【期刊】基于DSP的伺服运动控制器研究与开发.pdf

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1、自动化技术与应用2 0 0 8 年第2 7 卷第6 期T 业手空韦U 与应用基于DSP 的伺服运动控制器研究与开发范庆彬(哈尔滨理工大学后勤集团，黑龙江哈尔滨15 0 0 8 0)摘要：根据开放式运动控制的要求，以D S P 和C P L D 为核心设计了能实现高速、高精度插补功能的开放式伺服电机运动控制器。介绍了控制器硬件构成、工作原理。控制器通过P C I 或U S B 总线与上位机通讯，位置环采用速度、加速度前馈P I D 控制算法。实验和仿真结果表明控制器控制实时性好，跟随误差小，加工精度高。关键词：开放式运动控制器；D S P C P L D中图分类号：T P 2 4 2 2文献标识

2、码：B文章编号：1 0 0 3 7 2 4 1(2 0 0 8)0 6 一0 0 3 2 0 3T h eD e v e l o p m e n to faD S P-B a s e dS e r v oM o t i o nC o n t r o l l e rF A NQ i n g-b i n(S e r v i c eG r o u p，H a r b i nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y H a r b i n1 5 0 0 8 0C h i n a)A b s t r a c t：T h i s

3、p a p e rp r e s e n t sa no p e nc o n t r o l l e rb a s e do nD S Pa n dC P L D T h ec o n t r o l l e rc a np e r f o r mh i g hs p e e da n dh i g ha c c u r a c yi n t e r p o l a t i o n T h eh a r d w a r ea n dt h ep r i n c i p l eo ft h em o t i o nc o n t r o l l e ra r ei n t r o d u c

4、e d T h ec o n t r o l l e rc o m m u n i-c a t ew i t ht h eu p p e rc o m p u t e rt h r o u g hP C Io rU S Bb u sT h ec o n t r o la l g o r i t h mo ft h ep o s i t i o nl o o pi st h eP I Dl a ww i t hs p e e da n da c c e l e r a t i o nf e e d f o r w a r d E x p e r i m e n t sa n ds i m u l

5、 a t i o nr e s u l t sa r eg i v e n K e y w o r d s：O p e nm o t i o nc o n t r o l l e r；D S P；C P L D1引言运动控制器是数控机床、机器人等一类机电一体化设备中常用的核心运动控制部件。现代数控技术对运动控制系统的开放性、实时性、加工速度和精确度等性能指标提出了越来越高的要求。随着集成电路技术，微电子技术、计算机技术不断发展，运动控制器已经从以单片机、微处理器和专用芯片作为核心的运动控制器发展到基于P C 机平台的以数字信号处理器(D S P)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)作为核心处理器的

6、协处理架构的开放式运动控制器。这种将PC 机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器很强的运动轨迹控制能力有机地结合在一起，具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确和通用性好的特点。这种模式在一个统一的人机对话平台上，通过DSP 算法和C P L D 配置进行适当的调整来实现不同的硬件功能模块，可以方便地和多种类型的驱动器进行连接。因此现收稿日期：200 8 03 12在基于PC 的新一代运动控制器成为控制系统的主流和发展方向【2 1。本文开发的开放式运动控制器以PC 机为平台，完成坐标变换、轨迹规划、粗插补运算等控制指令的设置和发送，同时可以实时显示当前伺服系统的运动位置、速度和电机

7、状态等参数。运动控制器以D S P 芯片作为核心处理器，完成数据处理和控制算法，进行保护中断的处理，通过P C I 或U S B 总线与P C 机实时通讯。C P L D 芯片作为协处理器完成编码信号的采集，鉴相处理，对脉冲和模拟量进行配置和输出，把D S P 处理过的控制数据经过内部转换送到外部设备，并管理D S P 和各种外部设备的接口。该运动控制器可以完成非匀速比同步运动控制，支持N U R B S 插补，并提供了丰富的动态链接库函数。2运动控制器工作原理和硬件构成该控制器可实现四路编码器反馈和电机控制，其核万方数据工业 空带U 与应用自动化技术与应用2 0 0 8 年第27 卷第6 期

