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四川大学硕士学位论文基于d s p 的嵌入式运动控制器研究 基于d sp 的嵌入式运动控制器研究 机械制造及其自动化专业 研究生苏诗捷指导老师张春雷 以传统机电工业为代表的制造业，正经历着深刻的变革。在这场革命中， 大力发展先进的制造技术已成为各国最重要的几大技术战略之一，先进制造 技术已经是国际竞争与产品革新的一种重要手段。数控技术是用数字信息对 机械运动和工作过程进行控制的技术，是先进制造技术的基础，是发展新兴 高新技术产业和尖端工业的最基本的装备，是制造业现代化的重要基础，这 个基础牢固与否将直接影响到国家的经济发展和综合国力，关系到国家的战 略地位。 运动控制器是以中央逻辑单元为核心，以传感器为信号敏感元件，以电 机动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。对于数控系统来说，最 重要的是控制各个电机轴的运动，这是运动控制器接收并依照数控装置的指 令来控制各个电机轴运动从而实现数控加工的，数据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。目前对开放式数控系 统的研究重点已由插入p c 的运动控制器转向独立式的运动控制器研究。后者 最大特点是其能够独立于计算机运行。其核心依然是对步进、伺服电机进行 控制的运动控制器的研究。对于数控系统而言，运动控制器的性能很大程度 上决定了整个数控系统的性能，而微电子和数字信号处理技术的发展及其应 用，使运动控制器的性能得到了不断改进，集成度和可靠性大大提高。 本课题通过对运动控制技术的深入研究，并针对国内运动控制技术的研 究起步较晚的现状，结合当前嵌入式领域的具体需要，紧跟当前运动控制技 术研究的发展趋势，吸收了数控技术、相关运动控制技术以及微电子技术的 四川大学硕士学位论文基于d s p 的嵌入式运动控制器研究 最新成果，提出了基于d s p 的嵌入式运动控制方案，研制了一款比较新颖的、 功能强大的、具有很大柔性的脱机式的多功能运动控制器。 本课题的具体研究主要有以下几方面： 首先，通过对开放式数控系统及嵌入式系统现状的全面调研，和对运动 控制技术的深入学习，在比较了几种常用的运动控制方案的基础上，提出了 基于d s p 的嵌入式运动控制方案，并规划了控制器的总体设计。 其次，根据控制器的总体设计，规划了控制器的硬件结构，d s p 作为控制 器c p u 控制核心，研究并设计了基于d s p 的外围电路：如存储、通讯、j t a g 以及电源等，利用f p g a 硬件设计的灵活性设计并实现了m c c 。 再次，研究实时操作系统uc 0 s 及其运行机制，根据总体软件设计，实 现uc 0 s 系统移植并规划系统任务，根据通讯协议合理规划了通讯流程，结 合行业应用合理规划了d s p 指令的形成过程，并对d s p 软件的具体实现进行 了规划与设计。 最后，利用运动控制器强大的运动控制功能，并针对激光高速切割行业 应用进行了大量的测试，实现了切割高速、平稳以及激光功率自动调节。从 测试和应用结果来看，该控制器达到预期的要求。 关键词：d s pf p g a 数控运动控制器激光切割 i l t h er e s e a r c h0 fe m b e dm o t io nc o n t r 0 1le rb a s e0 n d s p m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n c a n d i d a t es us h i j i es u p e r v is o rz h a n gc h u n l e i t h em a n u f a c t u r i n g ，r e p r e s e n t e db yt h et r a d i t i o n a lm a c h i n i n ge l e c t r o n i n d u s t r y ， i sc o m i n gt h r o u g hap r o f o u n d w h i c hi sr e p r e s e n t e db yt h et r a d i t i o n a l r e v o l u t i o n t h em a n u f a c t u r i n g ， m a c h i n i n ge l e c t r o ni n d u s t r y ， is c o m i n gt h r o u g hap r o f o u n dr e v o l u t i o n i nt h er e v 0 1 u t i o n ，d e v e l o p i n g a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ye n e r g e t i c a l l yh a sb e e no n e o fs e v e r a l s t r a