数字化控制的发展历程
数字化控制也经历了单片机的发展历程，z80、8031、8052、8096、80196等各种单片机，都可以完成电机的控制任务，主要区别是它们的位数和工作频率不一样，发展的趋势是越来越高频化、低功耗、低成本。电机系统本身是一个比较复杂的系统，就需要一个更强有力的中央处理器，更短的执行周期，近年来发展起来的dsp就完全能胜任提升整个系统性能和降低成本的作用，具有片上can、adc、pwm、qep以及spi等外围接口，dsp是非常理想的数字伺服控制芯片。
数字信号处理器（dsp）的出现将逐渐取代单片机的地位，占据控制领域的数字控制的主导地位。而且，专门有针对电动机控制的dsp芯片，如ti公司的2000系列dsp，使得设计越来越方便。dsp的内部结构为哈佛结构，三级流水线作业。ti新推出的tms320f2812是应用于控制领域的最新dsp，具有更高的运算能力和面向电动机的高效控制能力集于一体，轻松将复杂的控制策略实现。采用高性能的静态cmos技术，工作频率达到150mhz，低功耗设计，３２位cpu，片上128k程序存储器和128k数据存储器，三个32位计数器，两个事件管理器可以用来输出pwm波控制电机，pwm输出通道达12个，sci串行通讯接口，can总线接口，mcbsp接口，具有采样速率12.5msps的12位16通道的a/d转换器，有正交编码脉冲接口，可以使用语言进行编程控制，移植性强，非常适合电机的pwm控制。在电机控制系统，如许多先进方法:无传感器的场控或电流形状控制的开关磁阻电机控制很容易在dsp上实现，对于减少成本，降低损耗，减少emi，提高系统效率和可靠性，都大有好处。
基于dsp的电机位置控制系统
基于dsp的电机位置控制系统基本结构图，见图1。图1中m为电机，pe为功率电子驱动单元，dcs为数字控制系统。输入到数字控制器的信号为参考输入和过程变量，过程变量为传感器输出经a/d转换后的值，包括电压、电流、速度和位置信号。dcs通过输出接口（oi）控制电机驱动，如果pe需要一个模拟量输入时，oi接口还包括d/a转换；当驱动大功率的电机时，采用的大功率igbt、bjt等，还需要一些隔离接口模块。
图1 基于dsp的电机位置控制系统基本结构图
电机位置控制系统的总体要求不外乎稳态精度、动态响应，对外部干扰的敏感程度、测量噪声和参数变化的适应能力也是必须考虑的，特别是可靠性和成本。越来越多的参数或变量需要控制，如位置或速度、加速度、力矩以及电流等，所有这些变量变化非常迅速，故要求采样时间足够小（典型值在0.1-1ms之间），“香农定理”对采样时间的大小有详细的论述。在这些参数中，有些参数可以直接量测，另外一些参数可以通过估计的办法得到。而且，系统中有许多模拟输入变量，对于较复杂系统，输入模拟变量的数量一般为5～8路，微处理器在相应的时刻从相应的传感器读取数据，精度主要由传感器和转换器的精度确定。对于一些特定的要求，dsp就得在每次采样间隔时间内完成一些复杂的控制算法，位置控制系统是一个比较典型的复杂系统，即使采用常规的pid算法。对于感应电机控制，见图2，从图2中可以看出，需要采集的模拟信号是比较多的，需要的数学计算是比较复杂的。同时dsp还得和外部系统接收或发送数据，即具备通信功能。正因为dsp的高执行效率和丰富的外围接口，在许多领域（通信、图像、语音识别、机器人控制等）得到了广泛的应用，尤其在伺服控制领域中，采用dsp技术设计的伺服系统得到了越来越广泛的应用[1,2,3,7,8]。可见，dsp已经成为业界公认的、将按指数增长的技术焦点。
图2 感应电机的控制方框图
系统设计