8、心是T I 公司的T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 数字信号处理芯片和A L T E R A 公司的M A X7 0 0 0 S 系列C P L D 器件E P M 7 1 2 8 S L C 8 4。控制器的硬件结构如图1 所示。D S P完成与上位机的实时通讯，对伺服电机速度和位置的精确控制，电机状态监测和外部信号检测等功能。双口S R A M(D U A L P O R TS T A T I CR A M)不仅提供控制器与上位机的通讯接口，而且还为运动轨迹控制提供了足够的缓冲区。由于一片D S P 只提供两组正交编码脉冲(Q E P)电路，对于多于两个电机的控制器，若用多片

9、D S P 不仅会造成D S P 资源的浪费，而且还会增加由于协调D S P 之间的工作而产生的难度，因此这里我们用C P L D 来提供另外两组正交编码脉冲电路，对速度、位置进行采样，同时用C P L D 提供高速稳定的其它逻辑控制电路。P 上C I 毫噬线L 牛剿T M S 3 璐2 0 P L F 2 4 0，睦雪R 一篇因匡畔运动控制器由基板和接口卡组成，集成了D S P 核心电路，通信电路，C P L D 译码、中断、正交编码处理电路，编码器信号处理电路，电压转换电路，光电隔离电路等。运行过程中，P C 机把粗插补的数据通过I S P-1 5 8 1 芯片传递给D S P 进行时间分

10、割精插补。在每一个伺服周期中，C P L D 器件和D S P 各处理两路反馈的正交编码信号进而获取实时位置和速度，D S P 计算出理论插补位置与实际位置的偏差，基于速度和加速度前馈进行P I D 调节，计算获得速度控制量，产生的输出信号经D A C 7 6 2 5 进行数模转换及放大电路放大后将模拟电压发送至伺服驱动器以控制电机。D S P 两个事件管理模块中的正交编码脉冲(Q E P)电路可以实现对两对正交编码信号的四倍频和方向检测，其定时器工作在增减计数模式，依据电机运行情况进行计数。根据不同伺服周期定时器内数值的变化，可以计算获得电机的实际位置，由M T 测速法可求得其运行速度。另外

11、两个电机的反馈信号由E P M 7l2 8 进行处理，D S P 与之通讯以获取电机运行信息。扩展4 个3 2位寄存器用来存储电机当前位置，通过实时从计数器读取每个伺服周期走过的脉冲数与之累加实现。每隔一定的伺服周期，将4 个1 6 位的计数器赋初值3 2 0 0 0 使之重新计数。2 1C P L D 处理电路C P L D 主要包括正交编码检测逻辑电路，D S P 地址译码电路和计数器及中断逻辑四个部分，它对两个正交编码输入四倍频后进行计数，反馈给D S P。正交编码脉冲电路的方向检测逻辑决定了输入序列中的哪一个是先导序列，接着就产生方向信号作为计数器的计数方向输入。如果Q E P1 是先

12、导序列，则所选的定时器增计数；如果Q E P 2 是先导序列，则所选的计数器减计数。正交编码脉冲电路对输入的两列脉冲的两个边沿都进行计数，因此，由它所产生的时钟频率是每个输入脉冲序列频率的四倍。中断逻辑，限位和报警等信号产生时向D S P 申请中断。每个轴的正负限位信号、归零信号和报警信号，四个轴共计1 6 个信号，这些信号相或，只要有一个信号产生时就产生一个上升沿信号，此上升沿触发D S P 中断，D S P 以查询方式判断是哪个信号产生的中断。2 2 控制卡通讯及接口早期P C 机通过I S A 总线实现对电机的控制，但响应速度慢，实时性差，后来的P C I 局部总线，解决了I S A的传