t e g i e so ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g yi n m o s tc o u n t r i e s t h e n u m e r i c a lc o n t r o l ( n c ) t e c h n 0 1 0 9 yi st h et e c h n 0 1 0 9 yt h a tc o n t r o lm a c h i n e m o t i o na n do p e r a t i n gp r o c e s sw i t hd i g i t a li n f o r m a t i o n ， i s t h eb a s eo f a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n 0 1 0 9 y ， i st h em o s tb a s i ce q u i p m e n to f d e v e l o p i n gh i g h t e c h n o l o g yi n d u s t r ya n dt o pi n d u s t r ya n di s t h e i m d o r t a n tb a s eo fm a n u f a c t u r em o d e r n i z a ti o nw h e t h e riss 0 1ido rn o tw i1l i n f l u e n c et h en a t i o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dc o m p r e h e n s i v en a t l o n a 上 s t r e n g t ha n di n f l u e n c et h es t r a t e g i cp o s i t i o no fc o u n t r y m o t i o nc o n t r 0 1 1 e r ( m c )i sac o n t r 0 1d e v i c et h a tr e g a r d si t sc e n t r a l l o g i cu n i ta st h ec o r e ， s e n s o ra st h es e n s i t i v ec o m p o n e n t ， a n d e l e c t r o m o t o ro re x e c u t i v eu n i ta st h ec o n t r 0 1 l e do b j e c t m ci sv e r y i m p o r t a n ti nt h en c s ( o p e n n u m e r i c a l c o n t r 0 1 一s y s t e m ) ，b e c a u s ei t i st h e m o s ti m p o r t a n tt oc o n t r o lt h em o v e m e n to ft h em o t o ro fe a c ha x i si nt h e 四川大学硕士学位论文茎三里婴箜堂全壅垩垫笙型墨堡生 ：一 n cs y s t e ma n dt h ep r e c is i o no fp o s i t i o nc o n t r 0 1 a n dp e r f o r m a n c eo 士 v e l o c i t ya d j u s t i n ga r ed i r e c t l yr e l a t e dt om c i nt h ep r e s e n t ， t h e r e s e a r c hf o c u sh a st u r n e df o r mp c b a s e dn cc o n t r o ld e v ic et oin d e p e n d e n t n cc o n t r o ld e v i c e i n d e p e n d e n tn cf e a t u r e si n i t si n d e p e n d e n c et ot h e p c w h o s ek e yi st h es t u d yo fm o t i o nc o n t r 0 1t os t e p p l n go rs e r v o m o t o r a sf a ra sn cs y s t e mi sc o n c e r n e d ，i t sf u n c t i o ni sd e t e r m i n e db yt h e m o t l o n c o n t r o ld e v i c e ， t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h em i c r oe l e c t r l c a