（机械电子工程专业论文）基于dsp的开放式数控系统运动控制器的设计与研究.pdf

论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 基于d s p 的开放式数控系统运动控制器的设计与研究 机械电子工程 李海芹 史晓娟 摘要 ( 签名) 奎垒圭 ( 签名) 逝邑 目前，以d s p 为核心的运动控制卡已成为运动控制器的发展主流，它可方便地以 插卡形式嵌入p c 机，将p c 机强大的信息处理能力和开放式特点与运动控制卡的运 动控制能力相结合，具有信息处理能力强、开放程度高、运动控制方便、通用性好的特 点。 在分析了决定数控系统性能的若干关键技术后，重点对与运动控制器相关的硬件及 软件技术进行了较深入的研究。本文首先分析了运动控制器在工业控制中的重要作用， 然后分析了国内、外运动控制技术的发展现状，进而指出了运动控制技术的发展趋势。 在此基础上提出了运动控制卡的硬件总体设计方案，选择了d s p - t - c p l d d - i s a 的硬件 实现形式；其中d s p 为t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，c p l d 为a l t e r a 公司的e p m 7 2 5 6 s ， 然后依据所选方案对运动控制器的各部分电路进行了具体的实现分析，完成了两轴控制 量输出、双口r a m 接口、i s a 总线通信，c p l d 的四倍频等电路的设计，并应用开发 软件m a x + p l u s i i 对c p l d 的四倍频鉴向计数电路进行了软件级仿真。最后给出了详 细完整的实用硬件电路解决方案，制造出了试验板。 软件技术方面采用了模块化程序设计方法，完成了d s p 主控程序设计，包括d s p 初始化模块，p i d 控制算法模块，并论述了p i d 算法在d s p 中的软件实现。最后对工 作进行了总结和展望。 关键词：运动控制器；d s p ；i s a 总线；c p l d ：双端口r a m 研究类型：应用研究 本课题受到陕西省自然科学基金项目的资助( 项目号：0 6 j l q 4 0 ) 。 s u b j e c t ：d e s i g na n dr e s e a r c ho nm o t i o nc o n t r o l l e r i no p e nn u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s p s p e c i a l t y ：m a c h i n e r y a n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e ：l ih a i q i n i n s t r u c t o r ：s h ix i a o j u a n a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 丛h 垡i ! 垒 ( s i g n a t u r e ) 曼：苤弯丝生 t h et r e i l do ft h em o t i o nc o n t r o l l e ri st h eo p e nc o n t r o l l e rb a s e d o np c i tc o m b i n e ds t r o n g i n f o n n a t i o np r o c e s s i n ga n do p e nc h a r a c t e ri np cw i t hc o n t r o la b i l i t yo fm o t i o nc o n t r o l l e rb y e m b e d d e di nt h ep ce a s i l y t h i ss y s t e mh a ss t r o n gs i g n a l p r o c e s s i n ga b i l i t ya n dg o o dm o t i o n c o n 仰lp r e c i s i o n a n dm o r e ， i ti sv e r yo p e nf o ru s e ra n di ti m p r o v e st h em a c h i n i n gp r e c l s l o n a n df l e x i b i l i t y a f t e ra n a l y s i so fk e yt e c h n o l o g yw h i c h d e c i d e sa b i l i t yo fn c ，w er e s e a r c ht h e h a r d w a r et e c h n o l o g ya n ds o f t w a r et e c h n o l o g yo fm o t i o nc o n t r o l l e ri m p o r t a n t l y 1 1 1t h i sp a p e r ， w ea n a l y z et h ei m p o r t a n c ea n dd e v e l o p m e n