13、输速度慢等问题。近几年通用串行总线USB(U n i v e r s a lS e r i a lB u s)以其较快的传输速率和支持热插拔等诸多优点而受到用户的广泛受青睐。得到了许多硬件和软件厂商的支持。U S B2 0 接口的最高传输速率由1 2 M b s 提高到了4 8 0 M b s，能够更好地支持数据实时传输。把U S B 引入运动控制器，实现了运动控制器的热插拔，解决了计算机接口资源有限等问题，满足了多轴运动控制卡对数据实时通讯的需要【3 1。为提高运动控制器硬件上的开放性，开发了通用的接口卡，辅助完成基板与外部的通讯。除了进行反馈信号等的必要传输外，还提供了电机的限位、回零、报

14、警、伺服使能等信号和通用I 0 各8 路。为防止外界信号干扰，保证控制器的可靠性和安全性，输入输出信号都经由T L P 5 21进行光电隔离。3速度、加速度前馈P ID 控制算法本控制器采用典型的三环调节，其中速度调节器和电流调节器的功能由伺服电机驱动器完成，电流环用来万方数据自动化技术与应用2 0 0 8 年第2 7 卷第6 期工业控制与应用提高系统的动态响应指标，增强系统抗干扰能力；速度环用于调节伺服电机的转速。位置闭环调节原理框图如图2 所示，它包括位置P I D 调节和速度、加速度前馈，由运动控制器底层程序完成，用于实现精确定位，回零等，输出饱和控制可保证输出电压不会超过设定范围。图2

15、伺服电机位置环系统结构图位置环的计算公式为：色=雌甜L 一(k(1)以=毛+(E 一k+l 邑K，2 5 6+V+4(2)、B其中E 为第n 个采样时刻的位置误差，匕锕为第n个采样时刻的目标位置，乞删为第n 个采样时刻的实，一、际位置；U。为位置环输出速度指令电压；I E。I 为第nn个采样时刻的累积误差值，V 为当前目标速度，K 谛为速度前馈增益；A 为当前目标加速度IK 西为加速度前馈增益；K。、匠，钇分别为比例、微分和积分增益。4M a t l a b 仿真及结果分析基于K L D-2 0 0 二维数控平台进行仿真。平台由两个P a n a s o n i c 公司的M S M A 0

16、1 2 A1 E 伺服电机及配套的M S D A 0 1 3 A 1 A 驱动器进行控制。电机最高转速为3 0 0 0 R P M，功率1 0 0 W，增量式编码器，2 5 0 0 P r，丝杠导程为4 m m r。取K，=1 0 0，墨=1 2、髟=2 进行仿真。Y轴电机速度曲线与余弦曲线类似，跟随误差曲线如图3所示。无前馈情况下电机跟随误差从开始的63 个脉冲在0 1 3 7 秒后上升到1 1 4 个脉冲，随后作类似余弦曲线的变化。引入前馈后，跟随误差从开始的6 3 个脉冲迅速上升到1 0 9 个脉冲，然后逐渐下降，在大约0 2 秒后稳定在2 个脉冲之间。可见，速度和加速度前馈大大减小了系

17、统的跟随误差。利用自己开发的运动控制器对数控平台反复进行控制实验，效果良好。梯形曲线控制实验中，设定加速度为l O r e v s 2，目标速度3 0 0 R P M，位移1 2 0 r a m。到达目标速度后，驱动器显示的电机速度波动范围在2 R P M 之间。利用V C 的O n T i m e r()函数实时获取位置信息并进行显示，可以看出，到位后的最大超调量约为5 1 0 个脉冲，稳态误差在-t-2 个脉冲之内，小于l m m。”图3跟随误差比较结束语本运动控制采用基于D S P 和C P L D 的硬件方案充分发挥了D S P 芯片实时高效的处理能力，系统设计合理，可以实现变传动比的

18、电子齿轮和多轴插补功能。控制器采用了基于速度和加速度前馈的P I D 调节和N U R B S插补等先进理论，实验和仿真结果表明，该运动控制器实时性好，控制精确度高，跟随误差小，理论跟随误差小于2 个脉冲，位置控制误差小于1m m，可以满足高速高精度加工的要求。参考文献：【l】张广立，谈世哲等基于W i n d o w sN T 的开放式机器人控制系统 J】机器人，2 0 0 2，2 4(5)：4 4 3 4 4 6【2】E R O LN A，A L T I N T A SY，I T OM R O p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r em o d u l

