（检测技术与自动化装置专业论文）嵌入式多轴运动控制器的研究.pdf

长春工业大学硕士学位论文 摘要 运动控制器是运动控制系统的核心，有着广泛的应用。当前市场上流行的基于p c 的运动控制器多是运动控制嵌入型，需要插入计算机的p c i 或者i s a 插槽，因此难以 独立运行和小型化。针对这些问题，本论文的主要目标是设计一种既可以独立运行， 又可以受计算机控制，具有一定的柔性和开放性的嵌入式多轴运动控制器。该控制器 由嵌入式c p u 主板和运动控制模块构成，提供显示器、鼠标键盘、u s b 、串d ( r s 2 3 2 ) 、 工业以太网等接口。 本论文提出一种基于“t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a + m c x 3 1 4 a s ”的嵌入式多轴运动控制器， 其中，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为微处理器，m c x 3 1 4 a s 作为核心控制器；该控制器充分 利用d s p 的计算和高速数据处理能力，进行复杂的运动规划、高速实时多轴插补、误 差补偿和更复杂的运动学、动力学计算，使得运动控制精度更高、速度更快、运动更 加平稳；d s p 2 4 0 7 a 发送命令和数据，控制器接受到命令后，输出相应的脉冲串控制 步进或伺服电动机进行工作，根据给定数据进行速度调节。m c x 3 1 4 a s 与d s p 的结合， 既能灵活的通过数字信号协调控制伺服电机的多轴运动，又能通过自身的内部结构特 点，分担和减小d s p 的工作量，这样保证运动控制的实时性和准确性。 嵌入式控制器应该具有网络通讯功能，可以实现资源共享，远程通讯或监控等， 在本文中，运动控制器的现场网络通信问题采用工业以太网来实现。网络通信模块的 功能是通过网络从用户程序那里取得电动机控制命令，并将命令传递给运动控制模块， 另外还会将运动控制模块返回的命令执行结果或者电动机的当前状态返回给用户程 序。 为了实现运动控制器对位置的准确控制，本文介绍了“p i d + k ，+ 如”( p i d + 速度前馈+ 加速度前馈) 位置控制算法。通过m a t l a b 仿真结果发现，采用反馈加前馈 的复合控制的交流伺服系统，对输入信号的响应速度快、无超调、跟踪偏差小、过渡 时间短、定位精度高。较常规的p i d 控制有较强的参数变化自适应功能，鲁棒性好。 最后，进行了两轴伺服平台半闭环控制的仿真实验并进行仿真结果分析。通过实 验分析表明，该运动控制器对直线和圆弧运动的控制比较理想，能够快速而准确地跟 踪指令运动，获得较高的位置控制精度。 总之，今后基于计算机标准总线的运动控制器仍然是市场的主流，然而，基于网 络的嵌入式p c 的运动控制器能够克服前者的不足和缺点，会有较好的市场前景。 关键词：数字信号处理器，d s p ，前馈控制，运动控制器 长春工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o t i o nc o n t r o l l e ri st h ec o r eo fm o t i o nc o n t r o ls y s t e m w h i c hi su s e di nm a n yf i e l d s t h em o t i o nc o n t r o l l e rb a s e dp ci so f t e nm o t i o nc o n t r o le m b e d d e d ，w h i c hi si n s e r t e dp c i o ri s as l o t ，s ot h e ya r ed i f f i c u l tt oi n d e p e n d e n ta n dm i n i a t u r e t o w a r dt h e s eq u e s t i o n s ，t h i s t h e s i sd e s i g nae m b e d d e dm o t i o nc o n t r o l l e rw h i c hc a nn o to n l yw o r k i n gi n d e p e n d e n t l yb u t a l s oc o n t r o l l e db yc o m p u t e r ，t h i sf l e x i b l ea n do p e nc o n t r o l l e ri sc o m p o s e do fe m b e d d e dc p u a n dm o t i o nc o n t r o lm o d u l e s ，w h i c hp r o v i d e sd i s p l a y 、m o u s e k e y b o a r d 、u s b 、r s 2 3 2 、 i n d u s t r ye t h e m e tn e t w o r ka n ds oo n t h et h e s i sd e s i g nae m b e d d e dm u t i f i x e sm o t i o nc o n t r o l l e rb a s e d “t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 a + m c x 3 1 4 a s ”，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai sm i c r o p r o c e s s o r ，m c x 3 1 4 a si sm a i nc o n t r o l l e r ；t h i s c o n t r o l l e ru d s ph i g h - s p e o da c c o u n ta n da b i l i t yo fd a t ad i s p o s et od oc o m p l i c a t e d h i g h s p e e dl a y o u t 、h i g h s p e e dr e a lt i m ei n t e r p o h i t i o n 、e r r o rc o m p e n s a t e a n dm o r e c o m p l i c a t e dk i n e m a t i c s 、d y n a m i c sa c c o u n t ，w h i c hw i l lm a k em o t i o nc o n t r o lm o r ep r e c i s e 、 s p e e dm o r eh i g h e r 、m o t i o nm o r es t a t i o n a r y d s p 2 4 0 7 as e n dc o m m a n d sa n dd a t a ，a f t e r m c x 31 4 a sr e c e i v e dd a t a , w h i c hw i l lo u t p u tc o r r e s p o n dp u l s et oc o n t r o ls t e po rs e r v om o t o r w o r k i n ga n da d j u s tv e l o c i t y m c x 3 1 4 a sa n dd s pc o m b i n e dc a nn o to n l yu s ed a t as i g n a lt o a s s o r tw i t hc o n t r o ls e i v om o t o r c a r r y i n go u tm u t i - a x e sm o t i o nb u ta l s ou s eh e r c h a r a c t e r i s t i c st od e c r e a s ed s p sw o r k i n gi n t e n s i t ys ot h a ta s s u r em o t i o nc o n t r o lr e a lt i m e a n dv e r a c i t y 。 t h ec o n t r o l l e rs h o u l dh a v en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o ns ot h a tr e a l i z er e s o u r c e s h a r e 、r e m o t ea r e ac o m m u n i c a t i o na n dm o n i t o r i nt h et h e s i s ，t h ec o n t r o l l e r sl o c a l en e t w o r k c o m m u n i c a t i o n u s ee t h e m e tn e t w o r kt or e s o l v et h en e t w o r kc o m m u n i c a t i 0 1 1 m u d n l e sf u n c t i o ni su s en e t w o r kt og a i nm o t o rc o n t r o lc o m m a n d sf r o mu s e r sp r o g r a m ，a n d t h e nt r a n s m i t st h e s ec o m m a n d st ot h em o t i o nc o n t r o lm o d u l e ，a tt h es a m et i m e ，i tc a na l s o t r a n s m i t st h er e s u l t sf r o mm o t i o nc o n t r o lm o d u l eo rt h em o t o r sc u r r e n ts t a t u st ou s e r p r o g r a m i no r d e rt or e a l i z et h ec o n t r o l l e rt oc o n t r o lt h e p o s i t i o np r e c i s e l y , t h et h e s i sd i s c u s s “p i d + k 嚼七k 哂p o s i t i o nc o n t r o la r i t h m e t i c ，f r o mm a t l a be m u l a t ew ec a nf i n do u tt h e c o m p l e xc o n t r o ls y s t e mc a nr e s p o n dq u i c k l yt o w a r di n p u ts i g n a l 、n oe x c e s s 、as h o r to ft r a c k w a r pa n dt r a n s i t i o nt i m e 、o r i e n t a t i o np r e c i s i o nb e t t e r 。