基于DSP和運動控制芯片的轉臺伺服控制設計

王 嘉，黃巖平，張玉廣

(中國船舶重工集團公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

0 引言

光電跟蹤系統是一個集圖像采集處理、伺服控制以及精密機械于一體的復雜設備。根據光電傳感器采集到的視軸與被跟蹤目標之間的偏差信號，通過伺服系統控制視軸運動來減小跟蹤誤差，實現對目標的自動跟蹤，其對實時性、準確性有較高的要求。

光電跟蹤系統一直以來在軍事上應用廣泛，比如武器控制方面等。近幾年，光電跟蹤系統發展十分迅速，被廣泛應用于公安、消防以及環境監控等民用領域，在機場安全、起降跟蹤、船舶助航、防海盜、邊海防安全、高空瞭望監控等都有廣泛應用，尤其隨著我國海洋開發的進展，該系統特別適合于安裝在漁政船、巡邏船、救助船、緝私船等艦船上，對維護我國海洋權益發揮重要的作用。

伺服控制是光電跟蹤系統的重要組成部分，傳統的轉臺伺服控制采用的是對每個軸系進行精確的模型分析，通過確定系統參數進而確定控制參數，一般都采用多個回路以及復合控制等先進技術方法實現。但由于光電跟蹤系統結構復雜，許多參數難以精確確定，在建立系統的數學模型時，具有嚴重的非線性等原因使得這種做法設計復雜，開發難度大，周期時間長，對環境變化的適應性比較差，可靠性不高。

本文立足于設計一種抗擾動的精密伺服轉臺，使用TMS320C6713 DSP作為核心處理器，配合PCL6045B專業的運動控制芯片來共同控制電機，DSP通過片外存儲器讀寫操作就達到了對電機的復雜控制。對于CPU來說是一種負擔的減輕，而且PCL6045B自身的閉環控制功能保證伺服轉臺的精確度，提高了可靠性，在滿足實際使用要求的前提下簡化了設計過程。

1 轉臺總體結構設計

與陸地環境不同，海洋環境中，在風的作用下會出現不同的海況。由于海浪對船體的影響，光電跟蹤系統會發生周期性的搖擺 (橫搖、縱搖、首搖、升沉等)，使視軸相對目標產生大的角度晃動，造成圖像模糊，甚至丟失目標，因此，為了隔離載體運動產生的擾動誤差，本系統采用抗擾動的設計，系統由轉臺底座、速率陀螺、方位和俯仰軸系上的電機、主軸、導電滑環等組成。光電跟蹤轉臺系統結構如圖1所示。

圖1 轉臺結構示意圖Fig.1 Turntable structure diagram

底座用來穩定轉臺，增大系統的慣性，當有外部振動干擾時減小對系統的影響。2個電機分別安裝在俯仰軸的軸向方向和底座內部的中心垂直軸上，用來帶動俯仰軸和方位軸的轉動。攝像頭固定在俯仰軸上，通過電機帶動方位軸和俯仰軸轉動使得鏡頭可以對準允許視場內的任意方向。導電滑環安裝在方位軸和底座之間，用來在有軸向相對運動的兩側實現圖像、控制信號的傳遞，使得軸向旋轉不受信號線的影響。速率陀螺用來提供外部干擾的速度反饋信息，根據文獻［3］的理論，系統在3個軸系上安裝了單自由度速率陀螺，1個在底座的垂直軸上，另2個安裝在方位軸平面上相互垂直的2個方向上。根據測得的速度大小可以反推出轉臺穩定所需要進行的速度補償

圖2 三坐標系空間關系示意圖Fig.2 Three coordinate system spatial relationship diagram

2 轉臺伺服控制硬件設計

光電跟蹤系統的主體由圖像采集處理單元和運動控制單元2個部分構成。傳統的設計中運動控制單元需要用到伺服控制器，涉及到復雜的系統建模以及控制算法，使得運動控制的可靠性不高。本次設計采用運動控制芯片來解決這一問題，既可完成復雜的運動控制，又可提高系統的集成度，降低了成本。

在本設計中，TMS320C6713的應用主要是作為圖像處理單元以及控制指令、參數發送單元。攝像機采集的圖像信號經過AD轉換由FPGA對其進行預處理，之后通過TMS320C6713進行圖像分割、匹配、跟蹤處理，得到目標與視軸中心的偏差量，然后TMS320C6713通過對運動控制芯片PCL6045B寄存器的訪問來發送控制參數以及指令，PCL6045B再根據指令以及反饋的電機運動信息調整驅動器輸出，對方位軸和俯仰軸電機進行控制，完成對目標的自動跟蹤。圖3所示為系統結構框圖。

圖3 系統硬件結構框圖Fig.3 System hardware structure diagram

2.1 TMS320C6713的EMIF接口配置

本次設計中的圖像處理單元必須擁有強大的運算處理能力，同時需要有一定的外部擴展接口，便于和后續的控制電路通信。TMS320C6713是一款功能強大的DSP，滿足設計中對圖像處理單元的要求，首先是可以同時處理8條32 bit的指令，其次是具有豐富的外部擴展功能，TMS320C6713的EMIF(外存儲器接口)是外部存儲器和TMS320C6713片內各單元間的接口，CPU訪問片外存儲器時必須通過EMIF，C6000系列的EMIF具有很強的接口能力，其數據總線寬度為32 bit，同時也提供對8/16 bit寄存器的讀寫支持，EMIF的可尋址空間一共有512 Mb，分為4個彼此獨立的空間CE0～CE3，可以進行不同的訪問控制，既提供了同步存儲器的高吞吐率接口，也支持異步存儲接口，而且異步接口速度、時序可編程。

