基于DSP NNC-PID的电液位置伺服控制系统设计

在汽车制造过程中，大量应用电液位置伺服式机械手(焊装、喷漆)、机床(冲、压)以及其他加工装置。电液位置伺服系统具有功率大、响应快、精度高的特点，这就要求控制系统不仅有良好的定位精度，而且要有好的伺服跟踪性能，因此是控制领域中的一个重要组成部分。电液位置伺服控制系统的典型特征是非线性、不确定性、时变性、外界干扰和交叉耦合干扰等，系统精确的数学模型不易建立。因此，对电液系统的控制一直是一个复杂控制系统问题。

常规PID控制器具有结构简单、参数意义明确、控制的动态和静态特性优良等特点。人工神经网络(NNC)具有信息综合、学习记忆和自适应能力、逼近任意非线性函数的能力，可以处理那些难以用模型和规则描述的过程，但也存在局部最小点，不易达到最优控制。

将NNC与PID控制相结合组成智能控制器可以取得更好的控制效果，这里提出采用DSP实现NNC-PID控制器对电液位置系统进行智能控制，满足电液位置伺服对控制系统响应快和高精度的要求。

1 电液位置伺服系统构成

以喷漆机械手第一关节为对象，构造了研究实验装置，如图1所示。其中反馈器件采用精密导电塑料电位计。整个控制系统以DSP为核心、由喷漆机械手第一关节、位置传感器、12位A/D转换器和D/A转换器、信号调理电路和输出放大驱动电路以及上位机PC等组成，实现定位和伺服跟踪控制。

2 控制系统硬件设计

TMS320F2812是TI公司推出的2000系列的数字信号处理(DSP)，主要应用在控制领域。频率达150 MHz，定点32位的CPU，可运行16×16和32×32的运算。片上高达128 KB的程序存储器，128 KB的ROM和18 KB的SARAM，外部接口16位数据线和19位地址线，可外扩l MB的ROM。此外还集成有16通道的12位的A/D转换器，最小化周期80 ns，以及56个可单独编程的通用I/0(GPIO)引脚。高速的数字信号处理能力及丰富的外扩资源使TMS320F2812适合应用在要求较高的控制系统。

2．1 控制系统总体结构

控制系统采用了PC+DSP的控制方案，系统总体结构如图2所示。其中PC机主要用来显示控制界面，调节各控制参数，实时显示各相关信号。而DSP则完成低层的控制功能，通过A/D转换器采集各路信号，经过一定的算法处理后，由D/A口输出，以及通过I/0口、光电隔离驱动放大电路来控制各电磁阀的开关。同时通过通信，向PC机发送采集来的信号，并接收PC机的起动、停止等指令以及各控制参数。

2．2 A/D转换电路

TMS320F2812的A/D转换器模块时钟可达25 MHz，转化精度为12位，可采集16个通道，0～3 V的电压模拟信号。多种触发方式：软件触发(DOC)、事件管理器A(EVA)、事件管理器B(EVB)。其转化数据与输入电压的关系为：数字量=4 095x(V输入-VADCLO)/3，其中VADCLO为各通道的基准电压。

在PCB布线时，信号引入端到TMS320F2812引脚的距离要尽量的短，同时各通道远离数字信号，并且大面积铺地。A/D转换器电路模块中J3接传感器，J19可接示波器等，可供其他仪器采集数据。

2．3 I/O及驱动设计

I/0板主要用来驱动各电磁阀，驱动电流可达数安培，电磁噪声较大，各继电器的开关会产生较强电磁干扰，开关的电流冲击及电压峰值较大，这会影响DSP的运行。因此与DSP主板分开布线制板。I/O板设计中采用74LS244作为驱动元件，TLP521作为光电隔离和继电器来驱动外负载。在PCB布线时，有大电流通过的导线适当加粗，该板可驱动8路(可扩展至16路)的电磁阀。

2．4 通信电路

USB通信电路设计中采用的ISPl581是Philips公司的通用串行总线接口器件，它完全符合USB2．0规范。支持USB2．0的自检工作模式和USBl．1的返回工作模式，直接与ATA/ATAPI外设相连，集成8 K字节的多结构FIF0存储器；高速的DMA接口：7个0UT端点和一个固定的控制IN/OUT端点。通过一个高速的通用并行接口，ISPl581为基于微控制器/微处理器的系统提供了高速的USB通信能力。使用已有的结构和参考的固件，不仅缩短了开发时间，还减少了开发风险和费用，是一种简捷、经济的USB外设解决方案。

将ISPl581映射到TMS320F2812的XINTF ZoneO空间，使用作为ISPl581的片选信号，选用TMS320F2812的1个GPIO引脚作为复位ISPl581的信号，将读写控制信号直接相连，在对ISPl581操作中有重要作用的中断信号接到DSP的XINTl，以便DSP能及时处理USB的通信中断，由于ISPl581的存储空间是8位组织的，而TMS320F2812的存储空间是16位组织的，可将其数据线DO～D15直接相连，ISP1581的地址线A0接地，A1与DSP的A0相连，A2与DSP的A1相连，依次类推至A7与DSP的A6相连。ISP1581的工作模式选为通用处理器模式，即单独的地址线AO～A 7，处理器和DMA共用数据线D0～D15，读写模式选为8051模式即读写控制为。将MODEl引脚直接与+5 V连接，引脚ALE/AO接地。