基于工控PC+DSP控制器實現(xiàn)磁懸浮軸承控制系統(tǒng)的設計

引言

在五自由度主動磁懸浮軸承控制系統(tǒng)中，采用由工控PC+DSP控制器的架構是一種較好的方法，而DSP核心控制器則是磁懸浮軸承控制系統(tǒng)中非常重要的一部分，對主軸位置信號的精確采集是DSP控制器的首要任務。在本控制器中采用MAX115對主軸位置的模擬信號進行采集。

圖1 磁懸浮軸承DSP控制器的結構簡圖

圖2 MAX115與TMS320F240 DSP之間的接口電路圖

磁懸浮控制器中的ADC選擇

在磁懸浮主軸控制器的設計中，對主軸位置的測量是至關重要的。位置傳感器的信號經(jīng)過適當?shù)男盘栒{(diào)理電路處理后被傳送到A/D采樣通道，ADC把得到的模擬信號轉換成相應的數(shù)字信號，芯片采樣的精度和分辨率以及采樣轉換時間是非常重要的技術參數(shù)，它們直接決定著控制速度和控制精度。本控制器中采用的傳感器是一種電渦流位移傳感器。它是一種高精度無接觸式傳感器。

本系統(tǒng)要求能分辨1mm位置信號，根據(jù)傳感器的傳感特性，必須要求有至少為12位的分辨率。同時本系統(tǒng)中要求絕對精度不低于±1LSB。由于磁力軸承系統(tǒng)要求的控制周期很短（一般小于200ms），故要求ADC的采樣時間也必須很快（一般在20ms內(nèi)）。

綜上考慮選用Maxim公司的MAX115作為ADC來完成主軸位置信號的采集。MAX115是12位2×4通道同步采樣逐次比較型ADC，其具有兩組ADC，每組4通道連續(xù)采集保持；單通道轉換時間為2ms；轉換精度±1/2LSB；4通道傳輸率為16ksps；并且內(nèi)部具有2.5V參考電壓和10MHz時鐘，極大地精簡了外部附加電路；其高速的并行接口可以方便地與DSP相連。

MAX115與TMS320F240的接口電路

圖1是磁懸浮軸承DSP控制器的結構簡圖。圖中4路主軸位置信號經(jīng)由MAX115進行A/D轉換后，采集結果通過中斷方式輸入到DSP內(nèi)。DSP經(jīng)過濾波算法處理后，將采集數(shù)據(jù)寫到雙口RAM內(nèi)，計算機通過ISA總線訪問雙口RAM并將其中的數(shù)據(jù)取走，進行上位機的圖形顯示、數(shù)據(jù)分析等功能。同時DSP進行控制算法計算，計算之后將控制數(shù)據(jù)通過控制器板卡上的4路DAC輸出給功率放大器，從而實現(xiàn)對主軸的控制。這樣，利用DSP處理速度快的特點來完成算法的計算，利用PC機強大的多媒體處理特點來實現(xiàn)主軸位置監(jiān)視和數(shù)據(jù)分析，DSP和PC同時相對獨立工作，互不影響，從而加快了系統(tǒng)的處理速度。

MAX115和DSP硬件的接口設計如圖2所示，MAX115引腳A0-A3和引腳D0-D11是具有三態(tài)的雙向接口，可以直接和DSP相關引腳進行連接。為簡化電路設計和增加可靠性，系統(tǒng)中使用的是內(nèi)部基準電源，此時要將REFIN引腳接上一個0.1mF的旁路電容；同時使用內(nèi)部時鐘10MHz，并將CLK引腳接上VCC。

