（机械制造及其自动化专业论文）基于dsp和cpld的多轴运动控制器的设计与研究.pdf

哈尔滨工程人学硕士学位论文 摘要 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t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心处理器，以c p l d 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、p c i 通讯模块等功能模块的设计。 其次，对双端口r a m 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p c i 9 0 5 4 的计算机驱动程序和内存读写程序。采用p i d 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m a t l a b 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。 关键词：开放式运动控制器；硬件资源分配；数据缓存；p c i 9 0 5 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h er e s e a r c ho ft h eo p e nc o n t r o ls y s t e mi sd e e m e dt ob et h et h i r dr e v o l u t i o n o ft h em a n u f a c t u r i n g i nc h i n a , t h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ym u s tb er e g u l a t e d ， r e b u i l ta n do p t i m i z e di nt i m eb e c a u s eo fp o o rq u a l i t yo ft h ep r o d u c lo u t o f - d a t e t e c h n o l o g ya n dt h el i m i t e di n c l u d e di n f o r m a t i o n t h e r e f o r e ，i ti sp r o s p e r o u st o r e s e a r c ha n dd e v e l o pt h eo p e nc o n t r o ls y s t e m t h eo p e nm o t i o nc o n t r o l l e ri st h e n e c e s s a r y a n de s s e n t i a l p a r t o ft h eo p e nc o n t r o l s y s t e m n o w a d a y s ，t h e f r a m e w o r ko f o p e nm o t i o nc o n t r o lb e c o m e st h em a i n s t r e a ma b o u tt h er e s e a r c ho f m o t i o nc o n t r o l l e r f i r s t l y , t h ef r a m e w o r ko fm o v e m e n tc o n t r o l l e rw h i c hw a se m b e d d e di n i n d u s t r i a lc o m p u t e rw a sa p p l i e dt od e s i g na n dr e s e a r c hf o u r - a x io p e nm o t i o n c o n t r o l l e ri n t h i st h e s i s t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g “t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ”， p r o d u c e db yt i ，w a sm a i n l yu s e da st h ec p u i nt h em o t i o nc o n t r o l l e r t h el o g i c d i s p o s a la n da r i t h m e t i co p e r m i o nu t i l i z e d t h ec o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e w ec o m p l e t e dt h ed e s i g no ft h ef u n c t i o nm o d ei n c l u d i n gt h ed i s t r i b u t i o n o fh a r d w a r e r e s o u r c e s ，t h e i n t e r f a c ed e s i g no ft h ee