n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi m p r o v et h ef u n c t i o no fm o t l o n c o n t r 0 1d e v i c ea n dg r e a t l yi n c r e a s et h e l e v e l o fi n t e g r a t i o na n d d e p e n d a b i1 i t y d u r i n gt h er e s e a r c h ，t h r o u g ht h eo v e r a l ls u r v e yo fo n c sa n dd e e ps t u d y o fm o t i o nc o n t r 0 1t e c h n 0 1 0 9 y ( m c t ) ， f a c i n gt h eb e h i n d h a n da c t u a l i t yo f r e s e a r c ho fd o m e s t i cm c t ， t om e e tt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t so ft h e e m b e d d e ds y s t e m ， f 0 1l o w i n gt h ed e v e l o p i n gt r e n do f t h ep r e s e n tm c t ， d r a w i n go nt h en e wp r o d u c t i o no ft h ep r e s e n to n c s a n dr e l a t i n gm c t ， b r i n g i n gf o r w a r dt h es 0 1 u t i o nb a s e d o nd s p ， w eh a v ed e v e l o p e da t h r e e a x i sm u l t i f u n c t i o n a lm o t i o nc o n t r o l l e rw h i c h i sv e r yo r l 9 1 n a 上， p o w e r f u la n df l e x i b l e i nt h ep a p e r ， t h e r ea r et h ef o l1 0 w i n gm a j o rc o n t e n t s ： f i r s t l y ，t h r o u g ht h eo v e r a l ls u r v e yo fo n c s ， e m b e d d e ds y s t e m ， a n d d e e ps t u d yo fm c t ，b a s eo nt h ec o m p a r i n go ft h ec 。m m o ns o l u t 1 0 n so 士m o tl o n c o n t r o l ，w eb r o u g h tf o r w a r dt h es o l u t i o no fm o t i o nc o n t r o lb a s e do nd s p ， a n dm a d eo u tt h ew h o l ed e s i g ns o l u t i o no fc o n t r o e r s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h ed e s i g ns 0 1 u t i o n ， w ef i g u r eo u tt h e h a r d w a r ec o n f ig u r a tio no ft h ec o n t r 0 11e r ， s t u d ya n dgiv et h ep e r 1p h e r a l c i r c u i t ，a s ：m e m o r ys t o r a g e ， c o m m u n i c a t i o n ，j t a g ， p o w e ra n ds oo n ， w e u s eaf p g ac h i pt of o u n dm c c t h i r d l y ，s t u d yt h em e c h a n i s mo ft h e uc o sr e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ， a c c o r d i n gt ot h ew h 0 1 ed e s i g no fs o f t w a r e ，w er e p l a n tt h e pc o s ，p r o g r a m i i 四川大学硕士学位论文基于d s p 的嵌入式运动控制器研究 t h es y s t e mt a s k ，p r o g r a mt h ec o m m u n i c a t i o nf l o wt