MAX115與TMS320F240進行接口設計時主要考慮兩個問題：一是MAX115數(shù)據(jù)線和控制模式線共用問題。由于MAX115的D1/A3，D0/A2為數(shù)據(jù)和地址共用引腳，但實際設計時不能將此引腳同時連接到DSP的地址線和數(shù)據(jù)線，此處即為DSP和MAX115接口連接的難點。本系統(tǒng)設計時用一種全新的方法來實現(xiàn)，因為DSP有16位的數(shù)據(jù)線，而MAX115只需要12位數(shù)據(jù)線和2根工作模式控制引腳，所以通過將DSP的14根數(shù)據(jù)線直接接到MAX115上的地址和數(shù)據(jù)線，即D0接AD_A0，D1接AD_A1，D2接AD_D0，D3接AD_D1，D4接AD_D2.。..。.D13接AD_D11，當對MAX115進行編程時，通過可編程邏輯器件MAX7128進行地址選通，MAX7128編程采用Altera公司的Max+plusⅡ集成環(huán)境，使用AHDL語言編寫。

MAX115的和信號線由DSP的和分別直接連接即可。通過DSP的數(shù)據(jù)線的D0-D3作為編程地址線從而對其工作模式進行編程。當A/D轉換結束后，要從ADC中讀取數(shù)據(jù)，讀到14位數(shù)據(jù)D13-D0時，再將所得數(shù)據(jù)左移2位，即屏蔽掉低2位無效的輸入后，即可得到12位A/D采集數(shù)據(jù)。另一個問題是MAX115與DSP接口的速度匹配問題，由于DSP速度過快，會導致MAX115無法正常工作，所以系統(tǒng)中采用軟件的方法插入等待狀態(tài)，具體操作見下文的軟件設計。

控制器中MAX115的片選（）信號、轉換開始（）信號及讀（）寫（）信號都是由MAX7128產(chǎn)生的。MAX7128編程方便，易于調(diào)試，用其實現(xiàn)快速地址選通等功能來加快系統(tǒng)的處理速度。其中DSP的參與地址譯碼。

軟件設計

DSP作為下層的CPU來控制數(shù)據(jù)采集的整個過程。本控制器設計使用的編程軟件是TI公司的CCS，采用C語言及嵌入式匯編編程，這樣編寫的程序簡潔，易于讀懂。

本控制器采用4通道連續(xù)轉換，A3A2A1A0=0011。上電后DSP給MAX115寫入工作方式，然后送信號，A/D轉換開始，轉換完成后，MAX115發(fā)出請求AD_INT變低，DSP中斷立刻開始讀取A/D轉換結果。MAX115的與DSP的XINT1相連，作為DSP的外部中斷輸入。當A/D轉換完成后，變低，DSP進入中斷服務程序，在中斷服務程序中將A/D轉換結果讀出。這種方法應用于快速轉換，只要中斷來了便進行轉換，充分利用了CPU的資源。下面給出了中斷方式下DSP控制A/D轉換的部分程序。其中主要以中斷子程序為主，其它中斷初始化及其DSP中斷向量程序均省略。

_

____ A/D轉換電路 _____

data＝0X03;　　　　　　　　　　　/*MAX115工作方式選擇A3A2A1A0=0011*/

asm（“ OUT _data，0003h ”）;

/*選擇ADC，并寫入工作模式*/

asm（“rpt XXX ”）;

/*XXX為一個數(shù)值 其大小應根據(jù)實際調(diào)試而決定*/

asm（“ nop ”）;

/*延時 匹配速度*/

asm（“ OUT _data，1003h ”）;

/*A/D轉換開始用地址1003h來選中信號*/

_____A/D轉換結果的讀取_____

void AD_INT（）

{ asm（“ IN _ad_result1，0003h ”）; /*讀入AD_CH1A轉換結果*/

ad_result1=ad_result1&0x0fff;

ad_result1=ad_result1*2;

/* CH1A通道最后結果ad_result1*/

asm（“ rpt XXX ”）;

asm（“ nop ”）;

asm（“ IN _ad_result2，0003h ”）; /*讀入AD_CH2A轉換結果*/

ad_result2=ad_result2&0x0fff;

ad_result2=ad_result2*2;

/* CH2A通道最后結果ad_result2*/

asm（“ rpt XXX ”）;

asm（“ nop ”）;

asm（“ IN _ad_result3，0003h ”）; /*讀入AD_CH3A轉換結果*/

ad_result3=ad_result3&0x0fff;

ad_result3=ad_result3*2;

/* CH3A通道最后結果ad_result3*/

asm（“rpt XXX ”）;

asm（“ nop ”）

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