基于TMS320F2812的调光器系统的设计
2014-07-19李立凯杨帆杨宁
李立凯 杨帆 杨宁
摘 要： 为解决因仿真设备的屏幕凹凸不平而使其反射特性存在剧烈闪烁，从而影响其仿真试验的置信度，提出在入射光处加调光器。设计基于TMS320F2812芯片的调光器系统，给出系统软硬件设计。该系统在PID控制基础上，添加前向反馈控制环节，增加了系统的跟踪特性。依据理论推算和大量测试结果，确定系统参数，结果表明该系统能够满足实际要求。
关键词： 运动控制； TMS320F2812； 调光器； 绝对位置； PID
中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）10?0110?03
Abstract： A design scheme putting a dimmer before the incident light is proposed to solve the intense flash existing in display reflection due to the uneven display of the simulation device. The dimmer system based on TMS320F2812 chip was designed. The system hardware and software design process is given in this paper. The innovation is that adds a forward feedback control link based on the PID control， and increases the tracking characteristics of the system. According to theoretical calculation and results of extensive testing， the system parameters has been confirmed. The results show that the system meets the actual requirements.
Keywords： motion control； TMS320F2812； dimmer system； absolute position； PID
为满足面阵CCD航空相机获得清晰图像的需要，设计了一种以数字处理芯片TMS320F2812为核心的调光控制器。仿真设备因屏幕出现凹凸不平，反射特性存在剧烈闪烁，影响其仿真试验的置信度[1?4]，特进行改造。需在其入射光处加调光器。为了保证面阵CCD器件的曝光时间与地面景物照度相匹配，做到既不过曝光也不欠曝光，正确反映景物细节，并获得较高的判读效果，必须进行自动调光控制[1，3，5]。本文详细阐述了基于TMS320F2812芯片的调光器系统软硬件设计，系统设计电路简单， 处理速度快， 容易用软件编程实现调光算法和控制信号的产生， 工作稳定，可靠性和精度较高。
1 调光器系统工作原理
调光器是在目标模拟器出口处增设调光器即光能调节装置，工作时调光器与周视镜联动。当目标景像经大屏幕上某位置反射后，调光器要据位置信息查表获得目标景像光能，若目标景像光能低于平均值，转动调光器，增大目标模拟器出射光能，进行补偿。反之，当目标景像经大屏幕上某位置反射后，目标景像光能高于平均值时，转动调光器，减小目标模拟器出射光能，进行修正，最终达到仿真试验时，武器接收到目标景像的光能不受大屏幕反射特性影响[6?7]。
调光器控制系统原理框图如图1所示。事先将屏幕上与位置对应的反射特性二维数表测量好并存储在控制计算机内；仿真设备将试验时的二维位置信息以两路模拟量的形式实时传送给控制计算机，控制计算机根据屏幕的位置信息查找二位数表，并进行二元插值处理，获得屏幕上该点位置的反射特性，计算出调光器动盘的目标旋转角度；控制计算机通过编码器读出当前的绝对位置，比较后将速度信号以PWM的形式传送给驱动器，由驱动器驱动调光器动盘动作，即由驱动器完成电流环、速度环的控制，由控制计算机完成位置环的控制。