to fm o t i o nc o n t r o l l e ri n i r l d u s _ t r i a lc o n t r o la n dp o i n t so u tt h ed e v e l o p m e n t a lt r e n do fm o t i o n c o n t r o lt e c h n o l o g y ， a n d d e s i g nan e wg e n e r a t i o nm o t i o n c o n t r o l l e r o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ep r i n c i p l eo ft h em o t i o n c o n t r o l l e r ， ad e s i g ns c h e m ei s p r o p o s e di nw h i c ht h ec h i p so fd s p + c p l d + i s a a r ea d o p t e da sc o r e t h ep r o j e c tt o m b l n e s t h es t r o n gp o i n to fd s pa n dc p l d o no n eh a n d ， d s ph a sp r o g r a m m a b l ea b i l i t ya n dc a r r y o u tc o m p l i c a t e da l g o r i t h m o nt h eo t h e rh a n d ， b e c a u s eal o to fc o m p o n e n t so fp e r i p h e r a l c i r c u i ta r ei n t e g r a t e di nc p l d ，t h es t a b i l i t yi sh i g h a tt h es a m et i m e ，b e c a u s e c p l dh a s t h er e c o n f i g u r ea b i l i t yi n c i r c u i t ，t h em o t i o nc o n t r o l l e r sh a v eo p e n a r c h i t e c t u r ea n ds y s t e m d e s i g ni sm o r ec o n v e n i e n t a m o n gt h ec h i p ，d s p i st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a o ft ic o m p a n ya n d c p l di se p m 7 2 5 6 so fa l t e r ac o m p a n y a c c o r d i n gt h e s o l u t i o n s ，c i r c u i tm o d u i eo f m o t i o nc o n t r o l l e ri sd e s i g n e da n df i n i s h e dt w oc o n t r o l l e dv a r i a b l eo u t p u t ，d u a l - p o r t o u t p u t ， i s ab u sc o n n u l l i c a t i o n ， q u a d r u p l ef r e q u e n c ya n dc o u n t i n gp u l s ei nc p l d a n ds oo n i nt h e p r o c e s so fs y s t e md e s i g n ， s i m u l a t i o nw a v e f o r mi nt h ep r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n t o t m a x + p l u si io fd i s c r i m i n a t i n gp u l s ed i r e c t i o n ，q u a d r u p l ef r e q u e n c y a n dc o u n t i n gp u l s e w i t hc p l di sg i v e d f i n a l yh a r d w a r ec i r c u i ts o l u t i o ni sa r r i v e d a ta n d t e s t i n gp a n e l l sm a d e m o d u l a r i z a t i o np r o g r a m m em o t h o do fs o f t w a r ei sa d o p t e da n d m a i nc o n t r o lp r o g r a m0 t d s pi sd e s i g n e di n c l u d i n gi n i t i a l i z a t i