（机械电子工程专业论文）基于dspcpld的多轴运动控制器平台设计及单轴伺服运动控制算法研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着运动控制系统的发展，运动控制器作为运动控制系统的核心，在现代工 业控制中的作用越来越大，其性能直接影响被控对象的工作性能和工作效率。本 课题建立在实验室现有平台一一六自由度焊接机器人之上，旨在设计一款具有通 用特性的多轴运动控制器，以实现焊接机器人焊接过程中实时的轨迹规划及六个 关节的协调动作。此外，该运动控制器可应用于一般多轴运动系统的控制。 在充分调研控制器国内外发展的前提下，确定p c 机+ 控制器的总体设计方 案。控制器以d s p 作为主控单元，辅以c p l d 最终完成多轴协调运动。控制过 程中，依靠d s p 强大的数据处理能力进行电机控制，c p l d 进行相关的逻辑控 制和i o 扩展，并采用p c i 总线与p c 机进行通讯，以满足数据传输的速度和稳 定性等要求。 c p l d 作为系统主控芯片的扩展，完成了众多逻辑控制和i o 扩展的任务。 作为本设计的重点，将其按功能进行分类设计。另外，原理图设计成功后的硬件 调试也是本论文所作的工作之一，硬件调试步骤、调试内容及调试过程中的常见 问题均在论文中得以体现。 伺服电机控制方面，论文在对伺服电机的控制模式做了简单介绍后，确定控 制器采用速度控制模式，并对该模式下各个参数的调整、计算给出相关依据。对 于电机控制策略，从简单p i d 入手逐步深入，结合实验结果分析得到驱动器特性 曲线，并针对伺服电机控制中存在的死区、零点校正等问题提出解决方案。在电 机控制的稳定性方面，结合先进控制算法一一模糊控制对电机的p i d 参数进行在 线整定，形成了带死区及速度前馈的模糊p i d 控制算法。在伺服电机复杂轨迹跟 踪过程中，提出五次多项式插补运算，并对其进行改进应用，最终实现控制器运 动的精度和速度。 软件上，完成对运动控制器控制功能的实现，包括单电机控制算法以及多电 机控制程序总成。论文给出整体算法程序设计流程图，并对关键设计思想进行了 详细阐述。 关键词：多轴运动控制器；d s p ；可编程逻辑；p c i 总线；电机控制 i l 浙江大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m ，m o t i o nc o n t r o l l e r , a st h e c o r er o l eo ft h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m ，h a sa ni n c r e a s i n g l ye f f e c to nt h em o d e m i n d u s t r y i t sc a p a b i l i t y h a sad i r e c t i m p a c t o nt h e c o n t r o l l e do b je c t sw o r k p e r f o r m a n c ea n dw o r ke f f i c i e n c y t h ei s s u ei se s t a b l i s h e do nt h ee x i s t i n gl a b o r a t o r y p l a t f o r m 一6d o fw e l d i n gr o b o t ，a n di t sa i m i st od e s i g na no p e n ，m u l t i - a x i sm o t i o n c o n t r o l l e rt oa c h i e v ew e l d i n gr o b o t sr e a l - t i m et r a j e c t o r yp l a n n i n ga n dc o o r d i n a t i o no f t h ea c t i o no ft h es i xj o i n t si nt h ew e l d i n gp r o c e s s a p a r tf r o mt h i s ，t h ec o n t r o l l e r s h o u l dh a v ep r o p e r t i e ss u c ha sg o o do p e n n e s sa n ds c a l a b i l i t y i nt h ef u l lr e s e a r c ho fm o t i o nc o n t r o l l e r s d e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a d ，i ti s u l t i m a t e l yd e t e r m i n e dt oa d o p tt h ep c + c o n t r o l l e rc o n t r o lp r o g r a ma st h eo v e r a l l d e s i g no ft h ec o n t r o l l