c o m p a r e dw i t ht h eu s u a lp i d i t h a v ev e r yg o o dp a r a m e t e r sa d j u s tf u n c t i o n ，ab e t t e rr o b u s t 。 f i n a l l y , w ec a r r yo u t2 - a x e ss e r v op l a t f o r mc l o s e - c y c l ee m u l a t ee x p e r i m e n t ，t h e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h i sc o n t r o l l e rc a nw e l lc o n t r o ll i n e a ra n dc i r c u l a rm o t i o na n d c a nq u i c k l ya n dp r e c i s e l yt r a c kc o m m a n d sm o t i o ns og e tb e r e rp o s i t i o nc o n t r o lp r e c i s e 1 i 篓童三兰竺查堂堡主兰垡丝苎 i naw o r d ，t h ec o n t r o l l e rb a s e dc o m p u t e rs t a n d a r db u sw i l lb et h em a i np r o d u c t si nt h e m a r k e t ，h o w e v e r ，t h ep ce m b e d d e db a s e dn e t w o r kc o n t r o l l e rw i l lh a v ea g o o df o r e g r o u n d 。 k e yw o r d s ：d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , d s p , f e e df o r w a r d ，m o t i o nc o n t r o l l e r 1 1 1 长春工业大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 6 t 论文作者签名 长春工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 运动控制器的研究现状 运动控制起源于早期的伺服控制( s e r v o m e c h a n i s m ) 。简单地说，运动控制就是对 机械运动部件的位鼍、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定 的运动参数进行运动。早期的运动控制技术主要是伴随着数控( c n c ) 技术、机器人技术 ( r o b o t i c s ) 和工厂自动化技术的发展而发展的。早期的运动控制器实际上是可以独立 运行的专用的控制器，往往无需另外的处理器和操作系统支持，可以独立完成运动控 制功能、工艺技术要求的其他功能和人机交互功能。这类控制器可以成为独立运行 ( s t a n d - a l o n e ) 的运动控制器。这类控制器主要针对专门的数控机械和其他自动化设备 而设计，往往已根据应用行业的工艺要求设计了相关的功能，用户只需要按照其协议 要求编写应用加工代码文件，利用r s 2 3 2 或者d n c 方式传输到控制器，控制器即可完 成相关的动作。这类控制器往往不能离开其特定的工艺要求而跨行业应用，控制器的 开放性仅仅依赖于控制器的加工代码协议，用户不能根据应用要求而重组自己的运动 控制系统i l j 。 、 如今，运动控制器已经从以单片机或微处理器作为核心的运动控制器和以专用芯 片( a s i c ) 作为核心处理器的运动控制器，发展到了基于p c 总线的以d s p 和f p g a 作为 核心处理器的开放式运动控制器。运动控制技术也由面向传统的数控加工行业专用运 动控制技术而发展为具有开放结构、能结合具体应用要求而快速重组的先进运动控制 技术。基于网络的开放式结构和嵌入式结构的运动控制器逐步成为自动化控制领域里 的主导产品之一。 目前，运动控制器从结构上主要分为如下四大类： ( 1 ) 以单片机或微处理器作为核心的运动控制器 通常的微处理器采用m c s 一5 1 、m c s 一9 6 等为代表的8 位或1 6 位单片机。以微处理 器为核心的控制器具有电路简单、可以实现较复杂的控制算法、具有一定的灵活性和 适应性、提供一定的人机界面管理等功能。