（机械制造及其自动化专业论文）基于dsp的四轴运动控制卡硬件设计.pdf

摘要 本文针对适于并联机构控制的新型运动控制卡的开发需求，密切结合天津 市自然基金项目，以高速、轻型、低成本并联机械手为控制目标，运用计算机 技术、电子技术和控制理论，系统研究了研发运动控制卡的若干关键技术。主 要工作和成果可以概括为： ( 1 ) 在分析和借鉴国内外商用运动控制卡的基础上，提出了运动控制卡的软硬 件的总体结构，并按照结构化和模块化的设计方法，确定了系统的各子模 块的功能。 ( 2 ) 在硬件电路设计中，基于分层阶递的设计思想，采用主从方式搭建控制卡 的核心处理单元，并设计了相应的硬件电路。该设计可以提高控制系统处 理速度和能力。 ( 3 ) 设计了相应的通讯接口电路，开发了接口程序，保证控制卡和p c 之间的 信息的高速传输。 ( 4 ) 以伺服电机作为控制对象，设计了电机控制模块的电路，开发了基本的系 统控制软件，搭建硬件调试平台，为整个系统的开发奠定了基础。 关键词：运动控制卡，d s p ，p c i 接口，伺服电机驱动器 a b s t r a c t t om e e tw i t ht h e r e q u i r e m e n to ft h ep a r a l l e lk i n e m a t i cm e c h a n i s m ，t h i s d i s s e r t a t i o n i n v e s t i g a t e st h ek e yi s s u e si nt h ed e v e l o p m e n to fan o v e lm o t i o n c o n t r o l l e rs y s t e m a t i c a l l y , f o ri th i g h s p e e d , l i g h t - w e i g h t e da n dl o wc o s t p a r a l l e l m a n i p u l a t o r w i t ht h ca i do fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , e l e c t r i ct e c h n o l o g ya n dc o n t r o l t h e o r y , t | i ef o l l o w i n gc r e a t i v ew o r kh a sb e e nc o m p l e t e d 口b a s e do n at h o r o u g h a n a l y s i so ft h e a r c h i t e c t u r eo fc o m m e r c i a lm o t i o n c o n t r o l l e r s ，t h es y s t e m a t i cs c h e m eo ft h em o t i o nc o n t r o l l e ri sp r o p o s e d t h e h a r d w a r ei ss e p a r a t e di n t oi n d e p e n d e n tf u n c t i o n a lm o d u l e s ，a n dt h ef u n c t i o n so f e a c hm o d u l ea r ed e s i g n e d 口w i t ht h ea i do fh i e r a r c h i c a ld e s i g nm e t h o d o l o g y , t h ec e n t r a lc o n t r o lu n i ti s c o n s t r u c t e di nt h em a s t e r - s l a v em o d e t h eh a r d w a r e c i r c u i ti s d e s i g n e d a c c o r d i n g l y , w h i c hg r e a t l yi m p r o v e st h ec o n t r o ls w e da n de n h a n c et h ec o n t r o l a b i l i t y 口t h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ee k e u i td e s i g ni sa l s oc o m p l e t e d , t o g e t h e rw i t ht h e i n t e r f a c e p r o g r a m t h u s 。