ot h ep r o t o c o l ，p r o g r a m t h ed s pi n s t r u c t i o nf l o wt ot h ea p p l i c a t i o n f i n a l l y ，m a k i n ga d v a n t a g eo ft h ep o w e r f u lf u n c t i o no ft h ec o n t r o l1 e r ， a n da i m i n ga tt h el a s e rc u t t i n ga p p l i c a t i o n ，w em a k et h el a s e rc u t t i n g s y s t e mw o r ki naf a s t e ra n ds t a b i1 ew a y ， a n dm a k et h el a s e rp o w e rw o r k i nas e l f r e g u l a t i o nw a y k e y w o r d s ：d s p f p g an cm o ti o nc o n t r o l1 e rl a s e rc u t ti n g l i i 四川大学硕士学位论文基于d s p 的嵌入式运动控制器研究 声明 本人声明，本人呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中已不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均在论文中作了明确的说明并深表谢意。 本学位论文成果是本人在四j i i 大学读书期间在导师的指导下所取得的， 论文成果归四川大学所有，特此声明。 6 2 研究生：冬诲 v 导航徘锣 2 0 0 7 年5 月 四川大学硕士学位论文基于d s p 的嵌入式运动控制器研究 1 概述 1 1引言 运动控制技术是一个结合了电机学、自动控制学、电气技术、机电一体化 技术、计算机控制技术的综合技术。运动控制技术作为自动化技术的一个重要 分支，在2 0 世纪9 0 年代，国际上发达国家，例如美国进入快速发展的阶段，由 于有强劲市场需求的推动，运动控制技术发展迅速，应用广泛。简单地说，运 动控制就是对机械运动部件的位置、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n 1 。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。近年来，随着通用运动控制技术的不断进步和完善，通用运动控制器作为 一个独立的工业自动化控制类产品，已经被越来越多的产业领域接受，并且它 已经达到一个引人瞩目的市场规模。据美国调查公司a r c ( a u t o m a t i o nr e s e a r c h c o m p a n y ) 调研，2 0 0 5 年世界通用运动控制市场超过5 0 亿美元，预计2 0 1 0 年将接 近7 0 亿美元。 1 2 运动控制器发展及研究现状 1 2 1 国外发展及研究现状 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 ) 。早期的运动控制器 主要是针对数控等行业的专用控制器，是可以独立运行( s t a n d a 1 0 n e ) 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心1 。这类控制器以单片机或微处理器 作为核心，且主要针对专门的数控机械和其他自动化设备而设计。往往己根据 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。随着现代科学技术的进步，这种运动控制器由于其自身的特性限制，如 封闭式结构、控制软件的兼容性差、容错性和缺少网络功能等，已不能满足现 代工业和社会发展的要求。为此，1 9 8 7 年国家组织的开放式运动控制系统研究 四川大学硕士学位论文基于d s p 的嵌入式运动控制器研究 开始兴起。首先是美国空军在美国政府资助下发表了著名的下一代控制器n g c ( n e x tg e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n m a c h i n ec o n t r o l l e r ) 研究计划，该计划重 要内容之一便是提出了“开放系统体系结构标准规格( 0 s a c a ) ，目的是要建 立一种开放式的控制系统标准，使不同的设计人员可依据规范开发具有互换性 和互操作性的控制器部件，打破少数制造商的技术垄断，加快控制系统的发展 步伐。