e r t h ec o n t r o l l e r sm a i np a r tc h o o s ed s p + c p l da st h em a j o r c o n t r o lu n i t ，w i t ht h ep o w e r f u ld a t a p r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e so fd s pt oc o n t r o lt h e m o t o r , p r o g r a m m a b l el o g i co fc p l dt o c o n d u c ta s s o c i a t e dl o g i c a l c o n t r o l ，i t s c o s t e f f e c t i v eg e n e r a l - p u r p o s ei ot oe x p a n dt h ei oo fd s p , p c ib u st oc o m m u n i c a t e w i t hp cs oa st om e e tt h er e q u i r e m e n t so fs t a b i l i t ya n ds p e e do fd a t at r a n s f e r t h ea p p l i c a t i o no ft h ep r o g r a m m a b l el o g i ct e c h n o l o g yi nt h ep r o c e s so fh a r d w a r e d e s i g na n dt h ee x t e n s i o no fc p l dc h i pa sas y s t e mm a s t e rh a v ec o m p l e t e dan u m b e r o fl o g i cc o n t r o l sa n di o p o r te x p a n s i o n s a st h ef o c u so ft h i sp r o g r a m ，t h i s c o m p o n e n tw a sc l a s s i f i e da c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n sd u r i n gt h ed e s i g n i n g i na d d i t i o n ， t h eh a r d w a r ed e b u g g i n ga t t e rt h es u c c e s so ft h es c h e m a t i cd e s i g ni so n eo ft h em a i n t a s k so ft h i st h e s i s t h eh a r d w a r ed e b u g g i n gs t e p s ，t h ed e b u gc o n t e n ta n dt h ec o m m o n p r o b l e m si nt h ep r o c e s so fd e b u g g i n g a r ea l ld i s c u s s e di nt h ep a p e r a sf o rt h ec o n t r o la l g o r i t h mo fs e r v om o t o gt h i s p a p e ri n t r o d u c e s t h ec o n t r o l m o d eo fs e r v om o t o rb r i e f l y , a n da d o p t st h es p e e dc o n t r o lm o d ei nt h i sp r o g r a mi nt h e e n d ，g i v i n gt h eb a s i st oc a l c u l a t ea n da d j u s tt h ev a r i o u sp a r a m e t e r si nt h i sm o d e a s f o rt h em o t o rc o n t r o ls t r a t e g y , t a k i n gs i m p l ep i da st h es t a r t i n gp o i n t ，t h i sp a p e rs t e p s i i i 浙江大学硕士学位论文 摘要 d o w ng r a d u a l l y , d r a w i n gc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo ft h ed r i v ew i t ht h eh e l po fa n a l y s i so f e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，f i n d i n gt h ed e a dz o n eo fs e