t h ei n f o r m a t i o nc 姐b et r a n s m i t t e db e t w e e nt h e c o n t r o l l e ra n dp ca th i g hs p e e d 口a i m i n ga tt h ec o n t r o lo fs e r v o m o t o r s ，am o t o rc o n t r o lm o d u l ei sd e v e l o p e d m o t o r8 c r v od r i v e ri su s e dt od r i v et h em o t o r a sa r e s u l t , af o u r - a x i sm o t i o n c o n t r o l l e ri sd e v e l o p e d ，w h i c hl a y sas o l i df o a n d m i o nf o rf l l l 喃e rr e s e a r c ho n 1 1 i g hs p e e da n dh i 曲p r e c i s es e r v oc o n t r o lm e t h o d o l o g ya n da d v a n c e dc o n t r o l s t r a t e g y k e y w o r d s ：m o t i o nc o n t r o l l e r ：d s p ip c ii n t e r f a c e ：m o t o rs e r v od r i v e r h 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和取彳 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已垒 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁主盘茔或其他教育机构的学缶 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芒 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 杏j 签字日期：上一坦歹年，月，f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规 特授权叁叠盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进乖 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同蓑 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 鹰j 签字日期：上，叮年，月日 新编1 白面水 签字日期：知口，年1 月d 第一章绪论 1 1 课题的研究意义 第一章绪论 9 0 年代问世的并联构型装备( p a m l l e lm a c h i n et 0 0 1 ) 【3 8 】，具有模块化程度高、 刚度质量比大、动态性能好、速度快、可重构等优点。因而具有十分广阔的应 用前景。二十世纪九十年代以来，国际学术界和工程界对开发这类新型装备绘 予了极大的热忱与关注，纷纷投入大量的人力和物力竞相开发，并相继推出了 结构形式多样的产品。 图1 - 1a b b 公司的并联机械r b 9 4 0t r i c e p t 及其控制系统s 4 c p l u s 图1 - 2 s m t - t r i c e p t 公司的并联机械t r i c e p t 8 4 5 第一章绪论 图1 - 3p h y s i kl n s t r u m e n t e 公司m 一8 5 0h e x a p o d6 - 轴并联运动机构及控制系统 图1 - 4p h y s i ki n s t r u m e n t e 公司f - 2 0 66 - 轴并联位置控制机构及控制系统 并联机构最大特点是末端执行器在操作空间的运动是关节空间线性伺服运 第一章绪论 动的非线性映射，其控制原理与传统机构存在较大差异，因而控制系统的建造 是实现并联构型装备产品化的核心技术之一。由于不同并联机构的模型构造及 尺寸参数不尽相同，故其控制系统的构建必须基于开放式体系结构，特别要解 决适合于并联机构的高效、高精度插补算法、实时操作系统开发、并联机构动 力学建模等一系列关键技术问题。 目前的并联机构数控系统结构主要有基于通用工控机的c n c 系统与专用 c n c + p c 板二种形式： 1 ) “通用i p c + c n c ”的系统结构，基于工控p c 机为系统硬件平台，在p c 机标准总线上插入c n c 控制卡组成控制系统，通过运动控制卡实时控制各电机 轴的运动，由于这类系统结构简单、成本也相对较低，故被国内外许多厂商特 别是中小厂家广泛应用。如图1 3 和图1 4 所示的并联构型装备就采用了这种控 制结构。然而这些商用的控制系统一般只提供通讯接口和人机界面开放，不能 很好满足并联机构的底层完全开放的具体需要 2 ) “专用c n c + p c 板”的系统结构，其中p c 板运行非实时控制，c n c 完 成实时控制。国外主流c n c 生产厂家主要采用c n c + p c 板的形势，以发挥他 们c n c 产品的传统优势( 如图1 - 1 所示并联机构中的控制系统) 。这些并联机构 采用的控制系统，一般属于专用系统，只保证该系统的高精度运动控制，不具 有开放性。而且这些高端控制系统的价格极其昂贵，由于“巴统”的限制对我 国禁运。 基于以上情况，目前国内对并联机构的控制基本上均采用“工控机+ 实时控 图1 5 天津大学d i a m o n d 6 0 0 控制系统硬件结构 第一章绪论 制卡”的形式，以工控机作为基本平台负责整个系统管理以及运动学计算、轨 迹规划等实时性要求不高的任务，以专用控制芯片或d s p 为核心的高速运动控 制卡完成精插补和伺服控制等实时性任务，其硬件结构原理如图1 - 5 所示。