在一些性能要求不是很高的场合，是一种 普遍应用的控制电机的运动控制卡。 然而，由于微控制器一般采用冯一诺依曼结构，处理器的速度有限，处理能力也有 限；而且单片机系统比较复杂，软件编程的难度较大。同时，一般单片机的集成度较 低，片上不具备运动控制系统所需要的专用外设，比如p w m 产生电路等。因此，基于 微处理器构成的运动控制器需要较多的元器件，这就增加了系统电路板的复杂性，降 低了系统的可靠性，也难以满足运算量较大的实时信号处理的需要，难以实现先进控 制算法，如预测性控制、模糊控制等。 ( 2 ) 以专用芯片( a s i c ) 作为核心处理器的运动控制器 这类运动控制器结构比较简单，但这类运动控制器大多数只能输出脉冲信号，工 长春工业大学硕士学位论文 作于开环控制方式。这类控制器对单轴的点位控制场合是基本满足要求的，但对于要 求多轴协调运动和高速轨迹插补控制的设备，这类运动控制器不能满足要求。由于这 类控制器不能提供连续插补功能，也没有前瞻功能( l o o ka h e a d ) ，特别是对于大量的 小线段连续运动的场合，如模具雕刻，不能使用这类控制器。另外，由于硬件资源的 限制，这类控制器的圆弧插补算法通常都采用逐点比较法，这样一来圆弧插补的精度 也不高【2 l 。 ( 3 ) 基于p c 总线的以d s p 和f p g a 作为核心处理器的开放式运动控制器 这类开放式运动控制器以d s p 芯片作为运动控制器的核心处理器，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 + 运动控制器”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。 这类运动控制器充分利用了d s p 的高速数据处理功能和f p g a 的超强逻辑处理能力，便 于设计出功能完善、性能优越的运动控制器。这类运动控制器通常都能提供板上的多 轴协调运动控制与复杂的运动轨迹规划、实时的插补运算、误差补偿、伺服滤波算法， 能够实现闭环控制。由于采用f p g a 技术来进行硬件设计，方便运动控制器供应商根据 客户豹特殊工艺要求和技术要求进行个性化的定制，形成独特的产品；它开放的函数 库可供用户根据不同的需求，在d o s 或w i n d o w s 等平台下自行开发应用软件，组成各 种控制系统。如美国d e l t a t a u 公司的p m a c 多轴运动控制器和固高科技( 深圳) 有限公 司的g t 系列运动控制器产品等。目前这种运动控制器是市场上的主流产品。 ( 4 ) 嵌入式运动控制器 嵌入式运动控制器部分由嵌入式c p u 主板和运动控制模块构成，提供显示器、网 络、鼠标键盘、u s b 等接口。运动控制器通过轴控接口板可同时控制多个电机运动， 用户通过显示器可以很方便地监视程序运行情况。 嵌入式运动控制器将e p u 和运动控制器作为一个整体封装在黑匣子中，避免了很 多传统基于p c 插拔式的缺点，同时也避免了p c 机因为经常插、拔卡所造成的接触不 良而导致错误的指令传输，甚至烧坏主板的的情况发生。由于工业现场普遍环境比较 恶劣，粉尘、油污很容易进入p c 机中，导致控制器寿命减短，所以，基于p c i i s a 总 线的运动控制器将会逐渐被嵌入式运动控制器所取代 3 1 。 以上第一类运动控制器由于其性能的限制，在市场上所占份额较少，主要应用于 一些单轴简单运动的场合，往往还面临同p l c 厂商提供的定位控制模块的激烈竞争。 第二类运动控制器因其结构简单、成本较低，占有一定的市场份额，但由于其专用芯 片( a s i c ) 能提供运动控制的基本功能，用户可以利用该芯片设计专用的控制器而分薄 了这类运动控制器的市场份额。第三类运动控制器是目前国类运动控制器产品的主流， 目前国外开放式运动控制器产品已经开始大量进入中国：第四类运动控制器目前还处 在发展阶段，技术还尚未完全成熟，但有很大的市场前景。 2 长春工业大学硕士学位论文 我国在运动控制器产品开发方面相对落后，1 9 9 9 年固高科技( 深圳) 有限公司在深 圳成立，她是国内第一家专业开发、生产开放式运动控制器产品的公司。其后，国内 又有其他几家公司进入该领域，但实际上，大多是在国内推广国外生产的运动控制器 产品，真正进行自主开发的公司较少。“八五”期间，我国广大科研工作者也成功开 发了两种数控平台和华中i 型、蓝天i 型、航天i 型、中华i 型等4 种基本系统，这 些系统采用模块化，嵌入式的软、硬件结构。其中以华中i 型较具代表性，它采用工 业p c 机上插接口卡的结构，运行在d o s 平台上，具有较好的模块化、层次化特征，具 有一定扩展和伸缩性。但从整体来说这些系统是数控系统，不是独立的开放式运动控 制器产品。目前，我国是世界上经济发展最快的国家，市场上新设备的控制需求、传 统设备技术升级、换代对运动控制器的市场需求越来越大。另外由于市场日益竞争的 压力，系统集成商和设备制造商要求运动控制系统向开放式方向发展。同时，经济型 数控市场占有率正在逐渐减小。在这样的形势下，我国可以抓住这一机遇，研制出具 有自主知识产权，具有高水平、高质量、高可靠性的开放式运动控制器产品【2 j 。 1 。