调光器不但要求较快的动态特性，而且要求有很高的位置精度。
2 硬件设计
调光器控制系统主要由以下几部分组成：驱动器，直流力矩电机，光电编码器，信号调理板和TMS320F2812开发板组成。
经过计算，调光器总转动惯量为18 345 g·cm2，再由调光器的加速度指标，可以算出其最大力矩为1.15 Nm选用成都精密电机厂生产的J75LYX02D1型分装式直流力矩电机，其峰值堵转转矩为2 N·m，连续堵转转矩为1 N·m，最大空载转速为600 r/m。
驱动直流力矩电机需要27 V电源，峰值堵转电流5.0 A，连续堵转电流2.5 A。经反复比较，选用美国Copley公司的Accelent Micro Panel直流电机驱动器。其连续输出电流达6 A，峰值输出电流可达18 A，完全能够满足本系统的需要，并有足够的裕度。其反馈信号可接收编码器输出的A，B信号和旋转变压器输出的正余弦信号。
在此选用以色列Netzer公司的RE2?052012?A?032B?S型高精度绝对型光电编码器，其分辨率为每转32 768个脉冲（15位），精度可达±0.05°。能够满足本系统的要求。该光电编码器同时具有增量位置输出和绝对位置输出，其增量位置输出接驱动器，绝对位置输出接DSP芯片，完成调光器位置环的控制。
由于TMS320F2812芯片所有IO口只能接3.3 V电压，而其他器件均为TTL电平，因此在TMS320F2812和其他器件通信时要进行电平的转换。电平转换由6N137和74LS07芯片完成；光电编码器输出的信号为差分信号，选择SN75175和SN75174完成差分信号和单极性信号之间的转换。控制芯片需要通过A/D转换器采样仿真计算机发出的模拟信号和外部信号源提供的测试信号，为了测试系统的性能，需要将电机实际位置转换后通过D/A输出。选择了AD767和AD7892芯片来完成模拟信号采样和D/A输出。
3 软件设计
软件部分主要由以下模块构成：输入/输出模块，主程序模块，PID模块，测试模块，插值模块。输入/输出模块包括LED显示模块和读取光电编码器绝对位置模块。
主程序模块主要进行CPU，PIE中断向量表、I/O口、A/D、定时器及功能函数的初始化。设置中断时间、指定中断服务程序、读取绝对位置和跟踪绝对位置、调用PWM函数，主程序流程图如图2所示。
程序设置的中断时间为200 μs，当没有中断时一直显示角度，当中断来到后执行中断服务子程序。中断服务子程序主要是完成使能中断组、清除定时器中断标志、定时器重装、调用设置命令位置函数和PID函数。
调光器位置环控制主要采用PID控制，并且加入了前馈控制。在实验过程中，只用PID控制无法满足系统的带宽要求，加入了前馈控制后，可以满足系统的带宽要求。为了保证其低速时的平稳性，在误差较小时调整了PID的参数。PID模块的程序流程图如图3所示，
测试模块主要是为了完成项目的验收和校准。
4 测试结果
5 结 语
前馈控制可以很好地改善系统的跟踪性能，即减小相差，调光器位置环在PID控制的基础上加入前馈控制后，可以显著地提高系统的跟踪性能，使调光器系统满足要求。同时，在加入前馈控制后，系统的抗干扰能力会有所降低。因此，要适当控制系统前馈系数。
参考文献
[1] 林青松，田付冬.AqBiss光电编码器在调光器中的应用[J].通信技术，2009，42（9）：38?40.
[2] 蒋利勇，李伟光.绝对式光电编码器的接口装置设计与应用[J].装备制造技术，2007（5）：62?64.
[3] 张宝泉，雷金利，赵创社.基于DSP的高速运动控制器的设计[J].制造技术与机床，2007（7）：94?96.
[4] 李娜，丁亚林.基于TMS320F2812控制器的自动调光系统设计[J].中国光学与应用光学，2009，2（4）：340?345.
[5] 孙莹，万秋华，王树洁，等.航天级光电编码器的信号处理系统设计[J].光学与精密工程，2010，18（5）：1182?1187.
[6] 陶仁浩.基于增量式光电编码器的高精度位置检测技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2012.
[7] 黄磊.基于DSP的无刷直流电机运动控制系统研究[D].西安：西安工业大学，2013.