由于 商用运动控制卡普遍都是针对笛卡儿坐标系开发的，不能实现基于末端执行器 的闭环反馈控制，且用户不能将自己设计的控制算法写入控制卡中，难以满足 并联机构高速高精度控制的需要。同时，由于p c 机和运动控制卡之间存在数据 传输速度的限制，在高速、高精度和多轴同步运动控制等方面还存在着一些技 术瓶颈，限制了并联构型装备控制性能的进一步提高。 因此，深入研究适合并联构型装备控制特点的开放式体系结构实现方法， 开发、设计满足并联构型系统高速、高精度控制要求的运动控制卡有着十分重 要的意义。本文在分析了当前商用运动控制器的系统体系结构和实现方案的基 础上，针对适用于并联机构要求的高速、高精度控制的系统控制结构及其关键 技术进行研究，并在此基础上完成了运动控制卡的设计，并为进一步开发基于 p c i 总线的高速位置运动控制器奠定了理论和实践基础。 1 2 国内外运动控制系统的研究现状 一、运动控制卡 近年来，随着工业p c 机的快速发展，可靠性大为提高，以工业p c 机为核 心的控制系统己经被工业控制领域所接受。在机床控制领域，采用工业p c 机， 发展通用化的数控系统，己成为国际研究的热点，符合数控技术发展的潮流。 同时，围绕工业p c 机开发的运动控制卡及其应用也越来越多。运动控制卡的主 要任务是控制进给轴的协调运动和完成位移检测，按照运动控制卡采用核心芯 片的不同，可分为以下几种类型 4 5 , 5 0 】： ( 1 )s o f t 型运动伺服控制卡：此种控制卡软件全部装在计算机中，而硬件 部分仅是实现伺服驱动的标准i o 、a d 、d a 卡。用户可以在计算机平台上开 发所需的各种功能，构成各种类型的数控系统。s o f t 型开放式数控系统完全开 放，所有的控制方法和插补算法都由开发者实现。如i s g 公司的s o f t c n c 软件 可以通过和驱动电机接口板等集成，构成不同的控制系统。其典型产品有美国 m d s i 公司的o p e nc n c ，德国p o w e r a u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0n t 等。 ( 2 )基于专用运动控制芯片的运动控制卡：这类控制卡以运动控制芯片为核 第一章绪论 心构成运动伺服系统。此类芯片有日本n o v a 公司的m c x 系列，美国t i 公司 生产的l m 6 2 9 等。其插补的算法与速度控制一般集成于芯片内。且可以同时控 制多轴。如h p 公司的h c p l l l 0 0 。该方案采用一块芯片就可完成p i d 控制算法、 编码器信号的处理等多种功能，并且其硬软件的配置具有一定的灵活性。对开 发者来讲，只要正确引入位置速度反馈信号和输入正确的位置指令即可。但由 于受运算速度和芯片的功能的限制，复杂的控制算法和功能在该系统中难以实 现，而且这种专用芯片的成本都较高。 ( 3 )基于微处理器d s p 的运动控制卡，这类运动控制卡【2 ，6 ，3 5 ，4 5 1 本身就是 一个数控系统。具有强大的处理能力的微处理器d s p ，能够控制多轴联动，可 以实现复杂的插补算法，保证系统控制的高实时性。这种结构的运动控制卡被 广泛应用于制造业自动化控制各个领域。最初的基于微处理器d s p 的运动伺服 控制卡是以8 位、1 6 位单片机为核心的，它的处理能力较差而且运算精度不高。 当今采用以d s p 为核心的运动控制卡，能在很短的控制周期内完成多个指令， 能实现多控制通道的同步处理，具有很强的运算和处理能力。从9 0 年开始，d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 技术和f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 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 ，这些d s p 的重要 特性是它们的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p ci s a p c i 控制卡上，而且每个轴的更新速率可以高达2 0 批s ，而 f p g a 芯片技术则使通过软件来更新硬件成为可能，这使传统的以单片机作为基 础的运动控制系统发生了重大的变化。将d s p 和f p g a 与p c 相结合，可充分 利用现有的操作环境和软件资源，迸一步降低系统的成本，增加系统的通用性 能。 代表性的产品如美国d e l t at a u 数字系统公司九十年代推出的基于d s p 技 术的p m a c ( p r o g r a m m a b l e m u l t i a x i sc o n t r o l l e r ) 运动控制器( 如图1 - 6 所 示) 。该运动控制器以m o t o r o l ad s p5 6 0 0 0 系列数字信号处理器d s p 5 6 0 0 1 为核 心，能控制多达3 2 个伺服轴，每个轴3 0 微秒的伺服更新率，伺服控制包括p i d 和速度、加速度前馈控制等，其伺服周期单轴可达6 0 p s ，二轴联动为1 1 0 肛s 。 