摘要：电动伺服系统在体积、成本和控制性能等方面比电液伺服系统更为优越。探索了电动伺服负载模拟器的实现问题，结合数字信号处理器(DsP)开发现状，设计了基于直流伺服系统的电动伺服负载模拟器。
通过优化软、硬件结构，使该模拟器操作简便，具有二次开发能力，能够满足了大类高速高精度电动负载控制的要求。
关键词：电动负载模拟器；数字信号处理器；调理电路
0 引 言
在现代工业及国防中，各种复杂机械装置存在着大量负载，要对它们进行精确控制，并在线测试是不可行的。现在迫切需要能对实际应用巾的机械负载进行模拟的系统。电动伺服负载模拟器是负载模拟的一个新的发展方向，其具有小信号跟踪能力强，加载分辨率高，特性稳定，适合试验研究等特点。随着控制理论的发展和加载对象的日趋复杂，有必要开发高速、高精度且体积小、成本低的电动伺服负载模拟器。TMs320F2812指令执行速度可达150 MIPs，其高速计算能力及丰富的内部集成模块，不仪简化r外围模块的设计，同时也简化了应用程序的编写。基于数字信号处理器(DsP)的电动伺服负载模拟器可脱离开发环境，整体性能优良。
1 电动伺服负载模拟器总体设计及控制流程
系统的结构主要由以TMs320}2812为核心的控制器、直流伺服电机、直流伺服电机驱动器、光电编码器、串口通信模块及信号调理电路等组成，如图1所示。
系统的控制流程程如下：以TMS32012812为核心的加载控制器在接收到起动信号时通过D／A对驱动器输出控制信号，驱动器起动负载电机，负载电机将电能转换成机械能，产生对驱动电机的加载转矩，控制器通过对加载转矩的控制实现对负载的模拟。控制器接收反馈的速度信号和电流信号，判别工作状态，对驱动电机和负载电机进行实时控制。DsP通过scI串行接口电路与上位机通信，下载试验曲线、接收命令及上传试验数据结果。
2系统的硬件设计
2．1 电机和驱动器选择
该模拟器选用的电机是两套瑞士Maxon公司的永磁直流电机RE26，标称功率18 w，额定电压24 V，空载转速10 600 r／min速度／转矩47 5rpm／mNm，空载电流0．051 A，堵转电流lO．6 A，电机电阻2．27 n。直流电机驱动器是Maxon公司4一Q—Dc伺服放大器Lsc30／2，线性功放，对于永磁直流微电机，它具有很好的参数匹配功能；其有五种不同的工作模式：IYR补偿模式、自凋整运行模式、编码器调节、直流测速机调节及电流调节运行模式。根据系统的要求，选用电流调节模式。
驱动器输入电压范围为一10～+10 v，对应的输出电流为一2～+2 A。
2．2 DSF最小系统的设计
(1)cPu。tVIS320F812是德州仪器公司专门针对工业控制领域推出的低功耗、高性能32位定点DsP，cPu内部采用改进型哈佛结构，指令执行速度****可达150 MHz，片内资源丰富。
TMS320F2812特别适合于工业自动化、嵌入式系统、智能仪器仪表等需要高速数据处理的系统。
(2)外部RAM。控制器工作过程中需要对大量的加载波形数据及采集的转速数据进行处理。TMS：320F2812内部仅有18 K的RAM，显然无法满足需求，因此在TMs3：20F2812的外围扩展了一片：256KX16位的外部SRAM。选用cYPREss公司的cY7c1041cV33。
(3)系统复位引脚。复位电路包括上电复位和手动复位，手动复位采用TI公司的专用复位芯片TP$3823—33。
(4)时钟源模块。外部30 M有源晶振为DsP提供时基。时钟源模块采用内部锁相环(PLL)技术，对外部时钟频率进行5倍频，即可获得稳定的150 MHz cPu时钟，应该注意的是外部晶振的驱动电压是l 8 V。