r v om o t o rc o n t r o l ，z e r oc o r r e c t i o n a n ds o m eo t h e rp r o b l e m s ，a n dp u t t i n gf o r w a r das o l u t i o nt ot h e s ep r o b l e m s a sf o rt h e s t a b i l i t yo fm o t o rc o n t r o l ，t h i sp r o g r a mt r i e st oa d j u s tp i dp a r a m e t e r so nl i n et h r o u g h f u z z yc o n t r o lo ft h em o t o rc o m b i n e dw i t ha d v a n c e dc o n t r o la l g o r i t h m s e v e n t u a l l yi t w i l lw o r ko u t f u z z yp i dc o n t r o la l g o r i t h m s w i t hd e a d z o n ea n dh i 曲一s p e e d f e e d f o r w a r d i nt h ep r o c e s so ft r a c k i n gt h ec o m p l e xt r a i lo fs e r v om o t o r st h i sp r o g r a m p r o p o s e s c u b i cp o l y n o m i a l i n t e r p o l a t i o no p e r a t i o n s a n di m p r o v e m e n t st oi t s a p p l i c a t i o n ，a n du l t i m a t e l ya c h i e v e s t h em o v e m e n ta c c u r a c ya n ds p e e do ft h e c o n t r o l l e r a sf o r t h es o f t w a r e ，t oc o m p l e t et h em o t i o nc o n t r o l l e r sf u n c t i o na n dt o i m p l e m e n ta l g o r i t h m so fs i n g l em o t o ra n dm u l t i - m o t o r so nt h ed s p , t h i st h e s i sh a s o f f e r e daf l o wc h a r to fp r o g r a md e s i g no ft h eo v e r a l la l g o r i t h m ，a n dad e t a i l e d e x p l a n a t i o na b o u tt h ek e yd e s i g nc o n c e p t s k e yw o r d ：m u l t i a x i sc o n t r o l l e r ；d s p ；p r o g r a m m a b l el o g i ct e c h n o l o g y ；p c ib u s ； m o t o rc o n t r o l i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所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。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝江太堂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已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：厂a 斯暂 签字日期：山o 年弓月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙逛太堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：穗：暂污 导师签名： 签字日期：勘lo 年弓月j j 日 签字日期：年月日 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 值此论文完成之际，我的硕士研究生生活将告一段落，能够来到浙江大学这 样的高等学府学习、生活，我感到十分的幸运，两年半的学习生活也使我成长了 许多。回首走过的日日夜夜，有太多的人需要感谢。 首先，我谨向我的导师朱世强教授表示衷心的感谢，本论文是在他的悉心指 导下完成的。两年多来，朱老师深厚的学术造诣、严谨的治学态度以及求是的工 作作风给我留下了深刻的印象，尤其在对课题整体的把握和科学有效地科研方法 上，使我受益匪浅。