产品的种类可从二轴联动到三十二轴联动。i n n o v a t i v ei m e g r a t i o n 的q u a t r 0 6 x 以 四个t i 的6 0 0 0 系列d s p 并行运行，具有4 g f l o p s 的运算速度，这种控制卡 适用于大数据量计算的场合，如自适应控制，宽带噪声消除，复杂仿真等。德 国d s p a c e 公司的d s l l 0 3 p p cc o n t r o l l e r 中使用t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 进行电 第一章绪 论 机控制。国内学者和科研单位在运动控制系统的开发方面也做了大量研究工作。 浙江工学院利用网络技术和c c d 技术实现基于网络的运动控制系统。西安交通 大学机械工程学院采用基于t m s 3 2 0 c 3 2 数字信号处理器，构造了高密度的i s p 器件+ d s p + d p 蝴的系统结构，实现四轴高精度运动控制。其他如清华大学等 也进行了基于d s p 的运动控制系统的研究。国内一些企业也相继研制出交流伺 服系统，如广州数控、华中数控、开通数控等。他们开发的交流伺服系统大多 与各自的数控系统配套，较少应用于其他运动控制场合f 2 8 l1 3 4 1 3 6 1 。性能较引进产 品相比尚有一定的差距。 图1 - 6p m a c 公司运动控制卡t u r b op m a c 2 - p c i 图1 7 摩信公司运动控制卡m c t 8 0 0 0 f 4 第一章绪论 二、d s p 技术 d s p 芯片技术是随着电子计算机，大规模集成电路( l s i ) 和超大规模集成 电路( v l s i ) ，以及微处理器技术的迅猛发展而发展的。世界上第一个单片d s p 芯片是1 9 7 8 年a m i 公司宣布的s 2 8 1 1 芯片。1 9 7 9 年i n t e l 公司宣布的商用可编 程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一个主要里程碑。这两种芯片都没有单周期乘法器。 1 9 8 0 年日本n e c 公司推出的u p d 7 7 2 0 是第一个具有乘法器的商用d s p 芯片。 这之后，最成功的d s p 芯片要数t i 公司的一系列产品【3 9 , 4 7 , 4 8 。 t i 公司生产出第一代d s p 后，又相继推出了各种性能的d s p 。不久，模拟 器件、摩托罗拉、朗讯等公司也推出了各自的产品。d s p 经过十多年的发展， 封装外形从当初的2 8 脚陶瓷外壳双列直插式发展到当今的3 5 2 脚表面贴装式。 寻址、数据吞吐、并行处理的能力也极大地提高。如今的d s p 无论是处理功能 还是运算速度都己不能同日而语。 当今新型d s p 的性能有了很大的提高。由于应用了先进的硅制造技术，大 多数生产d s p 的厂家都推出了新一代的d s p 。其中典型产品有t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 、 z s p l 6 4 0 0 、s t a r c o r e 。其中r h 新近研制的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 ，一改以往的设计方法， 其独特的v l i w 结构，给人一种耳目一新的感觉。t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 的最大特点是 八指令的并行处理。t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 的运算能力达到1 6 0 0 m i p s 。除了采用v l i w 结构外，新一代d s p 还采用了多处理单元结构。t m s 3 2 0 c 8 x 内含4 个处理单 元和一个3 2 位的r i s c 主d s p 。这种片内集成的多处理单元结构提供了强大的 并行处理功能，其速度可达到2 g m i p s 。 三、可编程逻辑器件 在逻辑器件领域，发展最快的是可编程逻辑器件。逻辑器件可以完成本来 要由很多分立逻辑器件和存储芯片完成的功能，这样既缩小了系统的尺寸，降 低了系统的功耗和成本，大幅度提高了其性能和可靠性。另外可以在工作站或 系统组装线上配置或在许多情况下重新配置这些器件。逻辑器件领域又细分为 分立逻辑器件、简单p l d ( s p l d ) 、复杂p l d ( c p l d ) ，f p g a 、标准单元和a s i c 2 2 1 。 由于逻辑器件芯片上r a m 和单片a s i c 可编程逻辑混合器件的数量越来越 多，加上摩尔定律预测的集成度发展趋势，有效门电路的数量正在爆炸性地增 长。提高门电路数量、增加系统功能、提高标准化以及缩短上市时间这四个因 第一章绪论 素正在推动这种技术的迅猛发展。 当前，高端可编程逻辑器件的发展仍然在继续。如a l t e r a 公司的a p e x2 0 k e f p g a 系列的第一个产品具有4 0 0 k 个门，具有查找表与乘积项逻辑的特点，芯 片上还有内容寻址存储器、低压差分信号电路以及锁相环路，该系列最终可望 达到6 万至1 5 0 万个门。i - c u b e 公司推出的最新器件是不分段s r a m 可编程矩 阵互连开关。