(5)电源模块。TMS3201~2812供电方案采用了TI公司的双路输出低压差线性稳压器TP$76712)318，它能提供一路恒定的3．3 V电压和一路恒定的1．8 V电压。上电过程，首先是TP$767D318的第二路输出电压(3．3 V)上电，从而使得N沟道场效应管BSSl38的栅极电压达到闽值电压(典裂值为l 2 V)后，DSSl38导通，TP767D318的第一路输出电压允许信号为低电平，允许l.8 V上电，这样就确保了F2812对上电时序的要求。
2．3信号调理电路
DSP能接收的信号范围足O～3 v，从传感器返回的信号为不同类型、不同幅值范围的信号，因此需要对信号进行调理。同样DsP的输出信号也需要通过调理电路转换成其他元件能接收的信号。
(1)模拟量输入调理电路。本电动负载模拟器需要电流传感器来获得电机的电流，计算电机转矩。反馈电流调理电路包含了信号跟随、滤波、信号调节等。KT5A／Px为电流犁电流传感器，其感应出的电流信号经过一个200 n的精密电阻后变成电压信号。两个10 kn的电阻组成分压电路来增大传感器的输冉电流，提高信号的信噪比，增强系统的抗干扰能力。后一个10 kn电阻和电容组成阻容滤波电路。运算放大器的一路构成电压跟随器，另一路的功能是调节电压范围。信号经过极管构成的限幅电路，最后送入TMS320F2812的ADc模块。调理结构见图2。
(2)D／A电路。D／A负责向驱动器输出控制电压，如图3所示。
DAc7802为12位高速电流型D／A转换芯片，2通道，并行结构。DAc7802的数据线r)B0～DBll连接到DsP的I／0，构成数据通道，右侧以精密运放为核心的模拟电路将DAc7802输出的电流信号转换为双极性的电压信号，范围为一lO～+10 V。D／A模块输入输出特性如表l所示，本文采用的参考电压(即表l中的VREF)为10 V。
(3)位置与速度检测电路。系统采用光电编码器来测量电机的转速和位置。编码器输出的两通道差分信号经过四路差动线路接收器AM26Ls32后，变成单端信号输出，其可靠性得到了提高。单信号输入到DsP事件管理模块的正交编码脉冲(QEP)电路，由DsP计算电机的转速和位置，结构如图4所示。
3 电动伺服负载模拟器的性能分析
模拟器的性能反映在对复杂控制算法的实现能力及运算速度、精度、线性度、抗干扰能力和二次开发能力等方面，各性能又与控制器硬件结构相关。该模拟器cPu内部时钟为150 MHz，单指令执行周期为6．67 ns，其高速运算能力完全能满足实时陛的要求。采用了12位D／A，对于±10 V的模拟量，转换精度可达lO／2=2 44 mV，符合电动伺服负载模拟器高精度要求。在调试过程中测试了驱动器的线性度，结果如表2所示，线性度很理想。在信号调理部分采用了精密运放，利用了其良好的线性度、零漂小、抗干扰好等特性。较之传统的工业计算机系统，该电动伺服负载模拟器从成本、体积和精度上都具有优势。
4 系统的抗干扰措施
电动负载模拟器中干扰信号通过“场”和“路”的方式传递到控制电路中。因此在设计时必须考虑抑制下扰。数字信号输入端与模拟信号输入端尽量远离；地线和电源线加粗；将数字地、模拟地分开。电机电源线和长距离传输线等强电传输线采用屏蔽线，输入到DsP的信号，用硬件电路滤波处理。PcB板设计时，元件布局、不同信号的走线尽量做到干扰最小。软件抗干扰主要采用指令冗余技术、RAM数据保护、输出端口数据刷新等技术，以减轻硬件抗干扰负担。在实际调试过程中，通过抗干扰措施，凋试效果明显改善。
5 结 语
电动负载模拟器具有加载分辨率高、小信号跟踪能力强、系统特性稳定、体积小等特点。本设计把具有高速运算能力的TMs320F812运用到电动负载模拟器中，通过对电动负载模拟器整体方案的性能分析，证明了该电动负载模拟器设计方案的可行性。
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