2 运动控制器的发展趋势 运动控制器总体发展趋势是：运动控制装置由m c 向c m c 发展：广泛采用3 2 位甚至 6 4 位c p u 组成多微处理器系统：提高系统的集成度，缩小体积，采用模块化结构，便于 裁剪、扩展和功能升级，满足不同类型运动控制的需要：驱动装置向交流、数字化方向 发展：c m c 装置向人工智能化方向发展：采用新型的自动编程系统：增强通信功能：运动 控制系统可靠性不断提高眠 运动控制器先后经历了以单片机或微处理器作为核心的运动控制器到以专用芯片 ( a s i c ) 作为核心处理器的运动控制器再到基于p c 总线的以d s p 和f p g a 作为核心处理 器的开放式运动控制器三个阶段后，目前开放式运动控制系统正成为市场的主流产品， 它以通用计算机技术为基础，可为运动控制系统生产商、运动控制系统应用生产商和 最终用户提供可进行二次开发的基础和手段，以形成自己特色的产品，适应现代运动 控制的需要。 概括的讲，运动控制器包括以下两种：基于计算机总线和w i n d o w s 操作系统的开放 式通用运动控制器和基于微控制器的嵌入式专用运动控制器。 从工业控制的角度分析，基于p c 计算机的开放式的运动控制器优缺点如下【2 j ：优 点是：硬件组成简单，把运动控制器插入p c 计算机总线，连接信号线就可组成系统； 可以使用p c 机已经具有的丰富软件进行开发；运动控制软件的代码通用性和可移 植性较好；可以进行开发工作的工程人员较多，不需要太多培训工作，就可以进行 开发。缺点：0 板卡结构的运动控制器采用金手指连接，单边固定，在多数环境较差 的工业现场( 振动、粉尘、油污严重) ，不适宜长期工作；p c 资源浪费。由于p c 的捆绑方式销售，用户实际上仅使用少部分p c 资源，未使用的p c 资源不但造成闲置 长春工业大学硕士学位论文 和浪费，还带来维护上的麻烦；整体可靠性难以保证，由于p c 的选择可以是工控机， 也可以是商用机，系统集成后，可靠性差异很大；难以突出行业特点。嵌入式运动 控制器能够克服开放式运动控制器的上述缺点，使系统更加简洁和高度集成化，有较 好的市场前景。 随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高， 使得以嵌入式微处理器为控制核心的全数字控制系统取代以前的模拟器件控制系统成 为可能，从而促使运动控制系统向嵌入式、全数字、网络化方向发展【2 j 。 1 。3 嵌入式运动控制器及其研究现状 1 3 1 嵌入式运动控制器的概念 嵌入式运动控制器，这种控制器是把计算机嵌入到运动控制器中的一种产品，它 能够独立运行，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。这类运动控制器通常都能提供板上的多轴协调运动控制与复杂的运动轨迹规划、 实时的插补运算、误差补偿并能够实现闭环控制。运动控制器与计算机之间的通信依 然是靠计算机总线，实质上是基于总线结构的运动控制器的一种变种。对于标准总线 的计算机模块，这种产品采用了更加可靠的总线连接方式( 采用针式连接器) ，更加适 合工业应用。在使用中，采用如工业以太网、r s 4 8 5 、s e r c o s 、p r o f i b u s 等现场网络通 信接口联接上级计算机或控制面板。嵌入式的运动控制器也可配置软盘和硬盘驱动器， 甚至可以通过i n t e r n e t 进行远程诊断。 1 3 2 嵌入式运动控制器的系统构成和典型应用 图1 。1 给出了一个完整的嵌入式运动控制系统的示意图。嵌入式运动控制器部分 由嵌入式c p u 主板和运动控制模块构成，提供显示器、网络、鼠标键盘、u s b 等接 口。运动控制器通过轴控接口板可同时控制四个电机运动，用户通过显示器可以很方 便地监视程序运行情况【3 l 。 嵌入式运动控制器开发的目的，就是在不适宜使用p c 的场合替代p c 系统，有些 工业现场的环境十分恶劣，油污、粉尘容易污染p c 机插槽。使得p c 插槽式的运动控 制器寿命降低，而且接触不良将造成错误的信号传输甚至烧坏主板。而且对于很多场 合工控机的很多功能没有用处而用户必须要付出成本，嵌入式运动控制器解决了这个 问题，兼顾功能而又节省成本把不需要的设备裁减掉。 嵌入式运动控制器应用领域包括p c b 钻床、激光振镜成型、激光打标、雕刻机等 工业领域i j j 。 4 长春工业大学硕士学位论文 图1 1 嵌入式运动控制系统示意图 图1 2 嵌入式运动控制器的典型应用吲 而这些应用领域都可以抽象为对电机的控制。如图1 2 所示，嵌入式运动控制器根 据用户具体应用程序发送控制信号给电机驱动器，驱动器控制电机转动，从而通过丝 杠等传动设备带动机床移动。同时电机上的编码器，根据误差实时校正控制信号，从 而实现精确的运动控制功能。 1 3 3 嵌入式运动控制器的研究现状和发展趋势 目前，市场上的嵌入式产品大体分为三大类，各类运动控制器优势比较如下：( 1 ) 嵌入式运动控制器：将c p u 和运动控制器作为一个整体封装在黑匣子中，避免了很多 传统基于p c 插拔式的缺点：成本远小于工控机+ 通用运动控制器；牢固的接插方式； 成本超低；抗外界干扰能力强，降低电源不稳对运动控制的影晌；没有w i n d o w s 系统 长春工业大学硕士学位论文 带来的不稳定因素，降低用户服务量；可提供多种外部接口；低功耗设计，降低电源 和散热系统成本；针对性机械结构设计。