n c o d e r , t h e p c i c o m m u n i c a t i o nm o d ea n ds oo n s e c o n d l y ，t h et e c h n o l o g yo fd a t ab u f f e rs t o r a g ea b o u tt h ed u a lr a m w a s s t u d i e d r e a s o n a b l ed i s t r i b u t i o no ft h em e m o r yn o to n l ys o l v e dt h ea c c e s s i n g c o n f l i c t ，b u ta l s oi m p r o v e dt h es p e e do f d a t at r a n s f o r m a t i o n t h ec o m p u t e rd r i v e r o ft h ep c i 9 0 5 4a n dt h er e a d - w r i t ep r o g r a mo fm e m o r yw e r ea l s oe x p l o r e d t h e p i dc o n t r o lm e t h o dw a si n t e g r a t e dw i t ha d v a n c e dc o n t r o lt h e o r yt om o d u l a t et h e p a r a m e t e r sa c c o r d i n gt ot h es p e c i a l t yo ft h eo b j e c t s t h ea r i t h m e t i cw a se m u l a t e d i nm a t l a ba n dg o tag o o dr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i co ne x p e r i m e n t m o r e o v e r , t h e c o n t r o lp r o c e s so f t h eo b j e c tw a sp l a n n e dr a t i o n a l l y a tl a s t ，t h em o t i o nc o n t r o l l e rw a si n s t a l l e da n dd e b u g g e d a l lm o d eo ft h e m o t i o nc o n t r o l l e rw a sd e b u g g e d i tw a sp r o v e dt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h e 哈尔滨工稗大学硕士学位论文 c o n t r o l l e rd o n ew e l l 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 i s t r i b u t i o no fh a r d w a r er e s o u r c e s ；d a t a b u f f e r s t o r a g e ；p c i 9 0 5 4 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己 经公开发表的作品成果。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。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：j 窒塾 日期：瑚年1 月 io 日 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 运动控制作为自动化技术的一个重要分支，国际上发达国家例如美国已 经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。近年来随着运动控制技术的不断进步和完善，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。 美国9 0 年代提出n g c 下一代控制器计划，该计划己于1 9 9 4 年完成了 n g c 原型研究，并己转入工业开发应用1 。美国f o r d ，g m 和c r e s l e r 等公 司在n g c 计划的指导下，联合提出o m a c ( o 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 0 1 1 们开发计划口j 1 ，提出了系统基础框架，信息库管理、任务调度、人机 接口、运动控制、传感器接口等构造了控制系统功能体系结构。该计划的目 的是使系统制造厂、机床厂和最终用户分别从缩短开发周期、降低开发费用、 便于系统集成和二次开发、简化系统使用和维护等方面受益。 在欧洲开放式的运动控制系统也得到了相当高的重视，德、法、意、西 等国于1 9 9 0 年也联合进行了“自动化系统中开放式体系结构o s a c a ( o p e n s y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m s ) ”的研究。