本文针对tms320f2812的具体特点，充分发挥其功能，设计了用于电机的多轴伺服控制板，具有多达16路的ad采样（12位），而且可以满足多个量程输入范围，8路da输出（14位），以及can、spi、sci和rs422通信接口，以及正交编码的隔离输入通道，同时还设计了24路数字输入和24路数字输出接口。在设计过程中，采用大规模可编程器件cpld，用于地址译码和外围通道选址，简化电路设计，减少元器件数量，增加控制的灵活性。从而获得把通用dsp处理器的所有优点与cpld的先进性能综合在一起的新型硬件。充分利用该dsp的快速性，还可实现一些先进控制算法的使用，如pid+ff控制，模糊控制，神经网络控制等。由于dsp具有可编程特点，任务可分时复用，降低系统硬件规模，提高系统设计的灵活性和可靠性，同时，系统具有开放性和向上兼容性，对新技术和算法可随时采纳和吸收。利用通讯口还可方便实现网络化控制，实现一些大系统的控制，如经纬仪的伺服控制，可接收主控计算机、编码器、雷达引导仪或gps的指令等。
电源管理
tms320f2812是采用双电源，外围接口用电源为3.3v，核心芯片电压为1.8v，而一般情况下较多提供5v电源，故需要进行电压转换，采用tps767d318pwp电源转换芯片，实现5v到3.3v和1.8v的转变，每路输出电流最大为1a。见图3。
图3 电源电路原理图
接口电路
对于通讯电路，为了增加可靠性，增强对外界的抗干扰能力，设计了隔离的接口电路，通信的原理图见图4。
图4 sci接口原理图
隔离电路采用6n137作为隔离的光耦，速度可达10 mbps，满足不同传输速率的要求。对于can总线接口也采取光耦隔离设计。作为和编码器的接口，dsp需要接收编码器的脉冲信号，作为位置和速度的反馈信号，这一部分设计的光耦隔离电路，也采用光耦6n137。在需要和外界强信号或主电路的高电压大电流的场合进行信号交换，考虑隔离，有助于减少外界干扰，增加可靠性，同时，各输入输出口电路在考虑各种干扰性质上适当设计容错设计，抗esd设计，短路保护等。
ad转换单元
tms320f2812具有采样速率12.5msps的12位16通道的a/d转换器，被分为两组，ad0～ad7为一组，ad8～ad15为一组。每组都有一个专门的输入端。事件管理器可将adc配置为两个独立的8通道模块，也可串接成为一个16通道的模块。adcin0为模拟输入，adcina0为输入到dsp的模拟输入口的信号，为满足多量程的模拟电压输入要求，图5所示的设计电路中j5、r66、r67、r74和r76用与选择输入量程，满足r66=r74=4r67，r76=2r67，j5的三个位置用来设置不同的输入量程，当连接1和2时，表示±5v输入范围，连接5和6时，表示±10v输入范围。
da转换单元
dsp本身具有12路pwm输出，在要求pwm信号驱动的伺服电机单元时，可以字节利用这些输出口进行控制。在一些需要模拟量输出时，本板还包括8路da转换，采用一片封装里含8路14位的dac芯片ad7841，输出电压建立时间为31μs，当参考基准为±5v时，具有±10v的满量程输出，可以直接和一些伺服驱动单元相连。
图5 模拟输入通道之一接口电路原理图
pcb电磁兼容设计
由于接口众多，网络线交错，在设计pcb之前，重点设计布局，功能单元区分，值得注意的是，需要考虑dsp和cpld之间的走线，cpld和输入输出接口之间的走线，可以重新调整网络，以利于pcb走线，否则走线交错，难于布线，增加过孔。布线时，先对所有信号线进行分类，对控制线、数据、地址等总线进行区分，对i/o接口线进行分类。先布时钟、敏感信号线，再布高速信号线，最后布一般信号线。由于dsp工作频率很高，内部工作频率达到150mhz，因此，设计pcb中充分考虑反射、高频串扰、电磁干扰、热分布，采取必要措施保证信号质量。