3 软件设计
软件部分主要由以下模块构成：输入/输出模块，主程序模块，PID模块，测试模块，插值模块。输入/输出模块包括LED显示模块和读取光电编码器绝对位置模块。
主程序模块主要进行CPU，PIE中断向量表、I/O口、A/D、定时器及功能函数的初始化。设置中断时间、指定中断服务程序、读取绝对位置和跟踪绝对位置、调用PWM函数，主程序流程图如图2所示。
程序设置的中断时间为200 μs，当没有中断时一直显示角度，当中断来到后执行中断服务子程序。中断服务子程序主要是完成使能中断组、清除定时器中断标志、定时器重装、调用设置命令位置函数和PID函数。
调光器位置环控制主要采用PID控制，并且加入了前馈控制。在实验过程中，只用PID控制无法满足系统的带宽要求，加入了前馈控制后，可以满足系统的带宽要求。为了保证其低速时的平稳性，在误差较小时调整了PID的参数。PID模块的程序流程图如图3所示，
测试模块主要是为了完成项目的验收和校准。
4 测试结果
5 结 语
前馈控制可以很好地改善系统的跟踪性能，即减小相差，调光器位置环在PID控制的基础上加入前馈控制后，可以显著地提高系统的跟踪性能，使调光器系统满足要求。同时，在加入前馈控制后，系统的抗干扰能力会有所降低。因此，要适当控制系统前馈系数。
参考文献
[1] 林青松，田付冬.AqBiss光电编码器在调光器中的应用[J].通信技术，2009，42（9）：38?40.
[2] 蒋利勇，李伟光.绝对式光电编码器的接口装置设计与应用[J].装备制造技术，2007（5）：62?64.
[3] 张宝泉，雷金利，赵创社.基于DSP的高速运动控制器的设计[J].制造技术与机床，2007（7）：94?96.
[4] 李娜，丁亚林.基于TMS320F2812控制器的自动调光系统设计[J].中国光学与应用光学，2009，2（4）：340?345.
[5] 孙莹，万秋华，王树洁，等.航天级光电编码器的信号处理系统设计[J].光学与精密工程，2010，18（5）：1182?1187.
[6] 陶仁浩.基于增量式光电编码器的高精度位置检测技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2012.
[7] 黄磊.基于DSP的无刷直流电机运动控制系统研究[D].西安：西安工业大学，2013.
3 软件设计
软件部分主要由以下模块构成：输入/输出模块，主程序模块，PID模块，测试模块，插值模块。输入/输出模块包括LED显示模块和读取光电编码器绝对位置模块。
主程序模块主要进行CPU，PIE中断向量表、I/O口、A/D、定时器及功能函数的初始化。设置中断时间、指定中断服务程序、读取绝对位置和跟踪绝对位置、调用PWM函数，主程序流程图如图2所示。
程序设置的中断时间为200 μs，当没有中断时一直显示角度，当中断来到后执行中断服务子程序。中断服务子程序主要是完成使能中断组、清除定时器中断标志、定时器重装、调用设置命令位置函数和PID函数。
调光器位置环控制主要采用PID控制，并且加入了前馈控制。在实验过程中，只用PID控制无法满足系统的带宽要求，加入了前馈控制后，可以满足系统的带宽要求。为了保证其低速时的平稳性，在误差较小时调整了PID的参数。PID模块的程序流程图如图3所示，
测试模块主要是为了完成项目的验收和校准。
4 测试结果
5 结 语
前馈控制可以很好地改善系统的跟踪性能，即减小相差，调光器位置环在PID控制的基础上加入前馈控制后，可以显著地提高系统的跟踪性能，使调光器系统满足要求。同时，在加入前馈控制后，系统的抗干扰能力会有所降低。因此，要适当控制系统前馈系数。
参考文献
[1] 林青松，田付冬.AqBiss光电编码器在调光器中的应用[J].通信技术，2009，42（9）：38?40.
[2] 蒋利勇，李伟光.绝对式光电编码器的接口装置设计与应用[J].装备制造技术，2007（5）：62?64.
[3] 张宝泉，雷金利，赵创社.基于DSP的高速运动控制器的设计[J].制造技术与机床，2007（7）：94?96.
[4] 李娜，丁亚林.基于TMS320F2812控制器的自动调光系统设计[J].中国光学与应用光学，2009，2（4）：340?345.
[5] 孙莹，万秋华，王树洁，等.航天级光电编码器的信号处理系统设计[J].光学与精密工程，2010，18（5）：1182?1187.
[6] 陶仁浩.基于增量式光电编码器的高精度位置检测技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2012.
[7] 黄磊.基于DSP的无刷直流电机运动控制系统研究[D].西安：西安工业大学，2013.