o nm o d u l e ，c o n t r o la r i t h m e t i cm o d u l eo fp i d f i n a l l y ， w o r ks u m m a r yi sg i v e da n dt h ef u t u r ei sp r o s p e c t e d k e y w o r d s ：m o t i o nc o n t r o l l e rd s pi s ac p l d d u l e p o r tr a m t h e s i s： a p p l i c a t i o nr e s e a r c h t h i sw o r ki sf i n a n c i a l l ys u p p o r t e db ys h a n x in a t u r a ls c i e n c ef u n d ( 0 6 j k 2 4 0 ) 要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：套玛彳 日期：p 叼三牛 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：奎均等 指导教师签名：斐国扣两 喈年6 只碑e t 1 绪论 1 绪论 1 1 开放式数控系统的发展状况 在现代制造系统中，数控技术是关键技术，具有高精度、高效率、柔性自动化等特 点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术 正在发生根本性变革，由专用、封闭、开环控制模式向通用、开放、实时动态、全闭环 控制模式发展。 传统的c n c 系统是一种专用的封闭体系结构的数控系统，即：系统硬件是专用的， 各厂家的主板、伺服电路板专门设计，厂家之间产品无互换性；系统软件结构是专用的， 无可移植性，也无伸缩性。数控系统的开发始终属于数控系统生产厂商独立的商业行为， 在很大程度上严格保密。这种独立的设计模式导致不同厂商的数控系统在内部结构、实 现方法和表现风格上迥然不同，形成了各自独立的标准和规范体系；数控加工系统功能 非常单一，结构固定，不能满足产品快速转型和短期、小批量加工的要求；系统升级和 维护困难，市场上难以找到可替换的配件，致使部件损坏时不能及时修复而导致整个设 备不能正常运行。而且这种封闭的体系结构使数控系统无法应用最新的计算机软硬件技 术，从而严重影响数控技术的发展、进步和普及。 研究开放式数控系统的主要目的之一就是要解决变换频繁的需求与封闭控制系统 之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统平台，增强数控系统的柔性，降低再次 开发的难度。或者说，开放的目的就是使n c 控制器与当今的p c 机类似，系统构筑于 一个统一的、开放的平台上，具有模块化组织结构，允许用户根据需要进行选配和集成、 更改或扩展系统的功能，以便迅速适应不同的应用需求。因此i e e e 标准定义开放式数 控系统：能够在多种平台上运行，可以和其他系统相互操作，并能给用户提供一种统一 风格的交互方式。其具有以下特点： ( 1 ) 模块化，系统由一系列功能模块通过搭积木的方式组成； ( 2 ) 可移植性，系统的功能软件与设备无关，各种功能模块运行在不同的控制系统内， 即能运行于不同供应商提供的不同的硬件平台上； ( 3 ) 可互换性，不同厂家、不同开发人员可用不同的方式实现功能相似的功能模块， 模块间的互换不影响系统功能的完整性。即构成系统的各硬件、功能软件的选用不受单 一供应商的控制，可根据功能、可靠性、性能要求相互替换，不影响系统整体的协调运 行； ( 4 ) 可缩放性， c n c 系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改。控制系统的大小 ( 硬件或元件模块) 可根据具体应用增减； 西安科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 可扩展性，系统的功能可以方便地进行扩展。c n c 用户或二次开发者能有效地 将自己的软件集成到n c 系统中，形成自己的专用系统，功能的增减只需功能模块的装 卸； ( 6 ) 即插即用，各功能模块提供详细的接口定义，并能由系统自动识别； ( 7 ) 易获得性，构成系统的功能模块不依赖某一特定的供应商。 开放式数控系统是当前数控技术发展的主要趋势。近年来，由于p c 机发展迅速， 技术成熟，软件资源丰富，因此充分利用p c 机资源并将其功能集成到c n c 中去，发展 基于p c 的数控系统，已经成为世界各国发展研究的重点。 现在世界上许多国家和地区众多战略发展计划纷纷出台，如美国的o m a c ( o p e n m o d u l a ra r c h i t e t u r ec o n t r o l l e r s ) 、欧共体的o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c h t u r ef o rc o n t r o l w i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m ) 和日本的o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r a r c h i t e t u r e ) 等计划，他们基本代表了开放式数控系统的发展现状。 ( 1 ) 美国的o m a c 计划 o m a c ( o p e nm o d u l a r a r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r s ) 计划是美国的通用、福特和克莱斯勒 三大汽车公司从1 9 9 4 年开始启动的。该计划旨在发挥美国在计算机科学方面的领先优 势，使得制造商和用户都有了更大的主动性。 ( 2 ) 欧盟o s a c a 计划 o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o l s w i t ha u t o m a t i o ns y s t e m s ) 计划是 1 9 9 0 年由欧共体2 2 家控制器开发商、机床生产商等联合提出的。该计划分三个阶段： 第一阶段完成了o s a c a 的规范和应用指南的制定；第二阶段主要开发了系统平台的标 准、通用的软件模块和通用的o s a c a 平台；第三阶段的使命是推广o s a c a 思想及前 两个阶段的技术成果，使之成为自动化领域的国际标准。 ( 3 ) 日本o s e c 计划 日本o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n 2 t r o l l e r ) 计划于19 9 4 年由东芝机器 厂及三菱电子等6 家日本公司联合提出。o s e c 的开放性指系统能满足用户对制造系 统不同配置的要求、最小化费用要求和应用先进控制算法及基于p c 的标准化人机界面 的要求。 以上三个计划分别相应提出了三个不同的标准化软件模块。目前，在世界范围内还 没有形成统一标准的硬件和软件平台以及标准的用户界面。 我国的数控技术经过近四十年的发展有了较大的进步，但目前的国内市场中，中、 高档产品主要被进口产品占据，而在较低档的经济型数控机床市场我国的产品占据主要 地位。随着国际学术界对开放式数控系统研究的日益推进，我国的相关研究也越来越受 到重视。经过多年的技术攻关，已经有一批产品和成果涌现出来。 近几年，我国相继开发出了几种型号的开放式数控系统，包括有华中开发的华中i 2 1 绪论 型、北航推出的c h 系列数控系统、珠峰公司的中华i 型以及南京四开公司的蓝天( s k y ) 系列产品。这些数控系统的大部分产品基本都采用1 6 位或3 2 位的工业p c 机，以d o s 为其操作系统。如其中c h 2 2 0 0 0 系列可多轴多通道自由配置，可控制1 - 1 0 个通道， 每通道2 - - - - 8 轴联动，适用于车、铣、加工中心、f m s 与激光切割等多种机床。系统具 有向用户开放的扩展数控语言，允许用户进行二次开发。 目前，在开放式数控系统的实现方法上有三种基本的结构形式【2 j ： ( 1 ) 数控专用模板嵌入通用p c 机构成的数控系统 以国内具有开放式系统特点的华中i 型数控系统为例，该系统采用了以p c 机为硬 件平台，d o s 、w i n d o w s 操作系统及其丰富支持软件为软件平台的开放式体系结构。 与传统c n c 系统相比，这种系统具有软硬件资源的通用性、丰富性、透明性，软件的 可再生性，便于引入新技术进行升级、换代的优点。 ( 2 ) 通用p c 机与开放式可编程运动控制器构成的数控系统 这种数控系统把机床运动控制、逻辑控制功能交由独立的运动控制器完成，运动控 制器通常由以p c 硬件插件的形式构成系统。数控上层软件( 数控程序编辑、编译、人 机界面等) 以p c 为平台，是w i n d o w s 等主流操作系统上的标准应用，并支持用户定 制。这种系统兼具了w i n d o w s 的多任务特性和运动控制器的实时特性，是一种非常 优越的数控系统。 ( 3 ) 全软件式数控系统 全软件式数控系统将运动控制( 包括轴控制和机床逻辑控制) 器以应用软件的形式 实现。除了支持数控上层软件( 数控程序编辑、人机界面等) 的用户定制外，其更深入 的开放性还体现在支持运动控制策略( 算法) 的用户定制。外围连接主要采用计算机的 相关总线标准，这类系统已完全是通用计算机主流操作系统( 实时扩展) 上的标准应用。 目前来讲，全软件式数控系统还没有形成产品，还在理论研究中，但它代表了数控系统 的发展方向。 1 2 运动控制器研究意义及发展动态 1 2 1 研究意义 开放式数控系统对机电设备的运动控制提出了新的要求，如高速数控加工设备、 激光雕刻设备等，要求实现高速、高精度的位置或轨迹控制，而这必须依赖于先进复 杂的位置或轨迹控制算法。近年来，许多新的复杂的控制算法己研究应用于运动控制 中，这些复杂的控制算法必须在高性能的处理器中才能实现，并保证系统的实时性【3 】。 可见，以高性能处理器为核心的运动控制器才能满足高速、高精度的运动控制系统的 需要。 3 西安科技大学硕士学位论文 然而，开放式c n c 曾受制于p c 计算能力的限制，使得较复杂的控制算法难以实 现，阻碍了这类系统向高速、高精度方向发展。