该计划 于1 9 9 2 年5 月正式为欧盟官方所接受。截止目前，o s a c a 计划的三个阶段的 工作全部完成。o s a c a 提出了一个“分层的系统平台+ 结构功能单元”的结 构。系统平台由系统硬件和系统软件组成，系统软件包含有系统的核心部分， 如操作系统、通讯系统和可选的应用程序如数据库、图形系统之类。 在亚洲，日本的几个公司共同提出了o s e c 计划，o s e c 讨论的重点集 中在n c ( 数字控制) 本身和分布式控制系统上。韩国等其他国家也都各自进 。行了开放式数控系统的研究。 运动控制器的发展从时间上来看，主要有三个阶段： 早期的运动控制器一般为独立运行的专用的控制器，无需另外的处理器 和操作系统的支持，就能独立完成运动控制功能。这类控制器主要针对完成 堕签鎏三矍盔堂堡堂垡迨銮 专门的任务而设计，它根据应用任务的不同要求设计相关的功能，然后由控 制器完成相关的动作，实现特定的功能。其特点主要表现为：专用性强、通 用性差，不便于功能扩展和各种支撑软件的更新，软件移植性差。 上世纪八十年代计算机技术很快地进入到各行各业各个部门和家庭，这 为发展开放式结构的运动控制系统积累了经验，创造了良好地条件。p c 机 上的庞大软件资源原则上不加修改就能够移到工控机上，节省了用户大量开 发时间。而且p c 机的开放式结构和公开的软硬件标准，便于厂商的相互合作 和用户的自行开发。其特点主要表现为：价格昂贵，计算机资源浪费严重， 标准化程度不够。 在现阶段d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 技术c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a - b l el o g i cd e v i c e ) 芯片技术在美国得到高速发展，出现了一批高性能低成本的 d s p ，兼容性好而且浮点运算速度快，使2 3 2 轴的运动控制系统能够浓缩在 一块运动控制卡上，c p l d 芯片技术则使通过软件来更新硬件成为可能。如 果将d s p 和c p l d 与p c 相结合，可充分利用现有的操作环境和资源，进一步 降低系统的成本，增加系统的通用性能。其特点主要表现为：国外技术垄断 严重，对开发商的依赖性强，用户二次开发比较困难。 随着工业p c 机的迅猛发展和可靠性的不断提高，以工业p c 为核心的控制 系统和运动控制器也越来越受到广泛关注，成为研究的热点。 运动控制器按其控制核心部件来分主要有以下几种类型h 1 ： 1 无微处理器型运动控制卡 这种运动控制卡的硬件部分仅为一些标准的i 0 接口板，a d 、d a 卡， 伺服控制完全由计算机中的软件来实现，用户可以根据需要编写相应的控制 算法。女1 1 s o f t 型运动控制卡其典型产品有美国m d s i 公司的o p e n c n c ，如图 1 1 所示。 2 基于专用控制芯片的运动控制卡 这种运动控制卡以运动控制芯片为核心构成伺服控制系统p 1 。其插补算 法和速度控制一般集成于芯片内部，用户只要引入正确的速度位置反馈信号 和输入正确的位置指令便可完成p i d 算法，编码器信号处理等多种功能。 3 基于单片机的运动控制器 这种以8 位或16 位单片机为核心取代模拟电路来作为电机的控制器p ，其 2 h ii 美同o p e n c n c 运动控制l 、 构成比较简单，绝人部分逻辑u f 以川，弘片机柬实现，i - ，以实现较为! = f 杂的控 ；i 算法，然向单片机f 门处理速度很慢，需要的外i 5 2 符较多，集成度、稳定 性升：高，所以这种系统雌以先成现代先进的榨制算法的需婴。 4 基于c p l d b 运动控制器 随着c p l d 技术的不断发展和逐渐成熟，其内部的】 - j 阵列数目l 经j 日当 可州，可擦写次数已达到上万次，1 k h l j ：越来越多的运动控制器聚用c p l d 为 控制核心，运动j g i ；, 1 i 算法可以卣接r j 瑟到c p l d 内部，以硬什的方寅脱运 动控制系统。似l “1 ：其内部阶列数h 的限制，c p l d 集成的阼列数i 越 多价格越昂贵，i 川此考虑剑系统成小，一f 1 2 , q j 来构成较为鲋p 的系l 允。 5 基于d s p 微处理器+ c p l d 的运动控制器 玑j k ：d s p b 片具有极强的数。一信号处理的能力，同日j 一些专门为运动控 制而啦计的d s p 芯片，如t i 公州的i m s 3 2 0 l f 2 0 0 0 系列，义集成了电机控制所 j ：藉要的输入、输出、a d 转换、妊仆捕捉，j 卜交编码器接ii 等外吐备的能 力，口可钟频一瞽可达4 0 m h z 。d s p 姒大内运算功能使其也：运动 、制巾越来越受 到币视，从其j “7 i v ? z 有着小可忤代的优势。 c p l d 有奠门身的优势，它既可以实现复杂的挡制钟法，义r 咀1 史现特 定的逻辑功能，还町以实i 见微处耻器与外i 5 直接的匹配。d s p + c p l dj _ i i 结合 可以实现现代托制理论一i - 型为复杂的控制算法，并| j 州应速度人人挺r ：矗， d s p + c p l d f l ! j 运动控：削器足现代运动控制器的一个= 6 己腱趋坍。 