本設計采用DSP和運動控制芯片的組合完成了轉臺伺服控制功能，作為一款功能強大的運動控制芯片，PCL6045B可以同時控制最多4個軸系的電機動作，具有比較優秀的控制性能，TMS320C6713與PCL6045B的接口示意圖如4所示。

圖4中，CE0為外部映射空間使能輸出;EA［2∶5］為外部地址輸出;ED［0∶15］為外部數據總線;AWE為異步存儲器寫使能輸出;ARE為異步存儲器讀使能輸出;EXT-INT4為外部中斷輸入;ARDY為異步存儲器準備輸入;RESET為復位輸入。

圖4 接口示意圖Fig.4 Interface diagram

除了硬件接口可以直接連接，在時序控制上還可以根據器件的情況靈活設置，EMIF的配置是通過對EMIF的控制寄存器設置完成的，主要是對CECTL0(CE0空間控制寄存器)的設置，CE空間控制寄存器對于讀/寫操作的建立、觸發和保持3個階段的時間可以進行獨立的設置，工作時首先是片選信號CE0和地址信號EA變為有效，然后是讀/寫信號ARE/AWE有效，之后結束1個訪問周期，完成讀/寫操作，設計中需要保證接口電路信號發送、接收的時序有效性，這在后續的軟件設計中體現。

2.2 PCL6045B的接口配置

本次設計中采用PCL6045B作為運動控制單元核心，作為一種通過總線接收CPU命令并產生高速脈沖控制電機的CMOS大規模集成芯片，芯片輸出脈沖頻率最高為6.5 MHz，可以提供各種脈沖控制功能，包括連續進給、定位、勻速回零、線性加速/減速、S曲線加減速以及動作中速度以及目標位置變更等;閉環以及補償控制是PCL6045B的重要功能，PCL6045B最多支持同時控制4個運動軸，支持中斷，并且可以向CPU提供PCL的工作狀態，還具有與伺服驅動器相連的驅動器接口，以上功能都可以通過比較簡單的指令實現，減少CPU控制電機產生的負擔。DSP通過總線訪問來對PCL進行控制，PCL芯片有4個地址線A［1∶4］，A3和A4控制軸地址;A1和A2控制軸命令、寄存器以及I/O口地址，如表1和表2所示。

表1 軸地址Tab.1 Shaft address

表2 每軸命令、buffer及IO口地址Tab.2 Command，buffer and IO address for every axis

指令控制過程如下:

1)向BUFW0和BUFW1中寫入運動參數的高、低一共32 bit。

2)向COMW中寫入寄存器控制指令，當寄存器控制指令寫入后，BUFW0和BUFW1中的運動控制參數會自動的寫入相應的寄存器中。

3)向COMW中寫入啟動命令等控制指令，之后系統會根據寄存器中設定的參數來控制電機運轉。

對系統狀態的讀取與指令的寫入類似，只不過先是設置寄存器控制指令，之后才讀取緩沖器中的數據。

3 轉臺伺服控制軟件設計

系統工作時，首先設置運動參數，進入數字引導模式，在確定了跟蹤目標之后進入自動跟蹤模式，系統根據目標運動情況調整運動控制參數自動跟蹤，在出現目標丟失跟蹤失敗或取消目標的情況下再次進入數字引導模式，系統軟件流程圖如圖5所示。

本設計中每30 ms更新一次數據 (主要是考慮到圖像采集的頻率)，包括新的位置信息以及速度信息，以單軸為例，控制器需要設置的速度符合式(3)，新位置s滿足式(4)，如下所示:

其中:Δs為下一時刻目標預測位置與當前位置差;vit為速率陀螺反饋速度。

系統的軟件設計采用C語言、匯編語言編寫，使用TI公司的CCS編程環境，分以下2個步驟:

1)設置TMS320C6713EMIF相關的寄存器，保證邏輯地址對應關系正確以及接口滿足各種時序要求;

2)對PCL6045B的訪問設置。首先是把運動控制參數傳遞給輸入輸出緩沖器BUFW0、BUFW1，之后發送控制器編碼到COMW，由于PCL6045B具有42個控制寄存器，而且支持預置寄存器功能，可以產生豐富的控制效果，達到各種控制要求，最后是發送控制指令編碼到COMW，PCL6045B支持單軸動作以及多軸同時動作，適用于各種情形。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Software flow diagram

4 結語

與傳統的伺服控制設計方法不同，本設計采用TMS320C6713 DSP和PCL6045B運動控制芯片的組合完成轉臺伺服控制功能，并且考慮到海洋環境的特殊性，加入由速率陀螺反饋構成的抗擾動設計，根據高性能的浮點DSP對圖像實時處理之后發送的目標偏差量等信息來控制運動控制芯片產生復雜的控制脈沖，驅動電機完成跟蹤功能，提高了系統的集成度以及可靠性，對轉臺伺服控制的設計有一定的借鑒意義。

［1］Ti公司.TMS320C6713 Digital Signal Processor Data Manual.TI公司，2004.

［2］NPM 公司.PCL6045B Data Sheet.AD 公司，2005.

［3］趙建川，薛樂唐.速率陀螺在船載地平式電視跟蹤儀視軸穩定中的應用［J］.光電技術應用，2009，24(1):22－25.

［4］李方慧，王飛，何佩琨，等.TMS320C6000系列 DSPs原理與應用(第2版)［M］.北京:電子工業出版社，2003.

［5］三恒星科技.TMS320C6713 DSP原理與應用實例［M］.北京:電子工業出版社，2009.

［6］葉佩青，張輝.PCL6045B運動控制與數控應用［M］.北京:清華大學出版社，2007.