基于DSP NNC-PID的電液位置伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

在汽車制造過程中，大量應(yīng)用電液位置伺服式機械手(焊裝、噴漆)、機床(沖、壓)以及其他加工裝置。電液位置伺服系統(tǒng)具有功率大、響應(yīng)快、精度高的特點，這就要求控制系統(tǒng)不僅有良好的定位精度，而且要有好的伺服跟蹤性能，因此是控制領(lǐng)域中的一個重要組成部分。電液位置伺服控制系統(tǒng)的典型特征是非線性、不確定性、時變性、外界干擾和交叉耦合干擾等，系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型不易建立。因此，對電液系統(tǒng)的控制一直是一個復(fù)雜控制系統(tǒng)問題。
常規(guī)PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)意義明確、控制的動態(tài)和靜態(tài)特性優(yōu)良等特點。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NNC)具有信息綜合、學(xué)習(xí)記憶和自適應(yīng)能力、逼近任意非線性函數(shù)的能力，可以處理那些難以用模型和規(guī)則描述的過程，但也存在局部最小點，不易達(dá)到最優(yōu)控制。
將NNC與PID控制相結(jié)合組成智能控制器可以取得更好的控制效果，這里提出采用DSP實現(xiàn)NNC-PID控制器對電液位置系統(tǒng)進(jìn)行智能控制，滿足電液位置伺服對控制系統(tǒng)響應(yīng)快和高精度的要求。

1 電液位置伺服系統(tǒng)構(gòu)成
以噴漆機械手第一關(guān)節(jié)為對象，構(gòu)造了研究實驗裝置，如圖1所示。其中反饋器件采用精密導(dǎo)電塑料電位計。整個控制系統(tǒng)以DSP為核心、由噴漆機械手第一關(guān)節(jié)、位置傳感器、12位A／D轉(zhuǎn)換器和D／A轉(zhuǎn)換器、信號調(diào)理電路和輸出放大驅(qū)動電路以及上位機PC等組成，實現(xiàn)定位和伺服跟蹤控制。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
TMS320F2812是TI公司推出的2000系列的數(shù)字信號處理(DSP)，主要應(yīng)用在控制領(lǐng)域。頻率達(dá)150 MHz，定點32位的CPU，可運行16×16和32×32的運算。片上高達(dá)128 KB的程序存儲器，128 KB的ROM和18 KB的SARAM，外部接口16位數(shù)據(jù)線和19位地址線，可外擴l MB的ROM。此外還集成有16通道的12位的A／D轉(zhuǎn)換器，最小化周期80 ns，以及56個可單獨編程的通用I／0(GPIO)引腳。高速的數(shù)字信號處理能力及豐富的外擴資源使TMS320F2812適合應(yīng)用在要求較高的控制系統(tǒng)。
2．1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
控制系統(tǒng)采用了PC+DSP的控制方案，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中PC機主要用來顯示控制界面，調(diào)節(jié)各控制參數(shù)，實時顯示各相關(guān)信號。而DSP則完成低層的控制功能，通過A／D轉(zhuǎn)換器采集各路信號，經(jīng)過一定的算法處理后，由D／A口輸出，以及通過I／0口、光電隔離驅(qū)動放大電路來控制各電磁閥的開關(guān)。同時通過通信，向PC機發(fā)送采集來的信號，并接收PC機的起動、停止等指令以及各控制參數(shù)。

2．2 A／D轉(zhuǎn)換電路
TMS320F2812的A／D轉(zhuǎn)換器模塊時鐘可達(dá)25 MHz，轉(zhuǎn)化精度為12位，可采集16個通道，0～3 V的電壓模擬信號。多種觸發(fā)方式：軟件觸發(fā)(DOC)、事件管理器A(EVA)、事件管理器B(EVB)。其轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)與輸入電壓的關(guān)系為：數(shù)字量=4 095x(V輸入-VADCLO)／3，其中VADCLO為各通道的基準(zhǔn)電壓。
在PCB布線時，信號引入端到TMS320F2812引腳的距離要盡量的短，同時各通道遠(yuǎn)離數(shù)字信號，并且大面積鋪地。A／D轉(zhuǎn)換器電路模塊中J3接傳感器，J19可接示波器等，可供其他儀器采集數(shù)據(jù)。
2．3 I／O及驅(qū)動設(shè)計
I／0板主要用來驅(qū)動各電磁閥，驅(qū)動電流可達(dá)數(shù)安培，電磁噪聲較大，各繼電器的開關(guān)會產(chǎn)生較強電磁干擾，開關(guān)的電流沖擊及電壓峰值較大，這會影響DSP的運行。因此與DSP主板分開布線制板。I／O板設(shè)計中采用74LS244作為驅(qū)動元件，TLP521作為光電隔離和繼電器來驅(qū)動外負(fù)載。在PCB布線時，有大電流通過的導(dǎo)線適當(dāng)加粗，該板可驅(qū)動8路(可擴展至16路)的電磁閥。
2．4 通信電路
USB通信電路設(shè)計中采用的ISPl581是Philips公司的通用串行總線接口器件，它完全符合USB2．0規(guī)范。支持USB2．0的自檢工作模式和USBl．1的返回工作模式，直接與ATA／ATAPI外設(shè)相連，集成8 K字節(jié)的多結(jié)構(gòu)FIF0存儲器；高速的DMA接口：7個0UT端點和一個固定的控制IN／OUT端點。通過一個高速的通用并行接口，ISPl581為基于微控制器／微處理器的系統(tǒng)提供了高速的USB通信能力。使用已有的結(jié)構(gòu)和參考的固件，不僅縮短了開發(fā)時間，還減少了開發(fā)風(fēng)險和費用，是一種簡捷、經(jīng)濟的USB外設(shè)解決方案。