6p c + 运动控制器 哈尔滨i 样大学硕十学位论文 采用p c + 运动控制卡”作为上位控制可充分利_ 【l j 计算机资源，适用于运动 过程、运动轨迹都比较复杂，且柔性比较强的机器和设备。p c 机c p u 可以专 注1 。人机界面、实时监控和发送指令等系统管理工作；卡上专用c p u 用来处 理所有运动控制的细符升降速计算、行程控制、多轴插补等，无需r i t 用p c 机 资源。f 刊时随膏还提供功能强人的运动控制软件库c 语占运动库、w i n d o w s d l l 动态链接库等，让用户更快、更有效地解决复杂的运动控制问题。若采 j i j p c 机的p c i 总线方式，卡上无需进行任何跳线设置，所有资源自动配置， 并且所有的输入、输 ；信号均用光电隔离，提高了控制卡的可靠性和抗干扰 能力；在软件方面提供了丰富的运动控制函数库，以满足不同的应用要求。用 户只需根据控制系统的要求编制人机界而，并调用控制卡运动函数库中的指 令嫡数就可以，f 发出既满足要求，成本又低廉的多轴运动控制系统”1 。 通过比较可以看出，基f p c 与d s p 和c p l d 相结合的运动控制器功能更 为完善运算能力更强，实时性更好，适用的场合更为广泛，是现代控制器 研究的热点，因此基j z d s p 和c p l d 的p c i 多轴运动控制器必然是运动控制器 研究的一个重要方向。 1 2 国内外运动控制器的发展现状 121 国外运动控制器的研究现状 国外运动控制器发展比较早、技术先进，主要以美国为代表。美国有超 过2 0 0 多家公司从事运动控制器软硬件产品的制造，其产品的年销售额己超 过2 0 亿美己，占有世界运动控制器市场份额8 0 d a 上。其中最著名的是美 幽d e i t a t a u 公司尘产的p m a c 卡川，如图1 2 所不。它是耳前世界_ 卜功能最 i 兰| i2 美| ：】 p m a c 运动控制k 4 哈尔滨i 程人学硕1 一学何沦文 强的运动控制器之。p m a c 是台具有独立内存、独立运算操作能力的计 算机，它采hm o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 1 作为c p u ，它可以通过存储在自己内部 的程序进行单独的操作；它还是台实时的、多任务的计算机，能自动对任 务进行优先等级判别，先执行优先级高的任务。p m a c 既呵以独 作办可 按 - 机的命令进行【：作，它和 机的通讯可以通过串行li 也可以通过总线进 行，通过总线通讯叫，还呵以将一f ，断信号引入主机，从而实现怍常灵活有效 的控制系统。p m a c 最多可以控制8 个轴同时运动，在对伺服数据的处理能 力、轴特性及输入信号带宽方而，p m a c 控制器由j + 采川专门的模块化结构， 编码输入的串 j ：处理速度是人多数控制器的1 0 到1 5 倍。n i ( 美田国家仪器) 开发山p c i 一7 3 4 4 p x i 一7 3 3 4 p x i 一7 3 5 8 p x i 一7 3 4 4 f w - 7 3 4 4 等系列多轴控制 器也得到较为广泛的应用。 柏二欧洲以德网和英凼的运动控制器最为著名。德【蚓m o v t e c 公司 d e c 4 t ，d e c 4 d a 运动控制器”，如图13 所示，是基于p c 机的号用控制 l _ z ! i i 簿差 翅 hl3 德m o v t e c 运动控制器 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。控制母个轴 的最高脉冲输出频牢是1 0 0 k h z 。i oii l 以任意编程使用，形成后台p l c 功 能实时监控i oe l 。英幽t r i o 公司( t r i om o t i o nt e c h n o l o g yl t d ) h “的多轴 数宁运动控制器，如图14 所示，采川3 2 - b i t 浮点运算的号用的微处理技术 的d s p 芯片t m s 3 2 0 x x 系列，溶合了最新的控制理论及其m 络托i 制技术。 其产品行基于p c 机的p c i 总线的p c i 2 0 8 控制卡和具有r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、 u s b 、e t h e r n e t 、c a n b u s 、s e r c o s 的通讯功能和h 有h o s t l i n k 、d e v i c e n e t 、 m o d b u s 通汛协议的独奇型多轴数# 运动控制器。t r i o 运动控制器最多j 叮以 哈 ；演j 手! | ! 人学硕士学似论文 控制2 4 个轴，可以控制交直流伺服电机，也可以控制步进f 乜机，还可以控 制变频器，。c , 副j i 液压伺服缸或者是这儿种的任意组合：而且还带有町编程控 制的输入，输出和模拟输入口，- 叮以根据设备的需要进行选配。 