感谢朱老师在学习、工作上的无私帮助，感谢朱老师的辛勤 培养! 感谢实验室的刘华山师兄、吴剑波同学对我的帮助，作为一个小课题组，我 们积极努力、团结一致，忘不了我们共同解决一个难题时发出的开心笑声，和他 们一起学习工作的这段e l 子，我将永记，愿他们未来的路更加光明。 感谢实验室的刘松国、程永伦、罗利佳、陈光、赖小波、王会方、孙杰、李 江波、郑东鑫、李云飞、吴文祥、崔壮平、曹新星等师兄弟给予我学习生活上的 帮助，我们是一个优秀的团体，希望诸位在以后的工作、学习中继续努力。 感谢我的室友何振亚、柯敏、陶熠、班勇婷、及朋友应勤，两年多来的生活 有她们相伴，我们朝夕相处，志趣相投，有了她们，我的生活才更加丰富多彩， 希望她们以后的人生更加精彩。 感谢我的父母、弟弟们，是他们无微不至的关怀使我能够得到今天的成绩， 生病时的问候，沮丧时的鼓励，使我时刻都感到家庭的温暖，他们的健康快乐是 我最大的心愿。 此外，感谢我的男友黄云飞，感谢他两年半来对我生活上无微不至的关心和 在学业上的鞭策及鼓励。 最后，衷心的感谢所有给予我帮助、支持以及批评指导的人。 闫莎莎 2 0 1 0 年1 月于浙大求是园 浙江大学硕士学位论文绪论 1 1 引言 1 绪论 2 1 世纪的高新技术推动了传统产业的迅速发展，运动控制技术作为传统产 业的关键组成部分，在这样的背景下得到了长足的发展。运动控制技术起源于早 期的伺服控制，从1 8 7 3 年法国工程师j e a nj o s e p hl e o nf a r c o t 提出伺服控制到现 如今，运动控制技术一直处于高速发展中，目前已经成为自动化技术的一个重要 分支，而运动控制器则是运动控制技术中极具代表性的产品之一。 在国外，早在2 0 世纪8 0 年代初期，通用运动控制卡已经开始应用于多个行 业，尤其是微电子行业。而开放式的运动控制系统的研究始于1 9 8 7 年美国空军 提出的“n g c ( 下一代) 计划”【1 】，这项计划提出了具有开放式体系结构的控制 器概念和标准，目标是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。此后，世界各大发达国家在控制系统研究方面相继行动，美国几 大科研机构就这项计划分别发表了相应的研究内容【2 - 6 ，如美国国际标准研究院 提出了“e m c ( 增强型机床控制器) ”，美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司 提出了“o m a c ( 开放式、模块化体系结构控制器) ”。此外，欧洲提出了自动控 制结构的开放式系统o s a c a ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) ，日本也提出 了控制器结构开放系统环境o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o r c o n t r o l l e r a r c h i t e c t i l r e ) 的计划【7 _ 9 1 。 1 2 运动控制器概述 随着现代控制技术的提高，运动控制器的出现在某种意义上满足了新型数控 系统的标准化、开放性的要求，为各种工业设备、国防设备以及智能医疗装置的 自动化控制系统的研制和改造提供一个统一的硬件平台。整体而言，运动控制器 是一种控制装置，其核心为中央逻辑控制单元，敏感元件一般为传感器，控制对 象为电机或动力装置和执行单元。目前，大多数的运动控制器是一种基于p c 机 新 学碰十 位论文 或工业p c 机的上位控制单元，多用于控制步进电机或伺服电机，在控制过程中， 控制嚣可以完成运动控制的所有细节( 包括脉冲和方向信号的输出自动升降速 的处理、原点和限位等信号的检测等) 【。一般地，控制垂都配有开放的函数库 供用户在d o s 或w i n d o w s 系统平台下自行开发，从而构造所需的控制系统“】。 囤1i 给出典型的p c + 运动控制器组成的开放式控制系统的简图：一般地， 运动控制器发送运动控制指令到伺服驱动器，由伺服驱动器驱动伺服电机运行， 再通过伺服电机上的编码器反馈信号返回至运动控制器，至此，整个运动控制系 统实现运动控制器的闭环控制 、 j 薄一黼 田1 1 典型的p c + 运动控制墨组成的开放式控制系统的筒雷 21 运动控制器国内外研究现状 在2 0 世纪9 0 年代，国际发达国家就已经相继推出运动控制器产品，包括 美国d e l t a t a u 公司的p m a c 多轴运动控制器，英国t r i o 公司的p c i 2 0 8 多轴运 动控制器以及德国m o v t e c 公司开发的d e c 4 t 运动控制器等。近年来，运动 控制墨作为一个独立的工业自动化控制类产品，已经被越来越多的工业领域所接 受。目前，由这些发达国家研制的运动控制器已开始在机器人控制、半导体加工 飞行模拟墨等新兴行业得到了很大的应用，其在传统的机床控制领域所占的市场 份额也在不断的扩大。 我国的运动控制嚣行业起步较晚，开发相对落后，虽然2 0 世纪9 0 年代就开 始有企业投身干这项行业的研究，包括深圳固高公司深圳摩信科技及南京顺康 等”】，后来相继也有一些公司涉及这个行业，但真正拥有自主研发的也是少数， 大多以代理国外控制器为主，就产品性能各方面和国外同类产品还有较大的差 距。