19、 a rt o o lk i tf o rm o t i o na n dm a c h i n-i n gp r o c e s sc o n t r 0 1 I E E E A S M ET r a n s a c t i o n so nM e c h a t r o n i c s，2 0 0 0，5(3)：2 8 1-2 9 1【3】方沛昱，李兴根基于U S B 总线的电机控制方案【J】微特电机，2 0 0 4，(3)：2 8-2 9作者简介：范庆彬(19 72 一)，男，工程师，研究方向：自动化技术与应用万方数据基于DSP的伺服运动控制器研究与开发基于DSP的伺服运动控制器研究与开

20、发作者：范庆彬，FAN Qing-bin作者单位：哈尔滨理工大学后勤集团,黑龙江哈尔滨,150080刊名：自动化技术与应用英文刊名：TECHNIQUES OF AUTOMATION AND APPLICATIONS年，卷(期)：2008，(6)引用次数：0次 参考文献(3条)参考文献(3条)1.张广立.谈世哲.杨汝清 基于Windows NT的开放式机器人控制系统期刊论文-机器人 2002(5)2.EROL N.A.ALTINTAS Y.ITO M.R Open system architecture modular tool kit for motion and machiningproce

21、ss control 2000(3)3.方沛昱.李兴根 基于USB总线的电机控制方案期刊论文-微特电机 2004(3)相似文献(9条)相似文献(9条)1.学位论文 张清明 基于DSP的开放式运动控制器的研究及应用 2002 该文对开放式数控系统的体系结构以及开放式运动控制器展开研究,对基于DSP的开放式运动控制器的软硬件进行了详细的研究与设计,并将此开放式运动控制器成功应用于板材的激光切割、拼焊控制系统中.对各种开放式CNC的体系进行了详细的分析比较,该文认为基于现场总线的数控系统将是开放式数控系统的基本结构,并选定CAN总线连接上位机、运动控制器以及I/O模块等智能装置.这种结构下的数控系统

22、是一种分布式的实时控制系统,具有极高的开放性.研究并开发了基于DSP的开放式运动控制器.随着控制理论的发展以及高性能的控制需求,一般的单片机或多片微处理器不能满足复杂而先进的控制算法的需要,为此,该文对以高性能的DSP为核心的开放式运动控制器进行了研究,对该运动控制器的软硬件进行了详细的设计.并针对位置反馈信号处理的特点,该文采用CPLD芯片对位置反馈信号进行倍频、计数以及辨向等处理,这大大改善了反馈信号处理电路的逻辑特性与电气特性.该文对遗传算法和模拟退火算法作了分析比较,并结合各自特点,在遗传算法的搜索过程中融合模拟退火算法的思想,构造出遗传模拟退火算法,采用该混合遗传算法对PID参数进行

23、整定取得了很好的效果.该文还将基于DSP的开放式运动控制器成功应用于汽车底板用板材的激光切割、拼焊控制系统.2.期刊论文 宋蓓.杜娟.宋世芳.SONG Bei.DU Juan.SONG Shi-fang 基于DSP的开放式运动控制器的设计-电机与控制应用2009,36(4)为了使运动控制器对多种电机具有通用性,结合数宁信号处理器(DSP)技术和PC技术的强大优势,开发了一种新型的开放式运动控制器.该控制器可以驱动步进电机、变频渊速异步电机和伺服电机,大大提高了运动控制器的通用性和可扩展性.通过在绗缝系统中的测试验证了该运动控制器的实用性.3.学位论文 丁亮 基于PCI和USB总线的开放式运动控

24、制器开发 2006 开放式数控系统已成为当今数控技术的发展方向，目前的开放式数控系统多以：PC机为基础，配上各种开放式运动控制器。运动控制器的应用已走出机械加工行业，越来越多地应用于其它工业自动化设备控制，如机器人控制、电子机械、木工机械、纺织机械、印刷机械等诸多行业。基于PC总线的以DSP和CPLD/FPGA作为核心处理器的开放式运动控制器将PC机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合在一起，具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好等优点，因此发展迅速。今后基于计算机标准总线的开放式运动控制器仍然是市场发展的主流。PCI总线解决了ISA总线的响