到2 0 世纪8 0 年代末，基于d s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) 的运动控制技术的突破，为开放式c n c 的发展提供了极好的机遇。 由于d s p 具有高达数1 0m b 的数据吞吐能力，短至几十n s 的指令周期，非常适合于 大数据量的高速数据采集系统和实时控制系统，因此，d s p 在高性能的数控系统中具 有重要的应用价值。利用基于d s p 的运动控制器开发的基于p c 的开放式数控系统， 能够在普及型个人计算机的操作系统上，轻松地使用系统所配置的软件模块和硬件运 动控制卡，使得机床制造商和用户能够方便地进行软件开发，能追加功能和实现功能 的个性化【4 1 。 在这个研究背景下，我们设计和研究了基于d s p 的开放式数控系统运动控制卡。 所谓运动控制( m o t i o nc o n t r o l ) 是指在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指 令转变成期望的机械运动，实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度控制以及 转矩的控制。它在开放式数控系统中占有十分重要的地位，是数控系统的核心。对于数 控系统来说，最重要就是按照指令要求，控制各轴电机按预定轨迹运动。而此功能的实 现正是由运动控制器来完成的。运动控制器接受并依照数控装置的指令来控制各轴电机 的运动，从而实现数控加工中的定位控制和速度调节。数控加工中的定位控制精度、速 度调节的性能等重要指标都与运动控制器直接相关岭j 。 一个典型的现代运动控制系统的硬件组成是：微控制器+ 伺服驱动系统+ 伺服电机。 软件部分着重加强了控制软件和先进的控制策略，用以控制整个系统的运行以及改善系 统稳态精度和动态特性，达到高性能的要求。其典型运动控制系统组成如图所示： 图1 1 典型运动控制系统系统组成 运动控制能够实现对运动轨迹、运行速度、定位精度等的精确控制，因此成为控制 领域中的一个重要研究方向。它作为运动控制指令的直接发出者，在运动控制系统中处 于核心地位。它是数控机床的中枢神经系统，指挥着它的每一个动作。对应的控制系统 就是数控装置，由上位机按照加工要求发出相应指令，运动控制器接受指令，并根据指 令发出各种控制信号，驱动器接受这些控制信号，并将其变成驱动电机的电信号，从而 控制各轴电机的运动【6 j 。如前文所述，开放式数控系统己成为当今数控系统的发展方向， 而基于p c 的开放式数控系统又是开放式数控系统中最活跃、最重要的分支。因此，运 动控制器作为开放式数控系统的核心具有重要的研究意义。 与传统的数控装置相比，基于d s p 的运动控制器具有以下特点【7 j ： 4 1 绪论 ( 1 ) 技术更新，功能更加强大，可以实现多种运动轨迹的控制，是传统数控装置的换 代产品； ( 2 ) 结构形式模块化，可以方便地相互组合，建立适用不同场合、不同功能需求的控 制系统； ( 3 ) 操作简单，在p c 机上经简单编程即可实现运动控制，而不一定需要专门的数 控软件； ( 4 ) 维护、扩展、升级方便，由于它采用开放化的技术使其产品升级换代维护使用上 有极大的优势。 d s p 最为典型的应用之一就是运动控制，新技术的发展给运动控制行业带来了新的 发展机遇，尤其是专用集成电路、d s p 数字信号处理和c p l d f p g a 近年来令人瞩目的发 展，给运动控制系统带来新的契机。它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，如航天、军事、医疗器械、测试及测量、产业制造、电子机 械、纺织机械、印刷机械等诸多行业。本项目的设计与研究有重要的意义，它不但可以 提高国内数控产品的市场竞争能力，减少投资，而且对我国数控产业的发展具有深远的 意义。 1 2 2 国外的研究动态 目前国外许多企业和政府研究机构对基于d s p 的运动控制器进行了深入研究，并 取得了较好的成绩，主要研究成果如下： 美国d e l t at a u 公司开发出基于d s p 的运动控制器运动控制卡，可完成插补运算、 伺服控制、p l c 控制等实时控制功能。运动控制器可同时控制1 - - 8 根轴，每秒可执行 5 0 0 个程序段，得到较为广泛的应用。运动控制器p c 卡本身就是一个完整的计算机系 统，依赖集成在卡上r o m 中的程序，它能独立完成实时多任务控制，而无需主机介入。 运动控制器p c 控制卡配有较强的命令、函数库，用户可用制造商提供的编程语言调用 这些命令和函数，编程较为方便【8 1 。 另外， n i ( 美国国家仪器) 开发出p c i 7 3 4 4 p x i 7 3 3 4 p x i 7 3 5 8 p x i 7 3 4 4 f w - 7 3 4 4 等系列多轴控制器。德国m o v t e c 公司d e c 4 t ，d e c 4 d a 是基于p c 机， 专用控制步进电机和数字伺服电机的运动控制器，最多可控制4 轴4 联动，进行直线和 圆弧插补等运动，也可以多个控制器链接控制更多的运动轴。控制每个轴的最高脉冲输 出频率是1 0 0 k h z 9 | 。 