现将国内外主流产品部分关键技术参数对比如下，如表11 所示。 2 = 一 ! t 浙江大学硕士学位论文绪论 表1 1 国内外运动控制器产品性能对比 比较参数 国外产品国内产品 公司 d e l t a t a um o v t e ct r i o 固高顺康 代表产品 p m a c 2d e c 4 tp c i 2 0 8g t s vm c 6 4 1 4 主频m h z 4 0 8 0 1 0 01 2 04 0 1 6 单通道平均伺 3 01 6 6 7 2 5 0 1 0 0 服周期l a s 轴数8 3 2 4884 i o 数3 2 可扩展 6 2 3 0 可扩展 3 21 6 p m a c 编标准g 代码 t r i ob a s i cc | 协|v c v b 编程方式程语言类b a s i c 编程，v b 、 d e l p hd e l p h ：l a b v b cc v b ，v cv c 、c c + + v i e x m a t l a b 控制软件控制软件全中文版编动态链接动态链接 技术支持 技术资料e d i t a s c 等程软件等库及驱动库及驱动 价格 1 5 0 0 01 2 0 0 02 0 0 0 07 5 0 04 0 0 0 由表l 。1 可知，国内生产的大多数为主频较低的控制器，且可控轴数一般较 少。此外，国外产品大多提供专门的运动控制语言供用户编程，在一定程度上方 便了终端用户。但是，从价格上来看，国外控制器价格较高，为国内产品的2 4 倍，且对于关键部件的故障返修周期较长。因此，对于我国应用运动控制器的相 关设备而言，从成本和维护周期上构成了较大的制约。 目前，我国作为世界上经济发展最快的国家之一，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，在这样的形势下， 研制出具有自主知识产权的高水平、高可靠性的开放式运动控制器，突破发达国 家对我国的技术壁垒，实现运动控制器的国产化显得尤为重要。 1 2 2 运动控制器分类 目前市场上可以看到的运动控制器依据不同的原则有不同的分类。按照运动 控制器的核心技术方案，主要有基于模拟电路型、基于微控制单元型、基于可编 程逻辑型、基于数字信号处理( d s p ) 型等；按照运动控制器的系统结构，可分 为基于总线的运动控制器和独立应用的运动控制器以及混合型的运动控制器；按 照位置控制原理，可以分为开环、半闭环和闭环三种基本的控制方案；按照被控 量的性质和运动控制方式，可以分为位置控制、速度和加速度控制、同步控制、 浙江大学硕上学位论文绪论 力和力矩控制。 而国内的运动控制器生产厂商提供的产品大致可以分为三类1 3 j 5 1 ： ( 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，大多数工作于开环控制方式，基本满足于对单轴的点位控制。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够提供连 续插补功能，很难满足要求。 ( 3 ) 基于p c 总线的以d s p 和f p g a 为核心处理器的开放式运动控制器。近 年来，d s p 以其功能强、速度快、编程和开发方便等优点，在多轴运动控制技术 领域得到了很大的发展1 6 。1 7 】。此类控制器即t ；zd s p 作为核心处理器，以p c 机 作为信息处理平台，以插卡形式嵌入p c 机，形成“p c + 运动控制器”的模式。 功能上，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。 第一类运动控制器由于其性能的限制，主要应用于一些单轴简单运动的场 合。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 ) 仅能提供运动控制的基本功能，限制了这种运动控制器在 复杂条件的使用。第三类运动控制器是目前国内运动控制器产品的主流，应用也 从传统的机床数控扩展到了如机器人控制、激光加工、纺织、电子加工等多个领 域【3 1 。本课题的研究内容即为设计出一款适应于工业焊接机械人的第三类运动控 制器。 1 2 3 运动控制器发展趋势 随着控制技术的快速发展，传统的运动控制技术由于其封闭式结构、控制软 件兼容性差等原因，已经不能满足现代工业的发展要求。 目前而言，新型的运动控制器有以下几个主要的发展趋势： 现阶段，新型数控系统标准化、柔性化的要求促使了现代控制系统中开放性 4 浙江大学硕士学位论文绪论 体系概念的提出 i s 】。所谓开放性体系1 9 1 即系统应具备使不同应用程序能很好地 运行于不同供应商提供的不同平台之上的能力，不同应用程序之间能够相互操作 的能力和一致的用户交互风格。新型运动控制器应该以开放化为目标，能够方便 地与机床、机器人等被控设备联接，硬件上能够实现一到多个坐标轴位置、速度 和轨迹伺服控制，软件上具有完善的轨迹插补、运动规划和伺服控制【2 0 - 2 1 。 