设计pcb板时，在电路、芯片附近和电源电路上加一些电容来满足数字电路工作时要求的电源低噪声和低纹波的要求，在合适的位置加上去耦电容、旁路电容和储能电容，提高信号的质量。接地的处理上也是比较考究的，本设计为4层板（分布为信号、地、电源、信号），设计是遵循3w和20h原则（３ｗ原则：走线间距离间隔必须是单一走线宽度的三倍；20h原则：印制板的物理尺寸都应该比最靠近的接地地板的物理尺寸小20h，其中h是两层印制板的间距。），尽可能减少电流回路的面积，而且系统采用仅一个参考面。在模拟信号和数字信号地采用桥接的办法处理地[9]。
在设计pcb过程中充分考虑信号完整性问题，并采取有效的措施进行控制，处理好信号的延迟、反射、串扰、地弹（当pcb板上的众多数字信号同步进行切换时（如cpu的数据总线、地址总线等），由于电源线和地线上存在阻抗，会产生同步切换噪声，在地线上还会出现地平面反弹噪声，简称地弹）等电磁兼容性问题。
静电问题也是需要注重的问题，静电放电能量能导致电路损坏、数据紊乱，从而造成系统复位、死机、程序跑飞等，静电对整个系统的影响是严重的，是必须认真考虑的。器件的选择上，尽可能选用静电不敏感器件，输入输出电路的隔离或使用tvs管保护，正确接地处理，大面积的pcb铜箔，设置空间最小距离，对大规模集成电路设置多个去耦电容等，对预防静电干扰都能起到一定作用。设计的pcb板见图6。
系统结构框图
整个dsp控制系统的结构框图如图7所示。12路pwm输出可直接用于多达3个直流电机（直流有刷电机，每个电机需要4路pwm信号），如配置的电机驱动器需要更少的路数pwm信号，则可控制更多的电机。16路a/d输入，通过配置适当的跳线，可接收不同量程的输入范围。对电机电压、电流以及别的模拟信号均可经过调理电路后进入dsp的采样电路，进行ad采样。8路d/a输出均有输出运算放大器进行电压转换和保护电路，可用于控制模拟量输入设备的控制变量。6路正交编码器信号输入，经过隔离电路电平转换后进入dsp，dsp通过程序控制正交脉冲的计数，得到位置和速度信号。设计了8路rs422通讯能力，采用两片16c554来完成，并通过接口芯片sp489和sp487进行接口转换。sci、can通讯都设计了光耦隔离电路，esd保护电路。i/o输入输出口的电平电压都经过了电平转换，高电平为5v，输入16路未隔离，8路隔离输入；输出24路为隔离，对所有的i/o口都进行led指示，易于故障判断。为简化电路设计，采用大规模集成芯片cpld，并可通过jtag口进行在线编程。
图7 dsp的控制系统原理方框图
实验
设计的pcb板需要保证工作正常，各个芯片的时钟信号或晶振输出信号必须正常，不能受到干扰或去干扰别的器件，因此设计pcb走线时，芯片时钟需要仔细布置。实际证明，此板的时钟信号满足设计要求，波形质量好，无毛刺。见图8和图9。
下一步工作，是利用设计的控制板进行伺服控制算法的实现，完成对大型经纬仪的高低和方位电机控制，和各分系统的通讯，实现对目标的高精度跟踪。
图8 xclkout输出波形和dsp的晶振输出信号
结语
整个控制系统具有丰富的接口和通讯功能，可组成多轴伺服控制系统，如在经纬仪的伺服系统中，可完成和编码器、调光调焦系统、主控计算机、捕获电视、测量电视、红外系统以及数字通信系统等的通信功能，并且实时控制方位电机和俯仰电机的位置和速度环路，完成对目标的跟踪任务，实时返回相关信息，配合主控计算机得到目标的方位、高低信息、运动姿态等。另外，此多轴伺服控制系统还可用在机器人控制、数控等领域，具有广阔的应用前景。