25、应速度较慢的瓶颈，近几年，基于USB总线的设备也因其优点而得以迅速发展。针对国内外开放式运动控制器存在的一些缺点，诸如国外产品价格太高、技术支持相对较差，国内产品不支持USB总线、存在一些技术上的不足等，本文以DSP芯片TMS320LF2407作为处理器，分别基于PCI和USB总线开发了多轴开放式运动控制器，并采用PCI 9052和ISP-1581作为接口芯片构建PC-DSP通讯电路，利用CPLD器件EPM7128构建两路QEP信号处理电路并辅助完成译码等功能，同时开发了接口卡负责完成控制卡与外部器件的互联并进行光电隔离和电平转换。DSP除了完成与上位机的通讯，内部还嵌入了许多控制算法，包括基

26、于前馈补偿的PID控制算法、参数曲线的自适应时间分割插补算法、直线/圆弧/NURBS插补算法等。同时，提供了丰富的动态链接库函数供用户调用，并在此基础上开发了测试软件。实验和仿真结果表明，系统设计合理，具有实时性好，跟随误差小，加工精确度高等优点。4.期刊论文 丁亮.尤波.于振中.许家忠.DING Liang.YOU Bo.YU Zhen-zhong.XU Jia-zhong 基于USB-DSP的开放式运动控制器开发-电机与控制学报2006,10(3)针对数控技术的发展对运动控制系统的开放性、实时性、加工速度、精确度等性能指标提出了越来越高要求,运用基于前馈补偿的PID控制算法和时间分割插补原

27、理,研究开发了基于USB2.0协议和DSP核心处理芯片的四轴交直流伺服电机运动控制器,并提供了丰富的动态链接库函,支持NURBS插补功能.仿真和实验结果表明,系统设计合理,具有实时性好,跟随误差小,加工精确度高等优点.5.期刊论文 贾德利.尤波.胡海燕.程宁波.JIA De-li.YOU Bo.HU Hai-yan.CHENG Ning-bo HAI系列开放式多轴运动控制器开发-哈尔滨理工大学学报2006,11(6)对实验室开发的HRI系列开放式步进、伺服电机多轴运动控制器进行了总结.介绍了以ISA总线作为数据传输通道,基于8253+8255、MCX314、LM628、DSP+LM628和DS

28、P+CPLD技术的各种电机控制方案.探讨了其硬件关键技术和软件开发,并在此基础上对各方案进行比较.最后,对运动控制器的进一步开发进行了展望.6.学位论文 汪卫民 基于FPGA的开放式运动控制器的接口研究 2006 随着科学技术的进步，传统的运动控制系统由于本身的局限性难以满足人们的最新要求，研究和开发具有开放式结构的高性能运动控制器己成为当前运动控制领域的重要发展方向。对开放式运动控制器的研究是当前数控系统中最活跃的分支，而控制器的接口电路则集中体现了控制器开放性的特征，设计出一种具有较强兼容能力的控制器接口是本课题的主要研究内容。本文首先阐述了运动控制系统及运动控制器的研究现状和发展趋势，在

29、分析控制系统原理的基础上，抽取普通步进驱动器和两款主流伺服驱动器富士FALDIC-W系列和施耐德Modicon Lexium 17D系列共同的信号特征，对控制器接口电路的关键技术做了详细的介绍。根据驱动器性能要求和技术指标，以及DSP的高性能数据处理能力，和FPGA的可重复编程、可模块化、易扩展、易维护、可重构、I/O口多且容易配置等特点，规划出开放式控制器的DSP+FPGA总体方案和接口电路的FPGA设计方案，完成接口的部分具体硬件和软件设计，并对两种脉冲控制方式的输出波形以及反馈输入波形进行了仿真。该开放式控制器用DSP作通用控制算法运算，FPGA进行由通用运算结果到具体驱动器的电路配置和