其次，新型运动控制器应该在结构上应形成模块化【2 2 1 ，易于实现数控系统的 集成化和标准化，可以通过积木方式进行方便的相互组合，以建立适用于不同场 合、不同功能需求控制系统，为各种工业设备、国防设备以及智能医疗装置的自 动化控制系统的研制和改造提供一个统一的硬件平台【2 。 最后，新型的运动控制器应该紧跟计算机技术的快速发展。随着现代计算机 功能的强大，利用运动控制卡和p c 机相结合，或者将p c 系统直接嵌入运动控 制卡中已经成为一个重要的发展趋势。 1 3 课题研究内容及研究目的和意义 1 3 1 课题的研究目的和意义 本课题的研究目的是最终开发出一套多轴运动控制器的软硬件平台，该款运 动控制器应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 特点。就本课题实验平台而言，应能够采用实时的、稳定的算法完成六自由度焊 接机器人的多轴协调运动控制与复杂的运动轨迹规划。 课题研究意义：由章节1 2 中表1 1 可知，在运动控制器开发方面，国内控 制器在各性能方面与国外产品还有一定的差距，而国外主要产品的外购价格又很 高。而现阶段，我国工业领域对运动控制器的需求在不断增大，因此研制出具有 自主知识产权的、易于使用，功能完善，性能优越，成本较低的运动控制器具有 重要意义。另外，就本课题六自由度焊接机器人平台而言，其运动控制器依赖进 口，除成本较高外，整个系统的集成度还有很高的提升空间。因此自主研发的运 动控制器，可以克服因采用外购控制器而造成的集成度不高、售后服务周期漫长 的缺陷，同时我们可以对运动控制器的各个功能参数从底层进行修改完善，从而 浙江大学硕士学位论文绪论 大大提高整个系统的性能。 现将本课题开发出的运动控制器与国内外极具代表性的同类型控制器 d e l t a t a u 公司的p m a c 2 系列和固高公司的g t 系列进行性能细节上的对比，如 表1 2 所示。由表中所给的参数可知，本课题开发的控制器相比于同类控制器， 频率较高，d a 通道、分辨率及其他参数相当，但就采购价格( 开发成本) 而言， 本课题控制器具有明显优势。 表1 2 控制器性能细节对比 参数本课题控制器p m a c 2 a p c10 4g t - s v 主频m h z1 5 04 04 0 单通道平均伺服周期t a s 6 6 7 ( 可修改) 3 05 0 f l a s h 存储k b y t e 2 5 65 1 26 4 d a 通道数 848 d a 分辨率 1 2 b i t1 2 b i t1 6 b i t 可控制轴数 688 通讯总线3 2 - b i tp c i 总线r s 2 3 2 1 0 4 总线i s a r $ 2 3 2 4 8 5 采购价格( 开发成本)2 0 0 01 5 0 0 07 5 0 0 1 3 2 主要研究内容 ( 1 ) 控制器的软硬件系统设计 本课题作为浙江省面上项目的重要支持之一，在充分调研国内外运动控制器 的基础上，利用焊接机器人平台，着力于开发出一套基于d s p + c p l d 的多轴运 动控制器，该控制器以t i 的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为主要控制单元，以p c i 总线为实现 与上位机的通讯，并辅以c p l d 完成硬件电路设计，以简化电路，节省电路板空 间，扩展i o ，最终完成接口间的高速连接。 ( 2 ) 可编程逻辑技术 由于主控芯片d s p 本身的资源有限，整个控制过程的完成无法在一块d s p 芯片上实现。为保证控制器能够同时控制6 个电机，采用可编程芯片c p l d 对 d s p 进行扩展，对于c p l d 可编程逻辑技术的研究是本课题硬件平台搭建的一 个重点。 ( 3 ) 高实时性、高稳定性控制算法研究 稳定性是控制系统的一个重要特性，除硬件方面的原因外，控制算法的稳定 6 浙江大学硕士学位论文绪论 性也是一个重要因素。另外，本控制系统用于控制六个电机协调运动，由于控制 过程比较复杂，所以对控制算法的实时性提出了严格的要求，因此研究一种高实 时性、高稳定性的控制算法是本课题的一个重点研究内容。 1 4 本章小结 本章详细介绍了运动控制器国内外发展现状和运动控制器分类，对国内外同 类产品进行了性能上的对比，在此基础上着重分析了运动控制器的发展趋势，最 后对课题研究内容、研究目的及意义做了总结性的介绍。 浙江大学硕士学位论文运动控制器系统方案设计 2 运动控制器系统方案设计 本课题中运动控制器的设计以开放式体系为总体目标。目前，开放式的运动 控制器主要有以下几种方案【1 5 ，2 3 2 4 1 ： ( 1 ) 基于计算机标准总线的运动控制器，采用p c + 运动控制器的方式，将计 算机的强大处理能力和运动控制器本身的开放性相结合。此类控制器一般选用数 据处理芯片作为c p u ，来完成运动控制过程中的轨迹规划、插补运算等复杂工 作，对外拥有标准化的通用接口。软件开发方面，提供开放的函数库，用户可根 据特定需求，自行开发应用软件。目前，这类运动控制器是市场上主流的开放式 控制器。典型应用有美国d e l t at a u 公司的p m a c 多轴运动控制器。 ( 2 ) s o f t 型开放式运动控制器，这类运动控制器将所有运动控制软件集中于 计算机中，硬件仅是计算机与伺服驱动器之间标准化的接口。