m s x 5 3 2 具有5 3 2 个可设置的i o 端口。x i l i n x 公司v i r t e x e 系列 的首款产品是包含2 百万个系统门的x c v e 2 0 0 0 e ，其性能比晟初的v i r t e x 提高 5 0 ，密度提高1 倍，该系列的产品数到今年二季度将达到1 1 个。 为了充分利用现有芯片的资源，同时满足产品上市时间的要求，许多设计 师正在从传统的低级状态机和原理图输入综合转移到使用高级语言进行开发工 作，例如v h d l 和v e f i l o g 等，甚至转向c 语言等传统的软件语言，使开发难 度降低，大大缩短了产品开发周期。 四、p c 总线接口技术 p c 总线最先得到广泛应用的是i s a 总线。i s a 总线的数据宽度为1 6 位，工 作时钟频率为8 m h z ，最大的数据传输率为1 6 m b s 。由于i s a 标准的限制，使 得对系统总线上的i o 、存储器的访问没有大的改进，从而在强大的c p u 处理 能力与低性能的系统总线间形成了一个瓶颈。针对这个问题，i n t e l 公司提出了 将高带宽的外围功能设备移到靠近c p u 的地方。并通过一个系统接口( 主桥路) 与处理器存储器相连的“局部总线”解决方案。他们将这总线称之为“外围器 件互连( 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 ) 总线，即p c i 总线。p c i 总线是迄今为 止应用最成功最广泛的计算机内部总线。从服务器工控机到p c 机，现在几乎每 一台计算机中都有p c i 总线插槽。最近又推出了被称为“寄存器到寄存器”的 协议p c i - x1 0 协议。这种总线运行在1 3 3 m h z 时钟频率下，3 2 位和6 4 位可选， 至今p c i 总线仍然具有强劲的生命力 2 0 , 2 3 , 3 7 , 4 4 。 五、嵌入式实时操作系统 嵌入式实时操作系统( r t o s ) 是在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序。 用户的应用程序是运行于r t o s 之上的各个任务，r t o s 根据各个任务的要求， 进行资源( 包括存储器、外设等) 管理、消息管理、任务调度和异常处理等工作。 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式实时操作系统也获得广阔的发展 第一章绪论 空间。从1 9 8 1 年r e a d ys y s t e m 发展了世界上第一个商业嵌入式实时内核 ( v r t x 3 2 ) 到今天已经有近2 0 年的历史。2 0 世纪8 0 年代的产品还只支持一些 1 6 位的微处理器，如6 8 k 、8 0 8 6 等。这时候的r t o s 还只有内核，以销售二进 制代码为主。当时的产品除v r t x 外，还有i p i 公司的m t o s 和8 0 年代末i s i 公司的p s o s ，其产品主要用于军事和电信设备。进入2 0 世纪9 0 年代，现代操 作系统的设计思想，如微内核设计技术和模块化设计思想，开始渗入r t o s 领域。 老牌的r t o s 厂家如r e a d ys y s t e m ( 在1 9 9 5 年与m i c r o t e cr e s e a r c h 合并) ，也 推出新一代的v r t x s a 实时内核，新一代的r t o s 厂家w i n 埘v e t 推出了v x w o r k 。 另外在这个时期，各家公司都有力求摆脱完全依赖第三方工具的制约，而通过 自己收购、授权或使用免费工具链的方式，组成一套完整的开发环境。例如，i s i 公司的p d s m t 、著名的t o m a d o ( w i n d r i v e r ) 和老牌的s p e c 仃a ( v r t x 开发系统) 等。 进入2 0 世纪9 0 年代中期，互联网之风在北美日渐风行。网络设备制造商、终 端产品制造商都要求r t o s 有网络和图形界面的功能。为了方便使用大量现存的 软件代码，他们希望r t o s 厂家都支持标准的a p i ，如p o s i x ，w i n 3 2 等，并 希望r t o s 的开发环境与他们已经熟悉的u n i x ，w i n d o w s 一致。这个时期代表 性的产品有v x w o r k ，q n x ，l y n x 和w i n c e 等。当前已进入我国市场的有 w i n d r i v e r 、m i c r o s o f t 、q n x 和n u c l e a r 等产品。我国自主开发的嵌入式系统软 件产品如科银京成( c o r e t e k ) 公司的嵌入式软件开发平台d e l t a s y s t e m ，中科院推 出的h o p e n 嵌入式操作系统等。 实时嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两种：商用型和免费型。 商用型的实时操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往 往价格昂贵。如v x w o r k s ，w i n d o w se m b e d d e d ，p s o s ，p a l m o s 等。