虽然国外的同类产品在性能方面具有许多优势，但他们也存在一些不足之处，例如 价格非常昂贵，以g a l i l 运动控制主板为例，一个八轴的g a l i l 运动控制主板为4 0 0 0 美 元，再加上其它一些辅助设施将到达5 0 0 0 美元左右。 5 西安科技大学硕士学位论文 1 2 3 国内的研究动态 国内目前还没有较完善的智能运动控制系统，各种运动控制系统还处于单件或单一 产品的生产程度，其相应配套的底层软件功能还不够完善，一定程度上还处于封闭阶段， 缺乏柔性。用户在使用时无法根据自己的需求进行灵活地重组或进行二次开发，必须重 复性的进行许多硬件接口程序开发及各种运动功能的实现等繁杂的工作，而不能把更多 的工作重心放在自己所需要的功能环境中，使用技术困难比较大们。 一些高校如清华大学、华中理工大学、哈尔滨工业大学等作过这方面的研究工作， 不过基本上为一、两套专用系统研制，通用性不太好，而且可控轴数较少，一般为1 4 轴。深圳市摩信科技有限公司的m o t i o n 运动控制卡，它是新一代开放式结构2 - - - 8 轴 运动控制器系列产品。该控制器的c p u 采用美国t i 公司的t m s 3 2 0 c 3 ld s p ，支持i s a 、 p c i 标准总线或u s b 高速接口与主控机连接。主控机与控制器之间通过双向高速f i f o 进行通讯，可提供2 - 8 轴的高速高精度的伺服控制。主控机可选用通用的p c 系列微机， 可同时驱动步进电机和伺服电机。另外，长沙力鼎科技有限公司m c 系列3 轴模拟电压 控n 编码器反馈型运动控制器，4 轴有无反馈脉冲输出型运动控制器。固高科技有限 公司的g t - 4 0 0 通用型运动控制器，可控制伺服步进。g h 8 0 0 高性能运动控制器，可 控制8 个伺服轴或4 个步进轴。南京顺康数码科技有限公司的m c 6 0 1 4 a 使用了带插补 功能，可以控制4 个马达的d s p 运动控制芯片m c x 3 1 4 ，适用于p c a t 机i s a 总线的 线路板而p c i 1 2 4 0 运动控制卡则可以同时控制4 个步进脉冲型伺服电机，是p c i 总线 的运动控制卡。 目前国内运动控制器生产厂商提供的产品主要有以下几类i l i j ： ( 1 ) 以单片机或微处理器作为核心的运动控制器。这类运动控制器速度较慢，精度不 高，成本相对较低。在一些只需要低速点位运动控制和对轨迹要求不高的轮廓运动控制 场合应用。 ( 2 ) 以专用运动控制芯片作为核心处理器的运动控制器。此类芯片如同本n o v a 公 司的m c x 系列，芯片内部一般都固化有插补与速度控制的算法等，使用此类运动控制 器时，主机主要任务是完成一些逻辑运算和部分数据计算，大多数的数据计算可以由控 制器来完成，因此，此类控制器对控制主机的运算速度要求不高，而且开发周期较短。 但是受制于芯片的功能，开发者无法引入复杂的控制算法，系统开发的灵活性较小，而 且此类运动控制芯片的价格很高。 ( 3 ) 基于p c 总线的以d s p 作为核心处理器的开放式运动控制器。这类运动控制器 利用d s p 的高速数据处理功能，便于设计出功能完善、性能优越的运动控制器。运动 控制过程中，由d s p 实现复杂运动轨迹规划与多轴协调控制、实时的插补运算、伺服 控制滤波等数据运算和实时控制管理，现场可编程逻辑器件c p l d 和其他相关器件组成 6 1 绪论 伺服控制和位置反馈硬件接口。这类开放式运动控制器以p c 机作为信息处理平台，运 动控制器以插卡形式嵌入p c 机，即“p c + 运动控制卡 的模式。这样将p c 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、通用性好的特点。 前两种类型由于其可靠性不高、运行速度慢和控制精度不高等缺点，不能够满足控 制技术的长远发展需要。从2 0 世纪9 0 年代开始，d s p 芯片技术得到了高速发展，出现 了一批高性能低成本的d s p ( 女im o t o r o l a 推出的d s p 5 0 0 0 系列，t a x e si n s t r u m e n t s 的 t m s 3 2 0 f 2 0 6 ，a n a l o gd e v i c e s 推出的a d s p 2 1 0 6 1s h a r c 等) ，这些d s p 的重要特性 是它们的兼容性好，运算速度快，使多轴的运动控制系统能够浓缩在一块插在p c 机的 i s a p c i 控制卡上，而且伺服轴的更新速率可以高达2 0us 。如果将d s p 和p c 机相结 合，可充分利用现有的操作环境和资源等，进一步降低系统的成本，增加系统的性能。 这种控制器是目前国内运动控制器产品的主流，并且在一段时期内，将在运动控制器市 场上占据重要位置。 1 3 本课题的研究内容 本课题来源于陕西省自然科学基金研究项目( 项目号0 6 j k 2 4 0 ) 。为了使运动控制 卡具有更高的性能和开放性，根据需要，本论文的主要工作如下： ( 1 ) 运动控制卡硬件电路的设计，包括d s p 外围接口，模拟信号输出，编码器反馈 信号处理和与上位机通讯等电路。 ( 2 ) 印刷电路板的设计和运动控制卡实验板的制作。 ( 3 ) 基于复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 的四倍频鉴向计数电路的设计及在 m a x p l u s i i 环境下的软件级仿真。 ( 4 ) 使用c c s 软件进行d s p 软件编程，包括d s p 初始化程序，双1 2 1r a m 通讯程序， d a 转换程序，运动控制卡的位置控制算法等。 7 西安科技大学硕士学位论文 2 系统的总体设计及关键技术 2 1 运动控制器的总体结构设计 本文以可靠性和开放性为设计原则，采用了“d s p + c p l d + i s a 的新型运动控制器 结构，将开放式运动控制板分解成d s p 最小系统、位置检测模块、通讯模块和输出模 块四部分，然后分别进行各功能模块的设计，最后确定运动控制系统的总体结构，制作 一块实验板，并采用相应的p i d 控制算法编写系统软件。我们设计的系统结构大体如下 图2 1 ： 图2 1 总体方案原理图 下面就各功能模块作一简要介绍： ( 1 ) d s p 最小系统 该单元模块是运动控制卡的核心，主要完成的工作是接受上位机位置指令以及控制 指令，进行p i d 调节等控制算法，以及电机的驱动输出、输入输出i o 口操作等。 ( 2 ) 通讯模块 通讯模块主要有i s a 总线和双端口r a m 。i s a 总线嵌入在p c 机中，主要用于p c 机 与运动控制卡的信息交换，它时序逻辑简单，硬件接口电路容易实现，非常适合应用于 工业控制的场合。p c 机提供良好的人机交互环境，并且发送控制指令，而运动控制卡 以高速度实现电机控制等核心处理工作。p c 机通过i s a 总线向运动控制卡传送位置指 令以及设定运动控制卡的状态模式等控制指令，而d s p 最小系统通过该接口向p c 机 反馈运动控制卡当前状态模式，以及外部开关量输入等。 双端口r a m 主要用于数据缓冲。由于p c 机的速度很高，能在很短的时问内处理 8 2 系统的总体设计及关键技术 很多的程序，但是d s p 仅仅只能完成数步插补运算和一两次位置控制。为了提高p c 机 的使用效率，使其避免漫长的等待而浪费资源，在p c 机和运动控制卡之间就必须设计 数据缓冲器用以进行速度的匹配。因此利用i d t 7 1 3 3 双端口r a m 作为数据和指令缓冲 器。其解决了在系统数据交换中易形成的瓶颈堵塞现象，提高了系统的数据共享和处理 能力，保证数据通路的畅通，充分发挥了d s p 的快速计算能力。 ( 3 ) 位置检测模块 位置检测模块用于半闭环、闭环运动控制卡中，主要用到的器件是光电编码器和 c p l d ，其功能是对光电编码器采集的反馈信号进行处理，然后送给d s p 最小系统进行 p i d 运算。c p l d 主要用于倍频、计数和辨向。即c p l d 将光电编码器输出的相位差为 9 0 。的脉冲序列进行四倍频鉴向计数后，反馈给d s p 最小系统，d s p 最小系统将反馈 的实际位置与目标位置进行比较，以决定下一步动作，实现闭环控制。 ( 4 ) 输出模块 输出模块主要由光电隔离和d a 转换器组成。光电隔离可以有效防止干扰从过程通 道进入运动控制卡和主机。其主要优点是能有效的抑制尖峰脉冲和各种噪音干扰，从而 使过程通道上的信噪比大为提高。d a 转换器是将从d s p 最小系统输出的数字信号转 换成可以驱动伺服电机的模拟电压信号。 2 2 关键技术研究 2 2 1d s p 相关技术 ( 1 ) d s p 技术的发展状况 d s p 芯片又称数字信号处理器，是一种特别适合于数字信号处理和运算的处理器， 能实时快速地实现各种数字信号处理算法。d s p 具有高达数十m i p s 的数据吞吐能力， 短至几十纳秒的指令周期，非常适合于大数据量的高速数据采集系统和实时控制系统， 因此d s p 在高性能的数控系统中具有十分重要的应用价值。它一般具有程序和数据分 开的哈佛总线结构、流水线操作功能、单周期完成乘除法指令和并行运算指令等一套适 合数字信号处理的指令集【1 2 】。 d s p 发展历程大致分为三个阶段：7 0 年代理论先行，8 0 年代产品普及，9 0 年代突 飞猛进【1 3 】【14 1 。 在d s p 出现之前数字信号处理只能依靠m p u ( 微处理器) 来完成。但m p u 较低 的处理速度无法满足高速实时的要求。因此，直到7 0 年代，有人才提出了d s p 的理论 和算法基础。那时的d s p 仅仅停留在教科书上，即便是研制出来的d s p 系统也是由分 立元件组成的，其应用领域仅局限于军事、航空航天部门。 随着大规模集成电路技术的发展，1 9 8 2 年世界上诞生了首枚d s p 芯片。这种d s p 9 西安科技大学硕士学位论文 器件采用微米工艺n m o s 技术制作，虽功耗和尺寸稍大，但运算速度却比m p u 快了几 十倍，尤其在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。d s p 芯片的问世是个里程碑， 它标志着d s p 应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。至8 0 年代中期，随着 c m o s 技术的进步与发展，第二代基于c m o s 工艺的d s p 芯片应运而生，其存储容量 和运算速度都得到成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。 