嵌入式多軸運動(dòng)控制系統軟硬件實(shí)現方案

當前，基于PC和運動(dòng)控制器的開(kāi)放式數控系統得到了很大發(fā)展，運動(dòng)控制器在系統中接收PC控制指令，運算后轉換成控制信號到伺服驅動(dòng)部分，從而快速構建數控平臺。開(kāi)發(fā)人員可以根據運動(dòng)控制器提供的驅動(dòng)程序，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，滿(mǎn)足用戶(hù)的各種特殊需求。目前，PC和運動(dòng)控制器構成的開(kāi)放式數控系統的研究核心在于運動(dòng)控制器的關(guān)鍵技術(shù)，因為數控機床的高速、高精和高可靠性等指標主要取決于運動(dòng)控制器的性能。數字信號處理器(DSP)的發(fā)展，使運動(dòng)控制過(guò)程的運算能力有了很大程度的提高，利用DSP開(kāi)發(fā)的運動(dòng)控制器性能越來(lái)越穩定，功能也日趨強大。DSP強大的運算能力使運動(dòng)控制過(guò)程中復雜的運動(dòng)控制算法能夠得到很好的支持，使運動(dòng)控制系統能有效進(jìn)行運動(dòng)規劃、高速實(shí)時(shí)多軸插補、誤差補償和更復雜的運動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)計算，使得運動(dòng)控制精度更高、速度更快、運動(dòng)更加平穩。因此，以DSP為控制核心結合FPGA模塊的嵌入式運動(dòng)控制器成為發(fā)展的主流。

運動(dòng)控制器中運動(dòng)控制算法作為關(guān)鍵技術(shù)，其復雜程度、精確性、可靠性直接影響控制系統的控制性能。因此，對相關(guān)運動(dòng)控制算法及其在運動(dòng)控制器中的實(shí)現進(jìn)行研究，有利于達到控制過(guò)程的高速、高精度和高可靠性。

本課題研究?jì)热?/p>

本論文工作的主要研究?jì)热菔窃O計研究基于PCI總線(xiàn)并以DSP為核心的運動(dòng)控制卡，對運動(dòng)控制卡的硬件部分進(jìn)行設計，并在此基礎上對運動(dòng)控制卡的軟件進(jìn)行設計，從而可以為后續開(kāi)發(fā)研制成熟產(chǎn)品提供良好的軟硬件平臺。主要的研究?jì)热萑缦拢?/p>

1.運動(dòng)控制卡總體方案設計。對運動(dòng)控制卡的整體結構進(jìn)行分析，利用模塊化設計的思想設計一些主要功能，并在此基礎上設計本運動(dòng)控制卡的總體設計方案，主要包括硬件部分的設計方案和軟件部分的設計方案。

2.運動(dòng)控制卡的硬件設計。根據運動(dòng)控制卡的硬件設計方案，對DSP芯片和PCI接口芯片等主要芯片的功能和特點(diǎn)進(jìn)行研究，選擇適合本運動(dòng)控制卡的芯片。在此基礎上進(jìn)行運動(dòng)控制卡的硬件設計工作，包括DSP的電源電路模塊、時(shí)鐘電路模塊、JTAG接口模塊、外擴存儲器模塊、步進(jìn)電機的驅動(dòng)模塊、上下位機通訊模塊以及輸入輸出接口模塊的設計工作，在提高系統的穩定性方面，需要進(jìn)行硬件抗干擾設計。

3.系統軟件設計。并采用模塊化程序設計方法，對DSP主控程序進(jìn)行設計，包括DSP初始化模塊、DSP與PC機的實(shí)時(shí)通信模塊設計;在插補控制算法上，利用比逐點(diǎn)比較法精度更高的最小偏差法，設計直線(xiàn)和圓弧的插補算法并給出插補流程圖。

運動(dòng)控制器設計要求

本文設計的運動(dòng)控制器要求能應用于數控行業(yè)、機器人控制系統等領(lǐng)域。要求高速處理數據的能力，具有高集成度、高可靠性。主要性能指標和技術(shù)要求如下：