阁14 英国t r i o 运动控制器 采用专川的t r i ob a s i cp r o g r a m m i n g ( 类似fb a s i 语古) 运动控制编程，提 供a c t i v e x 软件町支持用户采用v b 、v c 、c c + + 等高级语言针刑设备的需 要进行次j j ：发；另外，还提供c a d 转化运动程序文件，可以根捌用户所 要d ! it e 的_ 件的图纸( 二维) * d x f 转化成t r i o 摔制器的运动控制程序。 122 国内运动控制器的研究现状 国内hi j i 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 巾件，或单一产：品的生产程度，j 相应配套的底层软件功能还不够完善，一 定程度上还处f 封闭阶段，缺乏柔盹“”。一些商校如清华大学、华一p 理i 人 学、哈尔滨工业大学等做过这力面的研究工作，h ；过基本i 为一、两套号用 系统研制，通用性不太好。而且可控轴数较少，般为1 - 4 轴。 深圳i f 】摩信科技有限公司独寸+ 开发的m c t - 8 0 0 0 系列智能运动控制卡， 足田内技术比较成熟的多轴控制 ，如图15 所示。控制器的c p u 采用荚园 t i 公司的t m s 3 2 0 c 3 1 d s p ，它可通过i s a p c i j j ；准总线或u s b 通用串行总 线与1 凇机连接。主士卒机4 ，控制器之间采丌】双向高速f i f o 进jj ：通讯，可提 供1 - 4 轴的商速，高精度伺服控制，可编稃设霄也t 叮在线修改，3 2 通道_ 几编 程数字输x 输出接1 5 。眩系列产品具有丌放式结构，支持血向埘象的非标准 控制算法，呵在线定义控制变量或变量矩阵。该产品虽然己经应川于数控机 床控制器、交舡流伺服机电控制器、步进电机控制器等控制系统，但多足为 l 一3 轴j 托品。其m c t - 8 0 0 0 1 4 ( 叫轴) j 扣i 扎r2 0 0 0 年底外发成功，并押：向, t i 场。 幽15 摩信m c 78 0 0 0 控制膏 近两年，深圳固高公司相继推出了基于d s p 和c p l d 的运动控制卡包括 g t 系列和g h 系列的多轴控制卡，如图16 所示，其中刚刚研制成功的 g h 一8 0 0 型控制仁是最先进的多轴控制卡。g h 8 0 0 运动控制器能够控制8 个 伺服轴或4 个步进轴，并可实现伺服轴与步进轴的任意组合。 图l6 川商g h 8 0 0 牲制p 南京顺康数码科技有限公司的m c 6 0 1 4 a ，使_ l jr 带捕补功能、a t 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 t - 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。 长沙力鼎科技有限公司m c 系列3 轴模拟电n 三控制垮自码器回馈型运动控 制器，4 轴有无同馈脉冲输h _ j 型运动控制器。 1 3 论文的主要研究内容 本文主要是根据现代运动控制器的发展方向，设计研究利r 基于d s p 和c p l d 的p c i 多轴运动控制器，根据设计要求，本文研究的主要内容如f ： ( 1 ) 运动控制器的总体设计方案。本章主要介绍了运! ；j j 控制器的设计原 则及目标，刈运动控制器的系统总体方案进行了规划，并对运动控制器的硬 7 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 件系统和软件系统的方案分别进行了详细的设计。 ( 2 ) 运动控制器硬件系统的设计。本章主要对运动控制器的硬件系统进 行了详细的设计，包括微硬件资源再分配模块设计，编码器接口设计以及p c i 通讯接口模块设计。 ( 3 ) 运动控制器软件系统的设计。本章主要对运动控制器的硬件系统进 行了详细的设计，包括双端口r a m 数据缓存技术，运动控制算法的实现以 及控制系统状态观测器的设计。 ( 4 ) 系统的安装与调试。本章主要对系统的硬件系统及软件系统分别进 行调试，最后进行系统联调。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章运动控制器总体方案设计 2 1 引言 运动控制器的总体方案设计是课题设计的最为重要的环节。系统方案设 计的好坏直接影响运动控制器的总体性能。根据目前国内外运动控制器的发 展方向和先进技术提出了系统设计的原则及目标，给出了运动控制器的设计 的总体方案。运动控制器的总体方案设计主要包括硬件系统的总体方案设计 和软件系统的总体方案设计两个方面。 2 2 系统设计的原则及目标 2 2 1 系统设计的原则 系统的开发要在实际需求的基础上，注重整体控制系统的开放性和一致 性，总的来说，设计过程中应遵循以下几个原则： 1 系统的可移植性 作为一个通用的运动控制器系统必须具有可移植性，这就要求对系统进 行模块化设计，系统的应用模块无需经过任何改变就可以应用于另一个平台， 仍然保持其原有特性。 2 系统的标准化 系统的标准化包括信号的标准化、用户接口的标准化以及通讯接口的标 准化等，系统的标准化是开放式运动控制器的一个明显的特征。 3 系统的可扩展性 标准化的接口为开放式运动控制器的可扩展性提供了保证，系统的功能 和特性可根据用户需要很容易地进行扩展，而不需要重新对整个系统进行设 计和改造。 4 系统的可协同性 开放式运动控制器可以和其他应用模块在同一个平台协同工作，以确定 的方式进行数据交换，以保证系统的整体性。 