在已开发好的软件 平台上，用户可以充分利用其开放的运动控制内核，开发出所需要的运动控制功 能。这类控制器的特点是硬件开发、制造成本相对较低，但是软件开发难度大。 典型应用有德国p a ( p o w e r a u t o m a t i o n ) 公司的p a 8 0 0 0 n t 。 ( 3 ) 嵌入式结构的运动控制器，这种运动控制器的特点是在控制器内部嵌入 操作系统，使控制器能够独立运行，采用更加可靠的针式连接器，更适合于工业 应用。应用过程中，采用现场网络通信接口如r s 4 8 5 、工业以太网等联接上级计 算机或控制面板。典型产品有美国a d e p t 公司的s m a r t c o n t r o l l e r 。 考虑到开发难度、开发成本以及控制器稳定性等因素，本课题最终选择基于 计算机总线的运动控制器方案。 2 1 运动控制器的硬件方案 2 0 世纪9 0 年代，美国t i 推出了t m s 3 2 0 x 2 0 0 0 系列信号处理器( d s p ) ， 该系列的d s p 是专用的运动控制芯片，其性能高、体积小、功耗低、可靠性高 等众多优点电机控制系统提供了良好的硬件平台。 通讯总线方面，传统的i s a 总线已经逐渐不能满足如数据采集、数据传输和 浙江大学硕士学位论文运动控制器系统方案设计 数据存储设备的需要，而p c i 总线由于其高带宽的传输速率、高稳定性，尤其 p c 机对其的支持已经在计算机、通信设备、工业控制等领域得到了广泛的应用。 对多轴运动控制器而言，六轴联动的复杂算法对于控制系统硬件平台提出了 较高要求，而高实时性的多轴插补以及各项控制参数调节需要进行大量的数据传 输。基于此，本课题中多轴运动控制器选择d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为主控芯 片，选择p c i 总线作为通讯总线。 硬件总体方案设计上，由于控制器需要同时控制六个电机，涉及到的电机接 口较多，另外还有部分伺服控制器信号需要预处理，因此将接口电路作为单独的 硬件列出。整个硬件设计分为两部分实施，一部分为控制单元核心，即控制基板， 另外一部分为接口处理模块，即接口板。控制基板和接口板之间通过排线相连。 硬件设计功能框图如图2 1 所示： 控制基板 接i = 1 板 伺伺 pp s r a m 卜 d 3 3 叫耄翠霪囊 _ h服 服 c似c s d a 卜 44驱 铲 双口 l 。 萎c j 针 动 c j 驱 接 t 器叫 机 i p q l e l口接 动 r a mr 7 差分信号口1r _ 一 器 气c p l dt - 滤波处理 2 2 各模块电路设计 2 2 1 电源模块 图2 1 硬件设计功能框图 本系统中为多电源设计，电源类型有1 8 v 、3 3 v 、5 v 、1 5 v 、2 4 v ，纵观 设计中的各个模块电路，大部分芯片供电电压要求为+ 5 v ，因此采用+ 5 v 电压作 为整个电路板的供电电压，其他芯片要求的3 3 v 、1 8 v 电压均由+ 5 v 电源经过 电压转换芯片转换得到，而1 5 v ，2 4 v 由电源直接供给。 对于主控芯片d s p 供电要求，t i 的d s p 采用了双电源供电，其c p u 内核 电压为1 8 v ，接i = i 电压为3 3 v ，因此必须考虑它们之间的上电、掉电次序。这 里值得注意的是：大部分d s p 芯片要求内核电压先上电，i o 电压后上电。因为 如果只有c p u 内核获得供电，周边i o 没有供电，那么对芯片不会产生损害， o 浙江大学硕士学位论文运动控制器系统方案设计 只是没有输入输出能力而已；如果周边i o 获得供电而c p u 内核没有上电，那 么d s p 缓冲驱动部分的三极管处于未知状态下工作，这是很危险的。而本系统 采用的d s p 是t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，属于t m s 3 2 0 f 2 8 1 x 系列，该系列芯片区别于大 多数t i 的d s p 芯片，采用i o 先上电，内核后上电的顺序。另外，c p u 内核与 i o 供电应尽可能同时，二者时间相差不能太长( 一般不能超过l s ，否则可能会 影响器件的寿命或者损坏器件) 。这是由于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 在上电启动时，需要采 样外部引脚x m p m c 以此来确定系统的工作模式( 微处理器微型计算机) ，如 果系统配置为微处理器模式，则需要继续采样外部引脚f 1 2 ，2 ，3 ，4 ，根据这4 个引脚的信号组合确定b o o t l o a d e r 获得启动代码的位置。 针对于这样的电源要求，电路设计中采用t p s 7 6 8 0 1 经+ 5 v 转化得到+ 1 8 v 的电压供给d s p 内核，采用t p s 7 5 7 3 3 经+ 5 v 转化得到+ 3 3 v 电压供给d s p 的 i o 。另外，为了确保在系统上电的过程中，d s p 的内核电压和i o 电压在达到 要求之前，芯片始终处于复位状态，从而避免不受控的情况。