及所需要的芯片的各個(gè)模塊，結(jié)合Simulink中相關(guān)控制模塊搭建出系統(tǒng)控制模型，利用Simulink強(qiáng)大的仿真功能，對搭建好的系統(tǒng)控制模型進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，調(diào)節(jié)相應(yīng)的控制參數(shù)，直到在仿真中達(dá)到控制要求；(2)自動(dòng)代碼轉(zhuǎn)換利用自動(dòng)代碼生成功能將仿真好的控制模型轉(zhuǎn)換成需要的代碼，同時(shí)設(shè)置好要生成代碼的類型，生成對應(yīng)的控制代碼，并自動(dòng)將代碼轉(zhuǎn)到CCS開發(fā)環(huán)境中；(3)代碼移植將運(yùn)動(dòng)控制代碼在CCS開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行綜合，修改后移植到嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中；(4)驗(yàn)證將CCS環(huán)境中生成的二進(jìn)制代碼通過SEEDXDS-usb2.0仿真編程器，下載到通用運(yùn)動(dòng)控制器的處理器中，進(jìn)行實(shí)際對象的在線運(yùn)動(dòng)控制，并且做好數(shù)據(jù)記錄工作；(5)信息反饋將記錄的數(shù)據(jù)與期望的控制輸入進(jìn)行對比，將對比結(jié)果反饋到Simulink中的控制模型中，如果實(shí)際結(jié)果和期望值有所出入，則相應(yīng)的對Simulink中的系統(tǒng)控制模型或者系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行修改；(6)重復(fù)以上步驟調(diào)節(jié)控制器的各個(gè)參數(shù)，完善整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器。全文摘要本發(fā)明涉及一種基于RCP與DSP的運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)方法，包括運(yùn)動(dòng)控制算法設(shè)計(jì)與仿真，在Matlab/Simulink中調(diào)用對應(yīng)DSP芯片以及所需要的芯片的各個(gè)模塊，結(jié)合Simulink中相關(guān)控制模塊搭建出系統(tǒng)控制模型，利用Simulink強(qiáng)大的仿真功能，對搭建好的系統(tǒng)控制模型進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，調(diào)節(jié)相應(yīng)的控制參數(shù)，直到在仿真中達(dá)到控制要求；自動(dòng)代碼轉(zhuǎn)換，代碼移植，信息反饋，重復(fù)以上步驟調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)，完善整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)降低了運(yùn)動(dòng)控制器開發(fā)的門檻，而且開發(fā)的周期和成本得到很大的縮減。文檔編號(hào)G05B17/02GK101706648SQ200910045229公開日2010年5月12日申請日期2009年1月13日優(yōu)先權(quán)日2009年1月13日發(fā)明者易建軍,王巍巍,袁野,趙少華,陳昌明申請人:華東理工大學(xué)