免费型的实 时操作系统在价格方面具有优势，主要有l i n u x 和u c o s i i 。目前实时嵌入式操 作系统一般都具有可移植、可固化、可裁剪、多任务的特点。 1 3 开发运动控制卡的若干关键技术 开发适用并联机构的运动控制卡主要包括以下关键技术： 口设计可靠、高效率的电机控制单元 电机控制单元是运动控制卡实现控制目标的最终执行部分。对保证并联机 构的位置精度和运动速度起着关键性的作用，因此如何实现电机控制单元是开 第一章绪论 发运动控制卡中极为重要的一项研究内容。 口应用适用于系统数据传送要求的p c 通讯接口 “p c + 运动控制卡”结构中以p c 作为基本平台负责整个系统管理以及运动 学计算、轨迹规划，以运动控制卡完成精插补和伺服控制，两者之间通过p c 总 线连接。这就要求系统的通讯能力能够满足控制信息传输要求。目前可供选择 的通讯方式主要有串行通讯、i s a 、p c i 和p c i 0 4 等，其通讯能力和难易程度有 很大差距，因此如何设计系统的通讯要求和选择相应通讯接口是控制卡开发中 一项重要的研究内容。 口设计适用于系统设计要求的控制系统结构 目前并联机床轨迹控制均采用粗精两级插补的策略，由于受硬件提供的插 补采样频率制约，该方法只适于中、低速场合，无法满足高速高精度加工的需 要。为此，结合并联机床的运动控制特点，采用多d s p 结构，设计适用于高速 高精度的控制系统拓扑结构是运动控制卡开发中的核心研究内容。 口设计可靠、高效率、易维护的开放式数控系统软件接口 开放式数控系统软件包括人机接口、系统管理、轨迹控制、伺服控制等， 因而其软件设计也是最为复杂的一项工作，如何为设计的运动控制卡开发一套 可靠、高效的系统接n 软4 牛- 也是运动控制卡开发中的一项重要的研究内容。 1 4 本文主要研究的目的及主要内容 本文的研究工作是天津市自然科学基金项目中的一个重要研究内容。在充 分分析当前运动控制卡的现状的基础上，着重研究适用于高速、高精度控制、 满足复杂运算处理条件的高性价比运动控制卡的开发方法。全文编排如下： 第一章阐述课题的研究背景和意义，综述国内外相关领域的研究概况和 存在的问题，并提出主要研究目标。 第二章研究分析了现有高端运动控制卡的系统结构，针对其在并联机构 应用中的不足之处，提出了运动控制卡的整体结构设计方案。在此基础上，对 设计方案中的各个模块进行了功能和结构的具体分析，并给出了各模块的设计 指标。 第三章在系统整体分析的基础上，根据控制要求、数据传送和算法处理 的需要设计了系统的整体逻辑和数字信号处理结构。完成了系统中心控制模块 电路设计。 电路设计。 第一章绪论 第四章在对当前通用p c 总线分析的基础上，通过对不同实现方案的比较 选择了通讯接口的实现方法，完成了控制卡通讯接口的硬件设计。 第五章通过对不同电机特点和电机控制模式的研究，以电机伺服驱动器 作为电机控制的最终执行目标，根据电机伺服驱动器的控制要求，完成了电机 控制模块的设计。 第六章汇总全文主要结论。 本文各章均以引言开始，简要介绍研究内容和目的：以结论结尾，简要归 纳该章所得结论。 第二章系统总体方案设计 2 1 引言 第二章系统总体方案设计 总体方案设计是开发运动控制卡的首要环节，涉及电机控制方式选择、控制 系统分析、通讯接口方式等方面。本章首先提出了运动控制卡的设计要求和设 计原则，整个系统采取模块化的设计方法，通过对典型商用运动控制卡的系统 结构进行分析，确定了高速、高精度、开放式运动控制卡的整体结构和系统各 模块的划分。然后以当前的主流d s p 芯片作为控制系统的核心，搭建了运动控制 卡的总体结构模型，并结合运动控制卡的实际需要，给出了各功能模块的设计 指标。 2 2 设计要求 2 2 1 设计原则 系统的开发应以需求为导向，注重实效。设计过程中，将遵循以下几个方面 的原则： ( 1 ) 模块化设计 数控系统的模块化建立在各功能要素的逻辑分析基础之上，实现了模块之 间的标准联结。模块化的构成要素能够满足系统分析设计的要求。 ( 2 ) 动态配置系统参数 为实现更灵活的配置和更友好的操作，控制系统能够完成系统的动态配置。 ( 3 ) 可扩展性 系统可以被安全、有效地完成二次开发，按照所需的控制策略和控制算法 搭建专用系统。可以通过预留插入用户专用软件接口或提供用户a p i 函数和 编程现范来实现。 第二章系统总体方案设计 2 2 2 设计目标 开放式运动控制卡的设计首先应能够满足以下几点要求： ( 1 ) 能够对直流、交流伺服电机进行控制，具有旋转编码器反馈信号通讯接 口，以构成满足先进控制策略的闭环系统，并支持对一般开关量和模拟量的过 程控制。 ( 2 ) 采用开放式模块化结构设计，采用d s p 与f p g a 相结合的，适于高速、 高精度控制系统特点的设计方案。在硬件的规划上强调实时性，要求具有高速 浮点计算功能、高速处理能力和高效通讯能力，并具有高集成度和高可靠性。 采用基于r t o s 的操作系统。 ( 3 ) 为用户提供开放的软件接口，提供完整的操作环境、开发环境，满足各 种运动控制系统在系统操作和系统开发上的需要l t ”】。 参照当前通用的高端运动控制卡的性能指标，本控制卡的技术指标设定为： 夺4 轴高精度联动控制 夺控制周期 = 2 0 m h z ，差动输入，内 部数字滤波。 夺1 6 位可编程数字输入输出接口，丁r l 电平。 