其后有许多相关的研究计划在世界各国相继启动，其中影响较大的有美 国的开放式模块化结构控制器0 m a c ( 0 p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r e c o n t r o l l e r ) 、欧秒h 的0 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 0 1w i t h i na u t o m a t i o n ) 和日本的0 s e c ( 0 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 e t u r e ) 等计划b 3 。在实施计划的同时，欧美等发达国家的公司也一直 致力于研究开发开放式运动控制器。 开放式结构运动控制器是2 1 世纪运动控制技术的主要研究内容，具有可互 换性、可伸缩性、可移植性、互操作性、可扩展性等特性。开放式运动控制器 与传统的运动控制方法相比，具有以下显著特征h 1 l 、能方便地与机床、机器人等被控设备联接； 2 、一个运动控制器从硬件上可以实现一到多个坐标轴的位置、速度和轨迹 伺服控制，从软件上具有完善的轨迹插补、运动规划和伺服控制功能； 3 、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； 4 、由于它采用开放式的技术，具有维护、扩展、升级方便的特点。 由于开放式结构运动控制器的这些优点，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、木工机械、纺织机械、印刷机械等诸多行业。 目前，开放式运动控制器从结构上主要分为三大类晦3 ： 1 、基于计算机标准总线的运动控制器。这类独立于计算机的运动控制器 通常通过计算机标准总线与p c 机相结合构成具有开放体系结构的控制系统。 运动控制器大都采用专业运动控制芯片或高性能微处理器( 如单片机，d s p ) 作为运动控制核心，可完成高速实时插补、自动升降速控制、伺服驱动和外 部i 0 之间的标准化通用接口功能，它开放的函数库可供用户根据不同的需 2 四川大学硕士学位论文基于d s p 的嵌入式运动控制器研究 求，在计算机操作系统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 at a u 公司的p m a c 多轴运动控制器以及g a l i l 公司的g a l i l 运动 控制卡。其中，p m a c ( 可编程多轴运动控制器) 是一个很具代表性的产品， 它是d e l t at a u 公司1 9 9 0 年推出的完全开放体系结构、基于p c 机平台的 运动控制器。该产品采用m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 0 0 2 作为核心c p u ，具有s 曲线加减速功能，可以实现直线、圆弧、螺旋线等多种插补方式。它的速度、 分辨率和带宽等指标远远高于一般的运动控制器。伺服控制包括p i d 加 n o t c h 和速度、加速度前馈控制。具有光纤通讯、m a c r o 环绕网等功能，在 世界上处于领先地位。目前这类运动控制器是市场上主流产品。 2 、s o f t 型开放式运动控制器。它提供给用户最大的灵活性，它的运动控 制软件全部安装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部i 0 之间的标准化通用接口。用户可以在操作系统的支持下利用开放的运动控制 内核，开发所需的控制功能，构成各种类型的高性能运动控制系统。典型产 品有美国m d s i 公司的o p e nc n c 和德国p a ( p o w e ra u t o m a t i o n ) 公司的 p a 8 0 0 0 n t 。s o f t 型开放式运动控制的特点是开发、制造成本相对较低，能够 给予系统集成商和开发商更加个性化的开发平台。 3 、嵌入式结构的运动控制器。它把计算机嵌入到运动控制器中，能够独立 运行。它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，该产品的总线连接 方式采用了更加可靠的针式连接器，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 等现场网络通信接口连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。典型产品有美国a d e p t 公司的s m a r tc o n t r 0 1 l e r 。 1 2 2 国内发展及研究现状 我国在运动控制器产品的开发方面相对落后，1 9 9 9 年固高科技( 深圳) 有限公司在深圳成立，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涉足该领域，比如：深圳雷赛、成都 步进等公司。而实际早在“八五”期间，国内一些研究单位为实现特殊的需 要，并从开发的难度、成本的高低等方面考虑，采用“p c 机+ 运动控制卡 四川大学硕士学位论文基于d s p 的嵌入式运动控制器研究 的方式，构建适合于需要的运动控制系统。如北京机床研究所的中华系列， 沈阳计算所的“蓝天”系列，华中科技大学的“华中”系列等数控系统。