在上电次序安排上， 利用t p s 7 5 7 3 3 电压转换芯片特性，将该芯片的f b p g 端口作为p g ( p o w e rg o o d ) 使用，用于表征7 5 7 3 3 的电压输出状态，由芯片资料可知，当输出电压到达预定 目标的9 1 时，p g 端输出低电平，当输出电压不足预定输出目标的8 9 时，输 出端输出高电平，如图2 2 所示【2 5 1 。由此当+ 3 3 v 电压稳定获得时，p g 端输出低 电平，利用p g 端使f l e + 1 8 v 转换芯片t p s 7 6 8 0 1 ，再由t p s 7 6 8 0 1 产生+ 1 8 v 电 压，由此实现i o 先于内核( + 3 3 v 先于+ 1 8 v ) 上电的上电次序。具体电路如图 2 3 所示： v 、t 一 v r r 一， l i n o i h l u t r i t 一 图2 2t p s 7 5 7 3 3f b p g 端口特性 l o 浙江大学硕士学位论文 运动控制器系统方案设计 + 1 8 v 图2 3 d s p 电源供电电路 通过t p s 7 6 8 0 1 芯片获得+ 1 8 v 电压时，应严格配置电阻r 2 、r 3 ，输出电压 应满足关系式2 1 ： 一阿阳) ( 2 1 ) 其中v r e = 1 1 8 3 4 v ，通过计算取r 为4 0 k f ) ；足为2 1 k o 。带入计算公式 得到理论电压应为1 8 0 v ，符合设计要求。 此外，为了监控d s p 程序运行的情况，不至于程序跑飞而陷入死循环，在 电源模块中加入了电源监控和复位电路，直接作用于d s p 内部的看门狗电路， 一旦程序跑飞，就触发电源模块的复位功能使整个系统复位。另外，对于复位功 能，采用电子复位和手动复位相结合，使系统能够方便的实现，以保证整个系统 的安全性，这一功能由电源监测芯片t p s 3 8 2 3 s 实现。 2 2 2 存储器模块 本课题运动控制器的开发采用p c 机+ 运控控制器的实现方式，在运动控制 器上需要完成的任务包括控制算法、插补算法、以及算法过程中的数据处理。而 在这些任务进行中会产生很多的临时数据，如果这些数据的存储仅由d s p 的片 内r a m 来承担，那么随着控制算法的深入、控制精度的提高，d s p 的负担会越 来越重，最终限制程序的完整运行。鉴于此，借助于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的存储器扩 展功能，如图2 4 所示的f 2 8 1 2 内存映射结构【2 6 1 ，对其内存进行扩展。 m o0 0 0 0 抽哦0 抽啪0 柚0 蜥0 i 铂t 0 l 自o o 囟嗽2 0 囱m s 懈 o 啪7 8 翻啪e 0 釉a e 翻啪a 撕 o 【3 d ，0 翻凇 d8 0 0 0 f7 f f e k 3 f8 鼢 勘群 蚴 ff 0 矗3 ff f c 0 d e t ss 0 a 0 p as 岬 嘶s 口 p r o g 邬c i 瞻v e c t o r r a m1 3 2x 3 2 ， j 5 ， e n i b l e d i fv m a p - 0 j ，。j ，f ，j 乞0 ，衫? 7 一? 一p ，。j i ? 。j 4 省岛g 4 糍，j _ 划# i 缮 l n 0 s a r a k lf i kx 勘 7 一一一7 ，# 7 t ? 一，| 7 一9 ，4 。 醵 s r x 铘 p _ r w h e c mf r mo 薯- 貉s 万 h e v e c t e r - r a 豫 ? 7f 一 i 4 。, 2 5 6 - 勘 f 垃n 棚 0 ，+ ，j ，一，： 把h 鲥e d i f v m a p z e n p i e - ； r i ? ；7 | 。；“，。 r e 钟v d x i n t fz o n e0f s k 、1 x z c s o a n 0 ” r 倒 n t f z 棚e s kx ，x z c s a n d j ；f p r 口协删 轴岫h e r & lfr l 鹏 f p r o 协盛瓣 j ，j | j ，j1一一。j?ji?j 。 r e f r e d - | r 旧h 封副f f l l m e2 ，1 ， 7。 f p r 0 目涮 。| j ，i + j ? 一， 4 。“? s a r a ml i kx b ，s u 憎b l o c k ? j ? ，。，r m r v e d j ；? ，j _ ，? 。? 7 j ， “s a r a 赫f “f 憾5 伽憎b l o t k | i 一 | j ” ? j ，。j jl ? ? ， ，7 ， 1 | 。? ?pj， ?。 x i n t f z o n e2i es m 馑x z c s 玉 ，i，i | ? 为n t , fz o 糟ef 0 5 mt 饨x z c s 舳n d ? i ?。?，聘m 懒t 。 ，。i ，一。|，7 p ，|j_| c 穿p ：甜r o 懿 f k 一 岳s e c i r eb l e 0 虬 j j ，l 1 | j 一7 7i ? ，广，77j o ? ，? ，r，?rj 4一