夺3 2 位f 可指定) 数字输出接口，接口形式可选用光电隔离、继电器或t t l 真 接输出。 夺3 2 位( 可指定) 数字输入接口，接口形式可选用光电隔离或1 y r l 直接输入。 夺支持单主机多块控制板同时工作。 2 3 运动控制卡总体方案设计 如图2 1 所示，当前的运动控制卡大多采用i s a p c i 伊c 1 0 4 + 单片d s p + 输入 输出控制接口的方式。控制卡通过控制电机伺服驱动器实现对电机的控制。利 用高速的d s p 芯片实现系统控制处理和精插补算法，以循环的方式依次对各轴 电机进行处理，数控系统的状态和电机状态的采集和控制通过y o 接口完成。电 第二章系统总体方案设计 机反馈信号通过反馈接口处理送入系统，实现系统闭环。电机通常采用转速转 矩，位置控制方式。电机伺服驱动器提供电机的当前转速和转矩反馈( 模拟信号) 。 运动控制卡上的d s p 芯片一般具有较快的处理速度和运算能力，在笛卡尔坐标 系下能够完成较好的控制功能。但在并联机构应用中，由于需要处理复杂的非 线性运算，在高速条件下实现多轴控制4 轴以上时，控制器的运算处理速度不 能满足需要。同时也不可能提供实现电机的速度控制和复杂逻辑控制的条件。 图2 1 基于d s p 和f p g a 的典型运动控制卡总体结构图 为满足运动控制系统的高速高精度控制以及复杂控制算法应用的需要，在 本系统的设计中，将控制系统的逻辑分析事务处理和电机的实时控制功能分离， 采用多d s p 的方式，其原理如图2 2 所示。将控制电机的任务由d s p 搭建的电 机控制模块完成，另外通过高端的d s p 组成中心控制单元实现整体的逻辑控制 和整体系统控制。中心控制单元负责控制系统的通用任务，包括：与上位机通 讯，轨迹规划，曲线插补，各轴电机同步轨迹实现等。电机控制单元实现电机 的具体控制，实现电机的速度控制算法，实现以及控制系统的位置控制。电机 控制单元还包括了编码器等传感和测量装置的输入接口，能够满足先进控制策 略的闭环要求。整体系统满足开放式系统要求，系统保留在线编程接口。允许 在设计的每个环节对器件和系统的逻辑功能或程序进行动态修改，方便系统的 设计和复杂功能的实现。 第二章系统总体方案设计 。毛梳盘! i 剜兽蚕j 图2 - 2 运动控制卡总体方案结构图 2 4 硬件系统总体方案 由图2 - 2 可知，控制系统硬件结构设计可分为电机控制处理单元、中心控 制单元、通讯接口设计这三部分。其中电机控制处理单元完成电机的具体控制 策略，中心控制单元完成系统整体的逻辑控制、算法分析、以及整体系统的功 能控制，实现系统的逻辑控制和协同操作。通讯接口完成控制系统和工控计算 机之间的通讯连接。 2 4 1 通信接口设计方案 当前可选择的通讯接口方式有以下三种： ( 1 ) 串行接口( r s 2 3 2 4 2 2 “8 5 ) ：串行通讯接口实现简单，不需要额外的接口驱 第二章系统总体方案设计 动，对工控机要求不高。但是数据传输速度慢，波特率一般采用 4 ，8 0 0 11 5 ，2 0 0b i f f s ，在此条件下，就要求控制器的智能控制系统有较高的 控制能力和逻辑分析能力，能够在板上实现系统的基本控制功能，包括粗、 精插补等。p c 对控制卡的实时控制能力比较差。 ( 2 ) i s a 接口：工作频率8 m h z ，g - 3 2 b i t 总线，目前工程应用来看，基于i s a 总线的系统虽然带宽足够低速采集使用，但是由于主板生产商趋向于不再 支持l s a ，面临被u s b 接口产品取代的趋势。 ( 3 ) p c i 接口：p c i 总线相对于其它总线有以下几个优点： 夺p c i 总线得到了广泛的支持； 夺p c i 总线目前3 2 b i t ，3 3 m h z 时钟，理论带宽1 3 3 m b y t e s s ，可升级到6 4 b i t ， 6 6 m h z 时钟频率： 4 - p c 总线产品开发有丰富的硬件资源可供选择； 夺p c i 设备驱动开发在常见平台下有较好的软件包支持。 根据以上特点，p c i 接口具有比较好的数据传输速度和较高的兼容性，使用 p c i 总线可充分利用工控机的控制功能和系统资源，减轻控制卡的逻辑控制要 求。是一个比较好的选择。本控制卡的p c 通讯接口选用了p c i 接口，为简化设 计，采用当前比较成熟的p c i 接口芯片实现控制卡的设计。现有目前国内常用 p c i 接口芯片主要有m “c c 、p l x 、c y p r e s s 等公司的桥芯片。 2 4 2 电机控制单元设计方案 根据系统分析，为了实现4 轴控制功能，电机控制模块采用2 片d s p 芯片 实现电机的控制，每片d s p 控制2 轴电机，如图2 - 2 所示。 电机控制模块通过控制电动机伺服驱动器完成电机的控制。实现电动机 的速度闭环控制系统。测速元件采用旋转编码器。交、直流伺服电动机的伺 服驱动器是一个模拟电压控制系统。其外特性并没有付么差别f 1 2 1 6 , 2 9 , 2 4 】，输入 电压的范围根据产品的不同而不同，有一6 + 6 v 也有1 0 + 1 0 v 等等。在本系统 中选用输出1 0 - + 1 0 v 作为伺服电动机速度控制单元的控制信号。同时电动机 伺服速度控制单元提供转矩和转速反馈信号一1 0 + 10 v 。可通过a d 输入控制 卡中。