摘 要：设计了一种基于DSP的水池拖曳系统伺服电机运动控制器，该控制器选用DSP作为控制核心器件，解决了与上位机TCP/IP无线网络通信和对伺服电机高速、高精度、实时、两方向复合同步拖曳运行控制等复杂问题。详细描述了基于TMS320F2812的伺服控制电路和信号调理、系统状态采集电路的设计。经过验证，该控制器具有控制精度高、稳定性强、实时性好及集成度高等优点。
关键词：水池拖曳；伺服控制；DSP；TCP/IP通信
运动控制技术是水池拖曳系统的关键技术，伺服控制器越来越多的运用到了运动控制系统中，由DSP作为水池拖曳试验系统中央控制器，具有较高的灵活性和集成度，可实现对伺服电机的复杂、高精度的控制算法和逻辑处理，还可实现与上位机的TCP/IP实时通信。本文采用TMS320F2812作为伺服控制的核心部件，用于上位机指令接受及信息反馈、系统状态处理、运动轨迹规划、速度控制、加速度控制和编码器位置数据实时接收；信号调理电路用于检测各伺服控制器运行状态(或故障状态)，各运行机构限位状态，可单独控制各伺服控制器使能并且完成自动/手动功能转换及相应的电路切换。本文对该水池拖曳系统运动控制器的总体结构、硬件设计和软件设计进行了描述。
1系统总体设计
水池拖曳系统分为大车、小车、升降三轴运行机构，大车由两台伺服电机同步控制运行，小车和升降分别由一台伺服电机控制运行。运动控制器运动控制信号采用模拟量方式输出方式，使用16位高精度四通道DA将数字信号转换位模拟控制信号，通过模拟量来控制电机的正反转及转速，以达到电机精确控制；通过RS485串口接收处理三路光电编码器反馈信号，实时定位拖曳系统大车、小车和升降的位置；多路数字量输入输出信号接口用于控制伺服器使能和系统状态信号(如限位信号、伺服电机抱闸信号、报警信号等)实时采集。
该运动控制器以TMS320F2812作为核心控制单元，利用DSP的高速数字信号处理能力，能够完成与上位机的实时TCP/IP网络通信和完成系统复杂的速度控制及轨迹运算。采用无线网络的方式与上位机进行通信，解决了有线网络通信网线铺设过长，信号衰减严重的弊端，使设备具有更高的可靠性。系统总体设计方案原理图如图1所示。
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图1 系统总体设计方案原理图
2系统硬件设计
2.1DSP核心控制模块
本控制器采用TMS320F2812为核心控制芯片，TMS320F2812是TI公司的一款运用高性能CMOS技术、主频高达150MHz的32位数字处理器，具有处理速度快、精度高和片上资源丰富等优点。
CS8900A是CIRRUS LOGIC公司的一款低功耗局域网处理芯片，内部集成了片内RAM、10BASE-T收发滤波器、Manchester编码/译码器、时钟恢复电路和完整的AUI接口前置模拟电路等。CS8900A按照16位方式与DSP芯片外部XINTF接口连接，其10BASE-T收发滤波器可以直接与隔离变压器相连。DSP与CS8900的接口电路如图2所示。
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图2 TMS32F2812与CS8900A接口电路示意图
对于采用模拟量控制的伺服器，DAC转换是影响系统控制精度的关键器件。本设计采用了DAC7744作为数字量和模拟量的转换器件，该DAC转换芯片具有16位转换精度，数据输入采用并行方式，四通道模拟量输出，具有±10V宽电压输出范围。为了节约DSP片上接口资源，采用外部数据端口锁存方式实现对DAC的控制。DSP与DAC7744的接口电路如图3所示。
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图3 TMS320F28312与DAC7744的接口电路示意图
2.2信号调理模块
信号调理模块主要包括数字I/O接口信号调理、DAC信号调理、自动手动转换及手动控制信号输出和RS232/RS485串口转换。信号调理模块电路如图4所示。
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图4 信号调理模块总体电路图
数字I/O接口是为了满足拖曳控制系统报警信号、限位信号、伺服电机抱闸信号、自动手动状态信号和伺服电机使能信号输入输出处理，通过光电耦合器件和缓冲器件提高抗干扰能力和驱动能力。输入信号主要包括伺服器报警信号SRVALM1~SRVALM4，限位信号DCQX、DCHX~SJXX、SJSX，自动手动状态信号M/A-S，伺服电机抱闸信号BK1、BK3。输出信号主要包括伺服电机使能信号SN1、SN2、SN3，使能信号采用两位IO信号分别高电平和低电平触发，防止DSP在启动初始化、复位或者异常情况下启动伺服器使能，保障伺服系统的安全性。当伺服器报警信号响应时，伺服电机停止运动，直到报警信号被清除；当某限位信号响应时，立即停止该方向电机运动，直到限位信号被消除。RS232/RS485串口转换电路用于接收光电编码器的位置信息。
接口板设置有自动手动选择电路，使用继电器进行切换，并设置有反馈信号，通过手持控制器选择手动控制和自动控制两种模式，选择手动操作方式时，信号调理板直接输出定值的模拟控制电压，通过手持控制器控制电压的输出。
3系统软件设计
系统软件主要分为网络通信、位置数据接收及处理、电机速度控制和状态信息收发处理四个软件功能模块。网络通信模块主要实现与上位机的TCP/IP协议网络通信，接收上位机指令及向上位机发送系统状态信息；位置数据接收及处理主要实现光电编码器的RS485串口数据实时采集及数据转换；电机速度控制主要负责对电机实时运行状态的监控和调节；状态信息收发处理主要负责扫描IO输入端口和设置输出IO端口。
整体运行模式采用循环模式，模式主要有两种：等待模式和运行模式。等待模式时系统处于监测状态，主要完成对控制系统外围设备的状态监测。这些状态主要包括三轴行走机构的位置，伺服控制器的状态，限位状态等。当执行运行指令，软件进入运行模式。运行状态完成对系统状态检测的同时，控制行走机构的运行。运行模式下，运行是一个全自动的过程，系统接收运行控制指令后，系统按照既定参数自动完成运行过程，完成运行过程后，返回至等待模式。拖曳控制系统软件的流程图如图5所示。
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图5 运动控制主要程序流程
DSP作为整个控制系统的核心，程序主要是由定时器中断组成。程序流程如图6所示。主程序启动后，首先完成TMS320F2812的系统初始化，再初始化和配置CS8900A网络芯片，等待上位机指令和回传系统状态信息。
伺服电机的运动控制采用DA输出电压控制伺服电机速度，DSP每20ms中断采集三车编码器信息，保证拖车的位置实时控制。上位机下达运行指令，下位机接收并计算运行轨迹，运行轨迹包括加速段、匀速段和减速段，拖车的加速减速过程采用PID控制算法，使拖车整个加速减速过程平滑，防止拖车失速。
本文设计了一种基于DSP的水池拖曳系统伺服电机运动控制器，实现了对伺服电机高速、高精度、实时、两方向复合同步拖曳运行控制等问题，拖曳运行整体采用模块化设计，易于扩展。拖曳运行系统的运行控制采用PID运动控制算法并且使用网络通信与上位机进行通信，使运动控制更加精确、实时性强。本设计经过调试，各方面性能达到预定设计标准，准备交付用户安装使用。
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