可靠性优于工控机+ 通用运动控制器；无风扇、 硬盘、拔插式内存条等易损坏的部件，没有一个机械运动的部件；强化的机械结构设 计；封闭外壳，彻底抗粉尘； ( 2 ) s o mc p u + 运动控制器：模块化；成本优于嵌入式系 统；体积小、结构紧凑；功耗低、发热少。 ( 3 ) s o cc p u + 运动控制器：单片化；开放 式数控产品最理想解决方案【5 】。 随着i s p 在线可编程技术、嵌入式i n t e r a c t 技术以及嵌入式实时操作系统等信息技 术的发展，人们对运动控制器也提出了越来越高的要求。网络化、嵌入式、可重构的 开放式智能运动控制器成为当前运动控制领域的一个重要发展方向。 同时，随着s o m ( s y s t e mo i lm o d u l e ) 和s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 的发展，嵌入式 p c 运动控制器获得了良好的发展。嵌入式运动控制器产品可以很方便地将在p c 上开发 的应用系统，不加任何改动就可以很方便地移植过来。由于嵌入式p c 的运动控制平台 具有标准p c 的接口功能，用户不需要再购买工业p c 就能很方便的组成他们自己的系 统。这种嵌入式运动控制器既提高了整个系统的可靠性，又使系统更加简洁和高度集 成化【5 1 。 伴随着工业现场网络总线技术的发展，基于网络的嵌入式运动控制器获得了极大 的发展，并已经开始应用于多轴同步控制中。越来越多的传统的以机械轴同步的系统 开始采用网络运动控制器控制的电机轴控制，这样可以减少系统的维护和增加系统的 柔性。 可以说，未来的工控领域将是嵌入式的天下。谁能先掌握这门技术，先开发出相 应的产品，谁就能抢先占领市场份额，得到进一步发展。 1 4 问题的提出和论文主要研究的内容 1 4 1 问题的提出 现代运动控制器( m c ) 主要有三种类型：p c 连接型、m c 嵌入型和全软件型。当前 市场上的运动控制器大多是m c 嵌入型。 m c 嵌入型c m c ( 计算机化运动控制器) 又称板卡式运动控制器，是在通用p c 的扩 展槽( i s a ，p c i ) 中装入运动控制卡，运动控制卡包含运动控制器的几乎所有的处理功 能删。 这种类型的优点是能充分保证系统的性能，软件的通用性强而且编程处理灵活。 由于现在的运动控制卡一般都是p c i 总线的，因此m c 与主机的通信速度很快。缺点是 运动控制卡很难独立运行，难以做到小型化，系统的可靠性的确保也是一个有待进一 步研究的问题。 常见的p c 连接型c m c 是将m c 与p c 用串口或者并口直接相连的一种组成形式。 6 长春工业大学硕士学位论文 其优点是容易实现，m c 可以独立工作也可以与p c 机协同工作，c m c 提供开放的a p i 函数库，使得用户可以在w i n d o w s 平台下执行开发构造所需的控制系统，可以支持通 用软件。缺点是c m c 部分不能实现完全开放化；当与p c 机协同工作时，系统的通信速 度慢，甚至会影响系统的响应速度峥j 。 所谓全软件型c m c 是指c m c 的运动控制软件全部装在计算机中，全部功能处理工 作都是由p c 进行，并通过装在p c 扩展槽中的标准化通用接口卡对伺服驱动和外部i o 等进行控制1 6 j 。 其优点是它提供给用户最大的选择和灵活性，就像计算机中可以安装各种品牌的 声卡、c d r o m 和相应的驱动程序一样。用户可以在w i n d o w sn t 平台上，利用开放的运 动控制内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能运动控制系统，与前几种 运动控制系统相比，全软件型开放式运动控制系统具有较高的性能价格比，因而具有 很强的生命力。缺点是在通用p c 上进行实时处理较困难，较难保证系统的性能，其可 靠性的确保也有待进一步提高。如果这些问题都得到解决全软件型c m c 无疑是一种最 合适的开放式结构。 实际上在很多专用运动控制器应用场合，特别是在中小型数控系统中，仍然要求 运动控制器能小型化、可以独立工作、具有较高的经济性，在需要的时候又能够与p c 进行协同工作，以充分利用计算机的软件优势。在上述场合m c 嵌入型运动控制器并不 是很适合，因此在国内市场中，传统运动控制器还占有不少的市场。为满足这些需要， 在吸收当前先进的数字电路技术和开放性的设计思想的基础上，本文提出和设计一种 嵌入式多轴运动控制器【7 】。 1 4 2 论文研究的主要内容 根据以上所提出的问题，本文要在以下几个方面对该嵌入式运动控制器进行研究： ( 1 ) 研究完成基于“1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a + m c x 31 4 a s ”的嵌入式多轴运动控制器的硬 件设计。主控制器d s p 2 4 0 7 a 进行文件编译、数据处理和通信、输入输出控制、状态 显示和监控。并按照预定算法对运动轨迹进行分析计算并得出最终的结果，及时快速 地将处理好的数据和设置好的参数实时传送给m c x 3 1 4 a s ；m c x 3 1 4 a s 控制器是一个 能同时控制4 个脉冲型伺服电动机驱动器或步进电动机驱动器的运动控制集成电路， 它以脉冲串形式输出，能对伺服电动机或步进电动机驱动的位置速度和进给进行控制。 