(1)具有4路模擬信號輸出，輸出電壓范圍為-10V 到+10V，同時(shí)具有 4路脈沖信號輸出，脈沖輸出頻率可達 4MHz，能控制交、直流步進(jìn)電機和伺服電機。

(2)具有 4 路正交編碼器信號輸入接口，能采集 4 路增量式光電編碼器反饋信號，采集頻率可達 2MHz，能實(shí)現對電機速度和位置的實(shí)時(shí)檢測，滿(mǎn)足速度閉環(huán)和控制閉環(huán)控制系統的需要，位置寄存器的長(cháng)度達到 32 位。

(3)設計并行通信接口能與 PC 機實(shí)現高速實(shí)時(shí)通信，同時(shí)設計 RS232 通信接口。

(4)采用開(kāi)放式模塊化設計，同時(shí)實(shí)現高集成度。

(5)具有豐富的 I/O 接口，以實(shí)現對電機的控制和其他開(kāi)關(guān)量信號的控制，比如限位信號、報警信號、原點(diǎn)檢測等。

(6)具有高速的運算處理能力，系統反應快，系統時(shí)鐘頻率為 150MHz。

(7)具有 S 曲線(xiàn)、T 型曲線(xiàn)、電子齒輪等運動(dòng)控制方式，同時(shí)能實(shí)現多軸插補功能，能實(shí)現較復雜的算法。

(8)具有良好的軟件接口和功能豐富的函數庫，滿(mǎn)足多方面應用的需要。在實(shí)現上述性能與指標的同時(shí)，在設計中我們還應該遵循可靠性、模塊化、整體性、低成本等原則以此增強產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭力。

設計方案：

電源電路負責提供各模塊的電源，對 DSP 進(jìn)行了 SRAM 和 FLASH 擴展，時(shí)鐘電路負責提供 DSP 和 FPGA 所需的時(shí)鐘信號，雙口 RAM用于負責 DSP 與 PCI總線(xiàn)的并行通信，電平轉換電路負責 RS232 與 DSP 之間的電平轉換。I/O 隔離負責各路 I/O 信號的光電隔離，專(zhuān)用輸入/輸出是一些電機控制中所必須有的 I/O 信號，通用輸入/輸出可用于其它 I/O 信號的控制，在 FPGA 模塊中設計了 D/A 轉換電路、脈沖輸出電路和編碼器輸入模塊。

脈沖輸出接口模塊主要任務(wù)是發(fā)送脈沖序列和方向指令給伺服驅動(dòng)器，實(shí)現對電機的位移，速度，方向的控制。編碼器電路則是實(shí)現電機狀態(tài)的反饋，包括方向、速度等。A/D、D/A 模塊主要實(shí)現運動(dòng)控制器跟伺服電機間模擬量與數字量之間的處理。I/O 接口則實(shí)現各種開(kāi)關(guān)量信號的控制。本文沒(méi)有設計 A/D 轉換模塊，因為 DSP 自帶的 A/D 轉換接口可以滿(mǎn)足需求。在精度要求高的數控工業(yè)制造時(shí)可以用高精度 A/D 轉換芯片(如 AD7663)來(lái)實(shí)現，通過(guò) FPGA 設計的A/D 接口傳遞給 DSP。

軟件總體設計

整個(gè)運動(dòng)控制軟件系統可分為兩大塊：PC 層的軟件和 DSP 層的軟件。人機交互界面主要是提供包括工藝流程、軌跡規劃、狀態(tài)監控等功能，提供用戶(hù)操作的界面環(huán)境。初始化程序后，對人機界面輸入的數據進(jìn)行處理，代碼編譯生成相應的控制指令。設備驅動(dòng)程序接口層是與硬件相關(guān)的一層，負責對運動(dòng)控制器的硬件設備進(jìn)行管理和控制，同時(shí)進(jìn)行數據通信處理。DSP層的軟件通過(guò)對 PC層傳遞下來(lái)的指令代碼進(jìn)行解析，然后實(shí)施具體的插補算法運算，并控制電機運動(dòng)。同時(shí)將底層的狀態(tài)信息反饋給 PC 機。