30、实现。接口电路中FPGA接收上位机发送命令信号并进行误码检测，之后进行识别和存储。部分数据存入设计的双口RAM中供DSP实时访问和处理，同时FPGA从中读出DSP运算后的数据，根据不同的驱动器和控制模式作相应的转换处理。论文最后做出总结并指出了本课题今后进一步的研究方向和内容。7.学位论文 严乐乐 基于DSP的运动控制器的软件开发 2007 运动控制是数控技术的核心，近年来，随着开放式数控系统的发展，开放式运动控制器也得到了前所未有的发展。运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类标准部件，已经被越来越多的产业领域接受，并形成了令人瞩目的市场规模。由于DSP将超强的高速实时处理能力和丰富的外设功

31、能集于一身，目前，以DSP为核心的嵌入式运动控制器已经成为开放式运动控制器的发展主流，并获得广泛的应用。本文通过对运动控制器基本功能的研究，在分析、消化已有的基于DSP的运动控制器硬件资源基础上，开发了运动控制器的软件系统，利用比较积分法和线性加减速控制算法实现了系统的运动轨迹和速度控制，满足了单板式和插卡式两种应用的功能需求。针对单板式应用需求，设计开发了基于USB总线的加工程序下载功能、基于串口通信的DNC功能以及断点续传功能。详细论述了其中USB通信的固件程序、驱动程序和应用程序的开发方法，以及DNC在线加工功能的实现方法。面向插卡式应用，讨论了利用PCI9052接口芯片和IDT7024

32、双口RAM芯片实现PC机与DSP的通信方法，着重阐述了利用WinDriver作为开发工具，实现PCI驱动程序的开发过程。最后，本文从提高工程应用软件可靠性的角度，介绍了本运动控制器软件的开发与调试方法及注意事项，并将设计开发的系统软件脱离仿真环境，成功应用于实际加工控制，系统的功能和性能达到预期设计目标。8.学位论文 宋善专 基于DSP和CPLD的多轴运动控制器的设计与研究 2008 开放式控制系统的研究被称为制造业的第三次革命。我国制造业产品落后，技术水平低，信息含量少，更新换代慢，面临着调整、改造和优化的艰巨任务。因此，研究和发展开放性控制系统具有广阔的前景。开放式运动控制器是开放式控制系

33、统的重要组成部分，开放式运动控制结构已成为当今运动控制器研究的主流。本文首先采用运动控制器嵌入工业计算机的运动控制结构，设计和研究四轴开放式运动控制器。运动控制器采用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407为核心处理器，以CPLD为逻辑处理和运算器件完成了运动控制器的硬件资源分配模块、编码器接口模块、PCI通讯模块等功能模块的设计。其次，对双端口RAM数据缓存技术进行了研究。合理的内存分配不仅解决了访问竞争的矛盾，而且大大提高了数据交换的速度。编制了PCI9054的计算机驱动程序和内存读写程序。采用PID控制算法，结合现代控制理论的方法，根据控制对象的特性对各参数进行调整，并用MatLab

34、完成了算法仿真，实验证明该算法具有较好的响应特性，并对控制对象的控制过程进行了合理的规划。最后进行了运动控制器的安装与调试，对控制器的各个功能模块分别进行了调试，实验证明该控制器具有良好的控制特性。9.期刊论文 杜建铭.曹广忠.李岳峙.Du Jianming.Cao Guangzhong.Li Yuezhi 基于DSP和FPGA的电脑绣花机控制系统研究-机械科学与技术2007,26(10)根据运动控制技术的发展方向开发出一种用于高速加工领域的开放式运动控制器.讨论了该新型运动控制器的开放式体系结构,对它的主要模块进行了详细分析,在该开放式运动控制器中通过DSP完成实时控制,采用FPGA设计编码器的解码器、滤波器、计数器和总线接口的功能,利用双端口RAM解决工业计算机和运动控制器之间的大容量通讯问题,在Libero IDE 6中借助Modelsim 5.8对编码器反馈电路进行了仿真,在高速工业电脑绣花机中的实际应用表明该运动控制器可靠并具有先进性.本文链接：http:/