9 堕垄! 鎏三堡丕堂堡堂鱼笙銮 2 2 2 系统设计的目标 系统以设计高性能的开放式运动控制器为目标，采用d s p + c p l d 的设计 方案，具有开放式的模块化结构，能够对交流和直流电机进行控制，具有旋 转编码器接口能够构成高性能的闭环控制系统。标准化的用户接口方便易操 作，并且为用户提供了二次开发可扩展的接口。 本课题设计的运动控制器应具有以下技术指标： ( 1 ) 4 轴电机联动控制 ( 2 ) 每轴刷新率 5 0 毫秒 ( 3 ) 4 通道1 6 位d a 模拟量输出模块，输出标准电压范围一1 0 v + 1 0 v ( 4 ) 4 通道1 2 位a d 模拟量输入模块，输入标准电压范围一1 0 v + 1 0 v ( 5 ) 4 通道脉冲信号输出模块，输出4 通道标准脉冲信号 ( 6 ) 1 6 位可编程数字量输入输出接口模块 ( 7 ) 4 通道光电编码器接口模块 ( 8 ) 1 6 位可扩展数据地址总线 ( 9 ) p c i 数据通讯接口模块 2 3 运动控制器总体方案设计 运动控制器是由一个高速的d s p 和c p l d 组成的运动控制器通过p c i 总线 嵌入到工业p c 中，形成了一个p c + 运动控制器的运动控制系统。运动控制器 系统硬件组成如图2 1 所示。整个系统主要由下面几个功能模块组成1 1 2 , 1 3 , 1 4 1 。 1 微处理器模块 本文设计采用了t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为控制器的微处理 器，它是t i 公司专门为电机控制而设计的一款d s p 芯片，运算速度快，可靠 性高。主要完成运动控制算法的运算，模拟量的输入采集，模拟量信号的输 出以及脉冲信号的输出控制。 2 硬件资源再分配模块 硬件资源再分配模块主要是在针对目前的运动控制器掉电后轴信息丢 失，不能对控制器资源合理再分配的缺点而设计的。硬件资源再分配模块很 好地解决这些问题。 3 c p l d 逻辑模块 1 0 哈尔滨1 = 稃大学硕十学位论文 c p l d 具有很强的逻辑运算能力，它主要完成编码器反馈信号的采集， 处理p c i 总线和d s p 通讯的逻辑匹配以及数字量的输入输出。 图2 1 运动控制系统馊件组成框图 4 编码器接口模块 编码器接口模块我们采用大规模可编程芯片i s p l s l l 0 1 6 进行设计，它具 有强大的可编程能力和众多的i o 口，设计出高集成度的光电码盘计数器，达 到了硬件设计软件化的效果，节约了硬件资源，缩短了开发周期。 5 p c i 通讯模块 p c i 通讯模块设计采用了p c i 9 0 5 4 桥接芯片。p c i 总线是上位p c 机和d s p 之间通讯的桥梁，主要完成p c i 总线命令的传输以及p c 和d s p 处理器间的高 哈尔滨t 程火学硕十学何论文 速数据交换。 6 双端口r a m 接口模块 上位p c 机需要和下位d s p 微处理器进行数据交换，就必须有一块公共的 内存区域，并且上位p c 机和下位d s p 微处理器可以同时访问这个区域。双端 e 1 r a m 具有两套独立的数据和地址总线，两端可以同时访问其内部r a m ， 以达到数据缓存交换的作用。 7 控制器用户接口模块 控制器用户接口是用户要接入到电机的驱动器的输入信号，这些信号大 部分都是经过标准化的，因此，我们的控制器对用户接口也进行了标准化设 计，使控制器具有很好的通用性和可扩展性。控制器的用户接口主要包括：5 路脉冲信号输出，4 路模拟量信号输入，4 路模拟量信号输出，1 6 路数字信号 输入输出。 2 4t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 简介 d s p 芯片是一种特别适用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运算u 5 16 1 。目前，占国内、外主流市场的d s p 芯 片主要是美国t i ( 德州仪器) 公司、a d c ( 模拟器件) 公司和m o t o r o l a 等公 司的产品m 1 ，而t i 又是其中的领导者，占全球d s p 芯片市场的约5 0 份额。 同时，t i 在全球有许多第三方公司帮助t 1 支持客户的开发，提供方便廉价 的开发工具，并提供多种硬件和软件的方案。 t m s 3 2 0 系列d s p 的体系结构是t i 公司专为实时信号处理而设计，该 系列d s p 控制器将实时处理和控制器外设功能集于一身，为控制系统应用提 供了一个理想的解决方案，它具有灵活的指令集，内部操作灵活，高速的运 算能力，改进的并行结构和有效成本等特性。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 具有以下特点u 引： ( 1 ) 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为+ 3 3 v ，减小了控制 器的功耗；4 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短至2 5 n s ，从而提高了控制 器的实时控制能力。 ( 2 ) 片内集成了3 2 k 字1 6 位的f l a s h 程序存储器、2 5 k 字1 6 位的 数据程序r a m 、5 4 字双端口r a m 和2 k 字的单端口r a m 。 1 2 哈尔滨下程大学硕士学位论文 ( 3 ) 1 6 位地址总线和1 6 位数据总线，可扩展1 9 2 字x1 6 位的外部存储 器空间，分别为6 4 k 字程序存储空间、6 4 k 字数据存储空间和6 4 k 字i o 存 储空间。 ( 4 ) 看门狗定时器模块。 ( 5 ) 1 0 位a d c 转换器，其特性为：最小转换时间为5 0 0 n s 、8 个或1 6 个 多路的复用输入通道、可选择由两个时间管理器来触发两个8 通道输入a d 转换器或一个1 6 通道输入的w d 转换器。 ( 6 ) 串行通信接e i ( s c i ) 模块。 ( 7 ) 基于锁相环( p l l ) 的时钟发生器。 ( 8 ) 高达4 1 个可单独编程或复用的通用输入输出( g p i o ) 引脚。 ( 9 ) 5 个外部中断源( 两个驱动保护、两个可屏蔽中断和一个复位) 。 微处理器系统采用了单c p u 、集中控制的结构，由一个d s p 芯片同时 控制4 个轴电机运动。微处理器系统主要包括：d s p 系统边界扫描j t a g ， 系统信息配置e e p r o m ，串行通讯接口，与用户接口的数据命令交换以及 与p c 机的数据命令交换。微处理器系统也是电机控制系统的核心，作为一 个通用控制器，要控制电机运动就必须要有通用电机驱动器所需要的标准输 入信号。因此d s p 除了完成运动控制算法外，还要将相应的命令转换成标准 的信号量输出。 2 4 1 电源、时钟模块 系统的电源不是由外部提供，而是由p c i 接口插槽提供。p c i 板有+ 3 3 v 和+ 5 v 两种电源环境，并且两种环境不能混合使用。一般+ 3 3 v 环境适用于 笔记本电脑等便携式设备，而工业计算机一般采用+ 5 v 环境。因此，我们采 用+ 5 v 环境，板上提供可用电源有+ 5 v 、+ 1 2 v 和1 2 v 。运动控制器的电源使 用分配如表2 1 所示。 表2 1 运动控制器的电源使用分配 d s ps r a md a 转换c p l dv f 转换 + 3 3 v + 1 5 v 、- 1 5 v 、+ 5 v + 3 3 v + 1 5 v 、1 5 v 由表2 1 可以看出，系统需要的+ 3 3 v 和+ 1 5 v 和1 5 v 是p c i 插槽不能提 1 3 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 供的，需要进行电源设计。 由+ 5 vn + a 3 v 的转换通过一片l m 2 5 7 6 s 3 3 电源稳压芯片来实现【1 9 1 。 l m 2 5 7 6 s 3 3 输入电压范围宽，具有3 a 的负载驱动能力，应用时比较简单且 外围元件较少，内置频率补偿电路和固定频率振荡器在规定的输入电压和输 出负载的条件下，输出电压的误差范围为士4 ；振荡器的振荡频率误差范围 为士l o ；典型的待机电流为5 0 雌，芯片内置过流保护电路和过热保护电路。 2 4 2 存储器扩展电路模块 存储器扩展电路示意图如图2 2 所示，系统扩展了两片s r a m 。 i s 6 1 l v 6 4 1 6 是i s s i 公司生产的高速c o m s 型6 4 k x1 6 位静态存储器删。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7i s 6 1 l v 6 4 1 6 图2 2 存储器扩展示意图 读写时序与t i 公司d s p 完全匹配，可以无缝连接进行读写操作。系统总共 扩展了两片s r a m ，一片作为片外程序存储器为调试时使用，调试时程序下 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 载到外部静态存储器里，掉电后程序自动丢失，从而避免了调试时对d s p 内 部程序存储器的反复擦写而影响d s p 芯片的使用寿命。外部程序存储器的使 用由外部程序存储器片选信号p s 和微处理器微控制器方式选择引脚 m p m c 控制。若在复位期间m p m c 为高电平，则d s p 工作在微处理器模 式下，并从外部程序存储器的0 0 0 0 h 开始程序执行，并且当p s 为低电平时 可以访问外部程序存储器。另一片静态存储器作为片外数据存储器，以满足 运动控制算法大量数据存储空间的需要。片外数据存储器由数据空间选通引 脚d s 控制。当d s 引脚为低电平时请求访问外部数据存储器。 2 5p cl 总线概述 外围部件互连总线( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ，简称p c i ) 口u 也称 为局部总线。随着p e n t i u m 芯片的推出，i n t e l 公司分别于1 9 2 2 年6 月和1 9 9 5 年6 月颁布了p c iv 1 0 和v 1 2 规范，目前已得到广泛应用。 p c i 总线是英特尔公司推出的一种高性能局部总线，其数据总线3 2 位， 且可扩展成6 4 位，最大数据传输速率为1 2 8 2 5 6 m b s ，远远大于i s a 总线 5 m b s 的速度，是目前广泛使用的一种总线，可以支持突发传送。