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 机加接口卡的结构，运行在d o s 平台上，具有较好的模块化、 层次化特征和一定扩展性、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拍3 。目前国内中高档数控系统基本上被国外产 品所垄断，固高科技公司与德国p a 公司合作，开始进入s o f t 型开放式运动 控制领域，开发了两款高档数控产品畸3 。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、传统设备技术升级和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 产权的高水平、高质量、高可靠性的开放式运动控制器。 总的来说，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： 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。此类芯片如日本 n 0 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，而且开发周期较短口1 。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伺服控制和位置反馈硬件接口。这类 4 四川大学硕士学位论文基于d s p 的嵌入式运动控制器研究 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、通用性好的特点暗1 。 以上第三类运动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，还将在运动控制器市场上占据重要位置。 1 3 本课题的意义及主要内容 1 3 1 课题的意义 由上述可知，运动控制器应用广泛，遍及众多领域，因而运动控制技术的 研究在国际上倍受重视，目前已进入普遍开发阶段。与国外相比，我国在运动 控制器的产品研发方面还比较落后，高端产品基本上被国外公司垄断，我国作 为世界上经济发展最快的国家，市场上新设备的控制需求和传统设备技术升级 换代，对运动控制器的需求越来越大眇。 目前，以d s p 为代表的高速高性能专用微处理器的成熟和p c 机的普及，以d s p 为核心的插卡式运动控制器研究在国内已基本成熟。但是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。p c 机经常插、拔卡所 造成的接触不良，导致错误的指令传输，甚至烧坏主板的问题，也可以通过使 用嵌入式运动控制器来避免。使用嵌入式控制器，c p u 和运动控制器作为一个整 体封装载黑匣子中，避免了很多传统基于p c 插板式的缺点。鉴于此，本文针对 以d s p 为核心的嵌入式运动控制器进行了研究与开发。 1 3 2 研究内容 本课题通过对开放式运动控制器的调研，对运动控制技术的研究以及对常 用运动控制方案的比较，并针对国内运动控制技术研究起步较晚的现状，结合 嵌入式应用领域的具体需要，紧跟当前运动控制技术的发展趋势，吸收了世界 开放式数控技术和相关运动控制技术的最新成果，通过基于d s p 的嵌入式运动控 四川大学硕士学位论文基于d s p 的嵌入式运动控制器研究 制方案，研制了一款比较新颖的、功能强大的、具有很大柔性的三轴多功能运 动控制卡。 本论文主要内容如下： 1 、对国内外运动控制器包括其行业现状的调研和研究，针对国内主流的基 于p c 的运动控制器方案弊端提出了基于d s p 的嵌入式运动控制器方案； 2 、比较几种常用的运动控制方案，确定了基于d s p 的嵌入式运动控制方案， 并规划控制器的总体结构； 3 、基于总体结构详细设计了控制卡的硬件电路，针对不同的模块合理设计 外围电路； 4 、控制器采用了实时操作系统uc o s ，基于该操作系统编制了控制器与p c 之间以及控制器与h m i 设备之间的通讯，规划了指令结构并编制了从一级指令到 二级指令直到运动输出的整个指令处理流程，根据系统稳定性要求设计了控制 体系以及自诊断系统； 5 、利用研制的嵌入式运动控制器，针对激光切割行业的特别需要，实现了 高速、平稳、可靠的激光切割； 6 、最后总结研制过程中的得失，并展望嵌入式运动控制器的改善措施。 6 四川大学硕士学位论文基于d s p 的嵌入式运动控制器研究 2 总体方案 运动控制器是控制技术和运动系统相结合的产物。在现代电子技术的支持 下，它通常以微处理器为核心，综合软件编程、运动轨迹设计、控制算法分析、 各运动部件的实时驱动等功能，达到总体运动控制效果n 0 。 2 1 运动控制器功能要求 脱机嵌入式的运动控制器，承担包括基本运动执行功能以及的i o 响应， 功率控制等更多的控制工作； 开放式结构，提供w i n d o w s 操作系统下应用软件二次开发支持； 可控制3 轴步进电机或数字式伺服电机； 每轴光电隔离脉冲输出，频率范围在o 1 h z 2 m h z ； 每轴“原点”、“限位 专用开关量信号输入； 直线插补，圆弧插补，贝塞尔曲线插补功能； 可编程式梯形速度曲线，速度跟踪和轨迹控制； 手动移动功能，运动中变速功能； 用户自定义通用工o ； 2 2 常用运动控制硬件方案的比较 控制系统的上位控制方案一般有以下几种西3 ： 单片机系统 采用单片机系统来实现运动控制，成本较低，但开发难度较大，周期长。 