旋转编码器的输出信号通过电机控制接口中的信号转换完成加减计数， 作为位置信号送入运动控制卡( 如图2 4 所示) 。电机反馈接口处理逻辑利用 了系统中f p g a 的部分资源实现。 第二章系统总体方案设计 根据以上分析，每组电机控制处理器的技术指标设定为： 夺2 路模拟输出用于电机转速控制 夺4 路模拟输入一用于电机转速转矩检测信号输入 夺4 路四倍频编码器脉冲输入一用于旋转编码器脉冲输入 夺3 2 路可编程数字i o 口一用于电机伺服驱动器状态控制 夺2 路外部中断信号 图2 4 电机控制模块总体结构示意图 2 4 3 中心控制单元设计方案 根据系统分析，为了实现运动控制卡的控制功能，主控单元模块中高档、 高主频、高处理能力的d s p 芯片实现系统的整体控制。主控单元通过p c i 接口 和p c 相连，接收系统的控制信号。处理转化为系统的控制指令序列。通过插补 算法处理和控制指令分析处理，转换为电机控制模块的控制指令序列和轨迹指 令序列。主控单元和电机控制模块之间的逻辑控制通过设定在f p g a 中的接口 控制逻辑完成。 主控单元模块的组成主要包括主控芯片的最小系统、主控单元与p c 间通讯 总线接口、数字i o 接口电路以及主控芯片与f p g a 间的接口，如图2 5 所示。 第二章系统总体方案设计 冈 i i o j l 接口i li 图2 5 中心控制单元模块总体结构示意图 在当前所用的运动控制卡中，从控制系统的处理方式来看，可分为以下几 种结构类型【5 0 ： 夺单c p u 结构、集中控制方式，当前的主要的通用运动控制器主要采用这种 结构。 夺 二级c p u 结构、主从式控制方式。一级c p u 为主机，负责系统管理、机器 人语言编译和人机接口功能，同时也利用它的运算能力完成坐标变换、轨 迹插补，并定时地把运算结果作为关节运动的增量送到公用内存，供二级 c p u 读取，二级c p u 完成全部关节位置数字控制。这类系统的两个c p u 总线之间基本没有联系，仅通过公用内存交换数据，是一个松耦合的关系。 夺多c p u 结构、分布式控制方式。目前，普遍采用上、下位机二级分布式结 构，上位机负责整个系统管理以及运动学计算、轨迹规划等。主要由工控 机来完成。下位机由多c p u 组成，每个c p u 控制一、二个轴运动，这些 c p u 和主控机联系是通过总线形式的紧耦合。这种结构的控制器工作速度 和控制性能明显提高，目前世界上大多数商品化机器人控制器都是这种结 构。 由于控制算法的复杂性以及控制性能的要求，如图2 - 2 所示，本控制系统采 用上、下位机二级分布式结构，下级控制系统采用二级c p u 主从式控制方式。 以减轻上位机的计算负担和对于数据通讯的压力。系统的整体拓扑结构的逻辑 处理和数据通讯、缓冲通过c p l d f p g a 完成。 第二章系统总体方案设计 2 5 软件系统总体方案 运动控制卡的软体整体结构要符合开放性要求，以便用户有能力深入地参 与到控制系统内部，进行控制方法设计、选择和比较，来达到最佳效果。这就 要求在开始软件整体规划时，就要考虑软件整体的伸缩性和扩展性。伸缩性体 现在控制系统必须能够根据用户的实际需要，增加和减少某些功能或部件，并 向用户提供系统信息。扩展性体现在用户可以自行开发和扩展控制系统的功能。 控制系统结构的开放性还体现在从上到下的不同层次：上层p c 首先要向用 户提供一个友好方便的人机交换界面。该界面可以不加修改或稍加修改便可与 其它系统如c i m s 、c a d c a m 等集成，向其它系统提供加工过程的数据。在 控制系统的下层，运动控制卡将接收上位p c 机传来的数据，实现具体的运动控 制等功能。在这一层上，系统应提供用户接口，设计和选择不同的控制算法。 这两层还可细分为小的层次，在层和层之间建立比较完善的接口，便于物理上 和功能上的扩展。 根据以上分析，软件系统可划分为以下5 方面的程序模块( 按照软件的控 制层次顺序) ，系统具体结构如图2 - 6 所示： 夺系统软件控制接口程序：实现控制系统的功能和具体的轨迹运算，插补算 法分析等。 夺p c i 接口函数库：实现w i n d o w s 系统和控制系统的信息通讯。底层接口 函数库由p c i 接口控制软件w 1 n d r i v e r 自动生成。通过调用底层接口库 函数设计适用于控制系统和控制算法的接口函数。 夺主控c p u 程序设计：基于a g e n t 概念，设计控制系统的中心控制策略。实 现轨迹插补算法和控制策略的分析实现。通过控制系统i o 接口状态，实 现整体系统逻辑控制。 夺c p l d 逻辑接口程序设计：基于q u a r t u s i i 软件和v h d l 编程语言设计 整个系统的拓扑结构，和逻辑算法处理。 夺电机控制程序设计：电机控制程序设计，底层电机控制算法分析。 2 6 板卡的抗干扰设计 为保证控制系统能适于强干扰的工作环境，还应在板卡设计过程中采用有效 第二章系统总体方案设计 的光电隔离技术和抗干扰技术，从而全面提高系统的可靠性。主要手段包括： ( 1 ) 利用光电耦合进行通道隔离 采用光电耦合器可以将切断运动控制卡与前向、后向以及其它控制部分之 间的电路联系，能有效地j 坊止于扰从过程通道进入运动控制卡或p c 机。 ( 2 ) 脉冲、方向信号采用差分输出方式 板上的脉冲和方向信号经2 6 l s 3 2 芯片处理，形成差分信号，具有较强的抗 干扰能力。 ( 3 ) 印刷电路板及电路