8 0 年代后期，第三代d s p 芯片问世，运算速度进一步提高，其应用范围逐步扩大 到通信、计算机领域。 9 0 年代d s p 发展最快，相继出现了第四代和第五代d s p 器件。现在的d s p 属于第 五代产品，它与第四代相比，系统集成度更高，将d s p 芯核及外围元件综合集成在单 一芯片上。这种集成度极高的d s p 芯片不仅在通信、计算机领域大显身手，而且逐渐 渗透到人们日常消费领域。 经过2 0 多年的发展，d s p 产品的应用已扩大到人们的学习、工作和生活的各个方面， 并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。目前，对d s p 爆炸性需求的时代已经来临， 前景十分可观。 t i ( t e x a si n s t r u m e n t s ) 公司是d s p 业界公认的龙头老大。目前t i 公司主推的d s p 有：定点系列t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 ，浮点系列t m s 3 2 0 6 0 0 0 。需要提醒注意 的是：在t i 的d s p 中，同一系列中不同型号的d s p 都具有相同的d s p 核，相同或兼 容的汇编指令系统，其差别仅在于片内存储器的大小，外设资源( 如定时器、串口、并 口等) 的多少；不同系列d s p 的汇编指令系统不兼容，但汇编语言的语法非常相似。除 了汇编语言外，t i 还为每个系列都提供了优化的c c + + 编译器，方便用户使用高级语言 进行开发，效率可以达到手工汇编的9 0 甚至更高。 ( 2 ) d s p 技术的基本结构和特点 d s p 芯片的基本结构包括：哈佛结构；流水线操作；专用的硬件乘法器； 特殊的d s p 指令；快速的指令周期。 哈佛结构【1 5 j d s p 普遍采用了数据总线和程序总线分离的哈佛结构及改进的哈佛结构，比传统处 理器的冯诺依曼结构有更高的指令执行速度。传统的的冯诺依曼结构中，指令、数 据、地址存储在同一存储器中，统一编址，靠指令计数器提供的地址来区别取出的是数 据、地址还是指令。由于取指令和取数据都是通过一条总线访问同一个存储器空间，因 而必须分时进行，严重制约了数据吞吐率，在高速运算时，往往在传输通道上出现瓶颈 效应。而d s p 内部的哈佛( h a r v a r d ) 结构是一种并行体系结构，如图2 2 所示，它将存 储器分成数据和程序存储，即程序存储器( p m ) 和数据存储器( d m ) 各自独立，独立编址， 独立访问。与此相对应，系统中设置了至少四套总线：程序的数据总线、程序的地址总 线、数据的数据总线和数据的地址总线。这种分离的程序总线和地址总线，可允许同时 l o 2 系统的总体设计及关键技术 获取指令字( 来自程序存储器) 和操作数( 来自数据存储器) ，而互不干扰，这意味着在一 个机器周期内可以同时准备好指令和操作数，使数据吞吐率大大提高。 程序总线 致据总缝 图2 2 哈佛结构不意图 流水线 d s p 广泛采用流水线技术以增强处理器的处理能力。要执行一条d s p 指令，需要 通过取指令，译码，取操作数和执行等几个阶段。d s p 的流水线操作是指它的这几个 阶段在程序执行过程中是重叠的。如图2 3 所示，为四级流水线操作过程，在执行本条 指令州) 的同时，下面的三条指令( n + 1 ，n + 2 ，n + 3 ) 依次完成了取指令、译码、取操作 数的操作，这样就将指令周期的时间降低到了最小值。正是利用这种流水线机制，保证 d s p 的乘法、加法及乘加运算可以在一个单周期内完成。这对提高d s p 算法的速度具 有重要的意义。 11ll n n + 2 n + 2 n + 3 n + 2 n 1n n + 1 n 2 n 1n n + 1 n 一3 n 2 n 1 n 图2 3 流水线流程图 采用专用的硬件乘法器 在通用的微处理器中，乘法是由软件来实现的。它实际上是由时钟控制的一连串的 “移位- 力口法”操作，乘法需要多个指令周期来完成。而在数字信号处理过程中，加法 和乘法是最重要的运算。因此，提高乘法的运算速度也就是提高d s p 芯片的运算性能。 在d s p 芯片中，有专用的硬件乘法器，使得一次甚至两次乘法运算可以在同一个单指 令周期内完成，从而提高了d s p 运算速度。 特殊的d s p 指令 d s p 芯片的另一个重要特征是有一套专门为数字信号处理而设计的指令系统，以充 西安科技大学硕士学位论文 分发挥d s p 算法及各系列特殊设计的功能。 快速的指令周期 d s p 芯片与传统的微处理器或控制器相比，其快速的指令周期是一个明显的特点与 优势。改进的哈佛结构、专用的硬件乘法器、流水线操作、特殊的d s p 指令等，配合 集成电路的优化设计可以使d s p 处理器的指令周期在2 0 0 n s 以下。正是由于这个优势， 在对采用速率要求较高的实时信号处理场合，d s p 有很多重要的应用。 此外，还有良好的多机并行运行，大电流，低电压等特性。 正是由于具有上述特点，才使得d s p 能够面向高性能、重复性、数值运算密集型 的实时处理，使复杂的控