d s p 2 4 0 7 a 发送命令和数据，m c x 3 1 4 a s 控制器接受到命令后，输出相应的脉冲串控 制步进或伺服电动机进行工作，根据给定数据进行速度调节。如直线的加减速，s 曲线 的加减速等。由功能指令和起点及终点位置进行2 轴或3 轴的直线插补、圆弧插补和 位模式插补。m c x 3 1 4 a s 与d s p 的结合，既能灵活的通过数字信号协调控制伺服电机 的多轴运动，又能通过自身的内部结构特点，分担和减小d s p 的工作量，这样保证运 动控制的实时性和准确性 长春工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 现场网络通信接口的研究。考虑到控制器应该具有网络通讯功能，并可以实 现资源共享，远程通讯或监控等，从而去提高系统管理监控的柔性化程度。尽管 r s 2 3 2 ( 4 2 2 ，4 8 5 ) 串行通讯应用广泛，但其通讯速度较低，而且通讯距离有限；现场总线 c a n 总线，虽然它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，通讯速率 能达到1 m b p s ( 距离小于4 0 神，但通讯距离最远可达t o k m ，因此这些都不能满足网络 化远程通讯的要求，于是本论文采用当今最流行、应用最广泛的通信技术以太网， 实现实时的网络化远程控制与管理。嵌入式运动控制器内部结构图如图3 所剥副。 图i 3 嵌入式运动控制器内部结构图 ( 3 ) 算法研究。考虑到实际应用中一些运动轨迹的复杂多变性，加之多轴的协调 高速运动的特点，本系统采用二次插补法将插补过程分为粗插补和精插补：粗插补包括 直线和圆弧的粗插补，采用时间分割法，由软件来实现，插补周期和采样周期均定为 l m s ：精插补包括二维和三维直线段插补，硬件实现( 运动控制器插补) 和软件实现( 位模 式插补) 时均采用最小偏差法。 在对伺服电机进行位置控制时，为了保证控制精度，在传统p d 控制算法的基础 上，引入了速度和加速度前馈，即“p + k ，+ 岛”滤波器，以增强系统的鲁棒性， 一旦出现扰动，前馈调节器就直接根据扰动的大小和方向，按照前馈调节规律补偿扰 动对被控量的影响。由于扰动作用至u 系统之前，即被控量在发生变化之前，前馈调节 器就进行了补偿，从而在很大程度上提高了系统控制品质。其中速度前馈用来减小微 分增益或减速发电机环路阻尼所带来的跟随误差，而加速度前馈用来补偿由于惯性所 带来的跟随误差，通过调节各参数，该滤波器能对大多数系统实现精确而稳定的控制。 ( 4 ) 两轴伺服平台的仿真实验与分析。控制器硬件设计完成后，采用各部分独立 仿真测试的方法来进行。首先检查各个电源模块的工作是否正常；在各个电源模块正常 的情况下，对d s p 硬件模块进行了仿真测试，并进行了实时在线编程；最后完成对各 个数控功能模块的测试。 1 5 本章小结 在阅读大量文献后，本章首先根据运动控制器产品的应用领域、目前市场上的产 品类型提出了运动控制产品的现状和整个运动控制产品的发展趋势。然后，探讨了本 论文的研究目标嵌入式运动控制器的应用领域和目前市场上该类产品的应用情况并与 长春工业大学硕士学位论文 目前流行于市面上的运控产品在性能和可靠性等方面做了比较和分析，最后，提出了 问题并确定了本论文的研究内容，为下一步论文的研究明确了目标。 长春工业大学硕士学位论文 第二章运动控制器硬件系统构成 控制器需要实时进行位置控制，进行高精度、高速度的插补和复杂的控制算法运 算，因此，控制器的微处理器要有强大的计算能力，以利于数控加工精度及速度的要 求，从而保证运动控制的实时性，本文采用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数字信号处理器 作为该系统的微处理器；另外，目前市场上的大多数运动控制器采用的是模拟信号输 出，在系统内部，c p u 以数字形式对信号进行处理，然后通过d a 转换输出模拟信号控 制伺服电机运动，由输出的模拟信号的电平高低来控制电机转动的快慢，这样，系统 的抗干扰性能比较差，可靠性和稳定性因此受到很大影响，如果控制器与电机之间交 换的是数字信号的话，将能很好的解决这个问题，本文采用d s p 专用控制运动芯片 m c x 3 1 4 a s ；同时，随着网络信息技术的发展，具有网络通讯功能的控制器越来越受 到用户的青睐，本文选用具有p c i 接口的以太网控制芯片r t l s l 3 9 实现r t l 8 1 3 9 与d s p 接口。因此，运动控制器的硬件电路总体设计可分为以下三个部分： ( 1 ) 选用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数字信号处理器作为该系统的微处理器。该系统 充分利用了此芯片高速高性能的数据处理能力，以及利用其内部集成的串行通讯接口 ( s c i ) 模块与计算机之间进行的数据传输可以实时地在计算机终端上显示出来等优 点，按照预定算法对运动轨迹进行分析计算并得出最终的结果一电机运动过程中各轴 的初始速度、加减速度、驱动速度、s 曲线加速度变化率、倍率、插补时的走步计算、 过象限判断、终点判定、速度变化等，及时快速地将处理好的数据和设置好的参数实 时传送给m c x 3 1 4 a s ，同时也能从m c x 3 1 4 a s 的寄存器里读取状态数据。 ( 2 ) m c x 3 1 4 a s 运动控制芯片，它完成系统的大部分运动控制功能，其性能直接影 响系统的整体性i i m c x 3 1 4 a s 的所有功能都是通过特定的寄存器控制的，如命令寄存 器，数据寄存器，状态寄存器和配置寄存器。当m c x 3 1 4 a s 控制器从l f 2 4 0 7 c p u 得到基本 数据( 如直线的起点和终点：圆弧的圆心、起点、终点，迸给的速度，刀具参数等) 开始工 作时自动在轮廓起点和终点之间计算出若干中间点，将工件轮廓描述出来，并为系统提 供运动控制脉冲控制系统的驱动速度、运动轨迹，从而实现直线插补、圆弧插补和位模 式插补等功能。结合各种插补，机床可以加工任意形状的零件。 ( 3 ) 控制器应该具有网络通讯功能，可以实现资源共享，远程通讯或监控等，提 高系统管理监控的柔性化程度。网络通信模块的功能是通过网络从用户程序那里取得 电动机控制命令，并将命令传递给运动控制模块，另外还会将运动控制模块返回的命 令执行结果或者电动机的当前状态返回给用户程序。 系统硬件连接框图如图2 1 所示： 基本硬件主要是t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 微处理器和m c x 3 1 4 a s 运动控制器。主要包括显 示器和键盘接口、外扩r a m 电路、外扩f l a s h 电路，复位和掉电保护电路、脉冲串 1 0 长春工业大学硕士学位论文 输出电路、经过光电隔离的开关量输入和输出电路、现场网络通信接口和串口通信电 路以及程序加载电路。 p c 与d s p 控制器之间采用u s b 通讯，根据任务的实时性要求进行任务划分，将 实时性强的运动控制、检测与监控任务由m c x 3 1 4 a s 完成，而编辑、运动规划、人机 界面等非实时的任务由d s p 的图形化界面实现，满足实时控制和友好操作的人机界面 的要求。在本系统中，p c 机把粗插补的数据通过u s b 接口传递给轴控制系统，d s p 通 过对光电编码器反馈信号处理电路的结果分析，计算出与给定位置的误差值，再通过 软件p i d 调节器获得位置控制量，计算出速度控制量，这些控制量通过数据总线传送 给m c x 3 1 4 a s ，m c x 3 1 4 a s 通过对伺服电机的控制实现对位置的闭环控制。 l s 2 3 2 电平转换 以太阿接口 j t a g 接口 外扩s r a m 外扩f l a s h 鼠标，键盘、v g a 接 口 电源模块 系统时钟和复位 l e d 指示与蜂鸣嚣 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 微控制 器 胁 耽 a 0 - 2 d o 1 5 删 豫 a o 一2 b u s y n x i n t o i n t n 1 6 i 晶拓 图2 1 系统硬件连接图 x p p p m 。+ 。 叫2 6 l s 3 1 d c b c b i n 2 限位报警 o u t 4 - 7 伽t o 一3 2 6 l s 3 2 光耦隔离 光耦隔离 伺服驱动器 l e d 显示 光耦隔离 人机界面由字符型l c d 、显示器和键盘组成。键盘由数字键和功能键组成，可以 完成对控制系统的指令和参数输入。 时钟电路、复位电路、电压检测电路、存储器扩展电路组成t d s p 多轴运动控制 器的最小系统： 在时钟电路中，采用外部i o m h z 时钟源。通过t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的时钟模式设定， 选用4 p l l 琐相环方式，使d s p 工作频率为4 0 m h z 复位电路由上电复位，看门狗复位和主控p c 机复位三个信号逻辑“与”后产生。 其中的看门狗电路模块，当d s p 正常工作时，不会产生复位信号，如果出现死机现象， 则看门狗电路产生复位信号，d s p 被复位。 电压监控任务由外部看门狗电路完成，本论文选用的是d s l 8 3 4 a 芯片 3 3 1 。此芯片 长春工业大学硕士学位论文 可同时对电路板上+ 5 v 和+ 3 3 v 电压进行监控，电压安全范围可进行调节，还有手动 复位功能。如果电压超出安全范围，则在相应引脚产生低电平复位信号，直到电压恢 复正常后再经过3 5 0 m s 复位引脚恢复高电平；若手动复位则两个复位引脚同时产生复 位信号。 为了跟d s p 的u o i 作电压相匹配，片外扩展存储器我选用了s s t 公司3 3 v 供电的 f l a s hm e m o r y3 9 v f 4 0 0 a ( 5 1 2 k 1 6 ) 。f l a s hm e m o r y 是慢速器件，与高速d s p 之间存在 速度上的冲突。为解决这个问题，利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的程序引导装载功能一一加电 后，d s p 从慢速f l a s hm e m o r y d ? 读取固化程序，将其装载到快速的片内r a m 中运行， 以获得高速运行的能力。另外，d s p 在读取f l a s hm e m o r y 中的固化程序时，从地址稳 定到数据有效仅需十几个n s 的时间，而f l a s h m e m o r