这种方案适应于产品批量较大、控制系统功能简单、有单片机开发经验的用户。 专业运动控制p l c 许多品牌的p l c 都可选配定位控制模块，有些p l c 的c p u 单元本身就具有运动 控制功能( 如松下f p o ) 。这种方案一般适用于运动过程比较简单、运动轨迹固 定的设备，如送料系统、自动焊机等。如果需要简单修改少量运动参数，如速 度、位移等，可与工业人机界面配合使用。 p c 机和i 0 卡 7 四川大学硕士学位论文基于d s p 的嵌入式运动控制器研究 用p c 机上工o 卡编程可以输出脉冲和方向信号来控制步进或数字式伺服电 机，但所发的脉冲只能由软件编程实现，所以在运动时发脉冲将占用p c 机c p u 大量的时间；另外，软件发脉冲受到微机定时器的限制，这样就限制了电机的 转速，在控制伺服电机时还会有速度和精度的矛盾问题；再者，在w i n d o w s 环境 下由于其多任务的机制，若没有深入w i n d o w s 内核进行底层编程来发脉冲，几乎 不可能保证脉冲的均匀性。 p c 和运动控制卡 这种方案充分利用计算机资源，可用于运动过程、运动轨迹都比较复杂， 而且柔性要求高的设备。运动控制卡从p c 机接收控制命令，独立完成有关的运 动控制：发脉冲方向信号、检测限位、原点等信号。 独立式控制器 大部分的独立式控制器是从基于p c 的运动控制卡演变出来的n 1 | ，它增加了 海量存储用于存储加工指令数据，改变了通讯方式，提供了人机操作界面。独 立式控制器致力于提高数控系统的稳定可靠性，减少由于数据通讯故障造成的 加工损失。 2 3 基于d s p 的嵌入式运动控制方案 目前，国内外市场上主流的运动控制器都是如上所述为基于p c 的或者独立 式的。二者在功能上基本一致，只是适用范围稍有差异：基于p c 的适用于单件 加工，而独立式更适用于批量加工。但是随着计算机通讯的发展，如以太网及 u s b 技术的普及，脱机加工数据的传输下载已经能够控制在秒级内，所以，目前 独立式的市场占有量呈上升趋势，而基于p c 的市场占有量呈相对下降趋势。笔 者比较了各种控制方案的利弊以及控制器的发展趋势，选择了基于d s p 独立型的 嵌入式控制方案。 2 3 1d s p 的特点和应用 实时数字信号处理技术( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) d s p 的核心和标志 是数字信号处理器。自第一个微处理器问世以来，处理器的水平得到了迅速的 提高，而快速傅立叶等实用算法的提出促进了专门实现数字信号处理的分化和 发展。数字信号处理有别于普通的科学计算与分析，它强调运算的实时性，因 8 四川大学硕士学位论文基于d s p 的嵌入式运动控制器研究 此d s p 除了具备普通微处理器的高速运算、控制功能外，还针对实时信号处理， 在处理器结构、指令系统、指令流程上做了很大的改进，其特点：1 ，d s p 采用 了数据总线和程序总线分离的哈佛结构和改进的哈佛结构，比传统的处理器的 冯诺依曼结构有更高的指令执行速度；2 ，d s p 采用流水技术，即每条指令都 由片内多个功能单元分别完成取指、译码、取数、执行等步骤，从而在不提高 时钟主频的条件下减少每条指令的执行时间；3 ，针对滤波、相关、矩阵等运算 需要大量乘法累加器的特点，d s p 大都配有独立的乘法器和加法器，使得在同一 时钟内可以完成相乘、累加两个运算；4 ，片内有多条总线可以同时进行取指和 多个数据存取操作，并且有辅助寄存器用于寻址，它们可以在当前访问前后自 动修改内容以指向下一个要访问的地址，并且支持循环寻址和位反序寻址；5 ， 具有软硬件等待功能，能与各种存储器连接；6 ，许多d s p 带有d m a 通道控制器， 以及串行通信口等，配合片内多总线结构，数据传送速度大大提高；7 ，配有中 断处理器，可以很方便地构成一个小规模系统n 引。 d s p 片内特别结构和外围电路对控制系统很有用，如a d 、大容量存储器、 定时器、比较单元、锁存单元、p w m 波形发生器、快速中断处理能力、高速穿行 口和i 0 口等。利用d s p 能实现以下控制功能n3 i ：1 ，信号处理，消除噪声和不精 确的数据；2 ，实现特殊输入轨迹，规划轨迹插补和运动速度控制减少机械冲击、 降低能耗提高驱动装置的可靠性；3 ，实现复杂控制算法，提高系统性能；4 ， 诊断和保护，实时监控系统的运行。 2 3 2 运动控制器硬件总体设计 为实现独立式的运动控制，控制器配置了一块n a n df l a s h 用于存储加工数 据，一块f l a s h 用于保存重要的系统参数。控制器以d s p 为c p u ，数据存储、程序 运行以及数据堆栈处理采用s d r a m 。