p c i 总线 与c p u 无关，与时钟频率也无关，因此它可以应用于各种平台，支持多处理 器和并发工作。 p c i 总线协议比较复杂，用户可以根据具体实际需求选择相应的开发方 式，一般，p c i 总线开发采用两种方式： 一是采用c p l d 来设计控制接口，通过购买p c i 的i p 宏来实现。它的最 大好处是比较灵活，用户可以根据自己的需要开发出适合于特定功能的芯片， 而不必实现p c i 的全部功能。现在有许多生产可编程逻辑器件的厂商，如 x i l i n x 的l o g i c o r e 和a l t e r a 的a m p p 都提供经过严格测试的p c i 接口功能模 块，用户只要进行组合设计即可。不过这种方法一次性开销很大，一个i p 一 般要几千美金，并且其辅助软件工具的费用也相当昂贵。这比较适合于大批 量的应用，若数量不大则最好不要采用此种方法。 二是采用通用p c i 接口芯片来实现。例如南京沁恒公司的c h 3 6 5 ，a m c c 公司的a m c c $ 5 9 2 0 、a m c c $ 5 9 3 3 ，p l x 公司的p l x 9 0 5 4 、p l x 9 0 8 0 等， 通过专用芯片可以实现完整的p c i 主控模块和目标模块的功能，将复杂的p c i 哈尔滨工程大学硕十学位论文 总线接口转换为相对简单的用户接口，用户只要设计转换后的总线接口即可， 它能实现p c i 规范所要求的所有硬件接口信号和配置空间寄存器，专用接口 芯片具有较低的成本和通用性，能够有效降低接口设计的难度，缩短开发时 间，并能获得较好的数据传输性能。 由于计算机主板的更新换代，i s a 插槽都越来越少了，p c i 总线的运动 控制卡应该是目前的主流。p c i 通讯接口由一块p c i 9 0 5 4 桥接芯片完成微处 理器和p c 之间的通讯连接。p c 机通过p c i 9 0 5 4 访问双端口r a m ，并且微 处理器也可以访问双端口r a m ，这样便可以资源共享以达到数据命令交换 的目的，使通讯顺畅。 2 6 控制器用户接口 2 6 1 模拟量输入接口 模拟量信号输入需要经过a d 转换才能送入到d s p 进行相应的处理， 本文中我们采用了1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的内置a d 转换器。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的模 数转换模块a d c 具有以下特性： ( 1 ) 带内置采样保持( s h ) 的1 0 位模数转换模块a d c 。 ( 2 ) 多达1 6 个的模拟输入通道。 ( 3 ) 自动排序的功能。 ( 4 ) 多个触发源可以启动a d 转换，包括软件、事件管理器e v a 和e v b 、 外部a d c s o c 引脚等。 ( 5 ) 内置校验模式。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的模数转换模块a d c 高电平的参考电压为+ 3 3 v ，电平 参考电压为地，因此a d c 转换的电压范围为o v + 3 3 v 。外部输入的电压一 般为0 v - - + 1 0 v ，超出了a d c 转换的电压范围，需要把0 v - - 一- 1 0 v 的输入电压 转换为0 v + 3 3 v 的转换电压。模拟量信号输入电路如图2 3 所示。 v i n l 是模拟量的信号输入端，r v 0 是一个分压电位器，通过调节电位器 的阻值可以将0 v - c + 10 v 的输入电压转换为o v 斗3 3 v 的转换电压。输入信号 经过转换后经过一个电压跟随器输入到a d c 转换模块，a d i n l 为电压转换 输入信号。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i 2 6 2 模拟量输出接口 系统有四通道的模拟量输出，我们采用了t i 公司的d a c 7 7 4 4 数模转换 芯片田1 ，将d s p 的数字量转换为模拟量输出。d a c 7 7 4 4 为1 6 位并行数据输 入数模转换器，建立时间1 0 比s ，双数据缓冲技术，有四路模拟量输出，输出 品 图2 - 3 模拟量信号输入电路 电压一1 0 v + 1 0 v ，符合通用驱动器的电压输入标准。d a c 转换模块如图2 4 所示。 d a c 转换数字量由数据线d 0 1 5 直接输出，通道选择由地址线a 0 1 】 选择，i o p f 6 为d a c 转换的片选信号，逻辑时序匹配由c p l d 的d a c 转换 模块完成。 1 6 d 0 - 1 5 d b 【0 - 1 5 d a 转换模块 r s t l d a c r w i o p f 6 c p l d c s a 0 a o a la l d s p 图2 4d a c 转换模块 1 7 d a c 7 7 4 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 运动控制器的编码器接口和p c i 通讯接口设计将在第三章中