在d s p 外围扩展两路串行接口分别实现与p c 机通讯及 m i 设备通讯。所有的运动控制电路则依靠f p g a 实现：3 轴步进电机或 数字式伺服电机脉冲方向控制，可编程式梯形速度曲线，速度跟踪。此外f p g a 还方便扩展1 0 ，实现特殊输入如原点、限位等信号响应。在应用上控制器采取 开放式的结构并提供了高级编程接口方便产生控制程序。硬件框架见图2 1 所 示。 9 四川大学硕士学位论文基于d s p 的嵌入式运动控制器研究 图2 1 硬件总体结构 d s p ：数字信号处理器，是该控制的中央处理单元。选用t 工公司的3 2 位浮点 型t m s 3 2 0 v c 3 3 ，指令运动速度可达15 0 m i p s 。 f p g a ：现场可编程门阵列，完成运动指令执行、激光开关和功率控制等实 时性极高的功能。选用x i l i n x 公司的x c 2 s 3 0 0 e ，3 0 万门可编程单位，资源丰富。 f l a s h ：非易失存储器，用于保存控制器软件、机器参数等。 s r a m ：静态r a m ，用于存储中间计算结果，或作为运动指令高速缓冲等。 n a n df l a s h ：海量掉电存储器，用于保存加工文件。 r s 2 3 2 ：通用串行通讯口，有两个通道。a 通道与p c 机相连，用于系统调试 l o 四川大学硕士学位论文 基于d s p 的嵌入式运动控制器研究 和数据下载；b 通道与人机界面相连，用于设备控制操作。 c p l d ：复杂可编程逻辑器件，用于地址译码、中断等各种逻辑控制等； 光电隔离：控制器的所有输入、输出信号均进行光电隔离，确保系统的安 全和可靠。 2 3 3 运动控制器软件总体设计 基于d s p 及uc 0 s 操作系统的控制器软件主要由四大部分组成，其结构层次 见图2 2 所示。 图2 2 软件总体结构 一、整个软件系统的最底层是硬件接口实现，包括串口通讯、i 0 操作、f l a s h 读写操作等。 二、uc 0 s 操作系统是整个软件核心，它负责了整个系统正常运行，包括： 任务调度、任务间的消息邮箱及消息队列等管理、时间管理等。操作系统使软 件开发者可以将主要精力放置在任务的规划实现上，而免除了烦琐的任务切换 协调工作。 三、系统任务是根据具体应用创建的，它决定了整个运动控制系统的应用 性质和行业倾向。系统任务包括通讯任务、解码任务、自诊断任务、控制任务 等。 四、控制接口的设计直接关系到系统操作的方便及安全性。 四川大学硕士学位论文 基于d s p 的嵌入式运动控制器研究 3硬件设计 根据硬件的总体设计规划，这一章节给出了运动控制器硬件各外围模块电 路的实现。 3 1 r s 2 3 2 串行接口设计 串行通讯是微计算机之间一种常见的近距离通讯手段，因使用方便、编程 简单而广泛使用，几乎所有的微控制器、p c 都提供串行通讯接口n 鲥。然而总体 方案选择的d s p 芯片并不提供u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e ra n d t r a n s m i t t e r ) 单元，因此笔者采用一片t l l 6 c 7 5 2 bu a r t 芯片来完成硬件r s 2 3 2 串口设计。此u a r t 最高的串行数据速度可达1 5 m b p s ( 2 4 m h z 输入时钟) 或者 2 2 5 m b p s ( 3 6 m h z 输入时钟) ，具有6 4 字节接收和发送f i f o 以及自动硬件流控制 功能。 3 1 1 硬件原理 硬件设计思路： u a r t 的地址分配到t m s 3 2 0 v c 3 3 的p a g e 0 ，通道a 地址2 0 0 0 0 0 h 2 0 0 0 0 7 h ，通 道b 地址2 0 0 0 0 8 h 2 0 0 0 0 f h ，控制信号经过c p l d 进行地址译码从而实现u a r t 芯片控制； u a r t 的通道a 和b 的中断信号i n t a 和i n t b 经过c p l d 反向，然后接t m s 3 2 0 v c 3 3 的i n t 3 并口i n t 2 ； u a r t 的t x 、r x 引脚均为c m o s 电平，而r s 2 3 2 采用的是“负逻辑电平 ，本 设计采用m a x 316 0 完成它们之间的电平转换和驱动，其数据传输速率最高达 1 m b p s 。 3 1 2 硬件连接电路 依据硬件设计思路设计出硬件电路见图3 1 所示。 1 2 冀 己 矗 雾 i 。r r 器 吕8 三障 l o h一 巨 。 叫n 魏霪黪紧目。目融杖、 蕈瞻簦。蘸滋 魂蔫摩 生 乙 l r r 辈 磊 岂 粹 - v，降 吕 j 一 q 黼警鼍 i 熬未事i 落啭基 = h - o -型 目 茁 = 图3 1 串口电路图 t _声u口l_暑 四川大学硕士学位论文基于d s p 的嵌入式运动控制器研究 3 2f l a s h 存储设计 3 2 1 芯片选型 f l a s h 存储器是一种可在系统( i n s y s t e m ) 进行电擦写，掉电后信息不 丢失的存储器。