基于DSP的运动控制技术综述.doc

：报告题目：基于DSP的运动控制技术综述学号：200816022129专业方向：电子信息科学与技术姓名：刘潇阳日期：2011年6月13日摘要运动控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展。电动机控制策略的穆尼实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器、FPGA/CPLD、通用计算机、DSP控制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展，应用先进算法，开发全数字化的智能控制系统将成为新一代运动控制设计的发展方向。开放式控制器体系结构源于“开放式”的PC(个人计算机) 技术, 目前的开放式运动控制器多为PC+运动控制卡结构, 随着DSPDSP dsp是digital signal processor的简称，即数字信号处理器。它是用来完成实时信号处理的硬件平台，能够接受模拟信号将其转换成二进制的数字信号，并能进行一定形式的编辑，还具有可编程性。由于强大的数据处理能力和快捷的运行速度，dsp在信息科学领域发挥着越来越大的作用。 全文(数字信号处理器)性能的增强, DSP取代PC的趋势日趋明显, 而这种嵌入式的紧凑结构较PC有更广泛的环境适应性。DSP和PC差异较大, PC环境中的运动控制技术不可能直接向DSP系统中转移, DSP硬件平台的运动控制技术的研究十分必要。在开放式控制器技术的推动下, 运动控制系统由传统的封闭式结构朝着开放、可重构、网络化方向发展。按照开放式数控系统第1 部分: 总则(GB/T18759.1- 2002) 的定义, 开放式数控系统有三个层次的开放, 第一层, 系统功能可配置, 人机界面、伺服驱动单元的运动控制接口、逻辑控制单元接口均开放; 第二层, 系统软件体系结构、拓扑结构和应用软件接口开放, 第三方的应用软件能在系统中安装运行并实现互操作性, 且第三方的软件模块可以在拓扑结构不变的情况下对本系统软件模块置换和扩展; 第三层 系统实现可重构。国标（GB/T 18759.1- 2002） 尚未公布可重构的详细内容。运动控制系统是数控系统的一个核心组件, 其技术发展方向和开放式数控系统类似。现代运动控制器联通信息网、逻辑控制网和伺服控制网(接口) 三种网络关键词：DSP； 运动控制；ABSTRACTThe development of motor control technique root in the development of microelectronics, power electronic, sensor, permanent magnetic material, automatic control and microcomputoe application technology. Simulating realization of motor control strategy is gradually dropping out of historical stage. Adopted modern means such as microprocessors, FPGA/CPLD, generalpurpose computer and DSP control, digital control system is rapidly developed. Applied advanced algorithm, total digitalization intelligent control system will become heading of new generation of motion control system design.Open controller system comes from open-ended PC (personal computer) technique , presently open motion controllers are most made up of personnal computer and motion controller card. With the better performance of DSP (digital signal processor) ,the trend that DSP replaces PC becomes more and more apprent, and this embedded compact form has wider environmental adaptation . DSP is different from PC, the motion control technology in PC could not transfer to DSP system directly, and the study of motion control technology in DSP hardware platform is very necessary. Driven by open control technique,motion control system develop from traditional closed architecture towards the derection of open 、reconfigurable and network. According to the definition of Open-CNC System part 1:general principles(GB/T18759.1- 2002) , open-CNC system has three levels of open:the first, system function can be configured, man-machine interface、servo motion control interface unit、logic control unit interface can open; The secend, system software architecture、topology and application interface open,third party applications can be installed in the system running and to achieve interoperability, and third-party software modules can replace and expand the system software module without changing the topology ; The third,Reconfigurable system implementation.National Standard（GB/T 18759.1- 2002）not yet published the details of reconfigurable.NC motion control system is a core component of the system,its technology direction is similar to open CNC system. Modern motion controller links together information network 、Logic Control Network and Servo-control network (interface) these three network.Key words: DSP; Motion control一、 运动控制技术在军事自动化（MA）、工厂自动化（FA）、办公自动化（OA）和家庭自动化（HA）中，存在很多对运动机构进行精确控制的任务，作为自动控制的重要分支，运动控制技术在这里大显身手，其应用领域极其广泛，正是由于运动系统分能够实现对运动轨迹、运动速度、定位精确以及重复定位精度的精确控制要求，在各类控制工程中有着广泛应用前景，因此运动控制系统目前已成为控制科学应用领域中一个主要研究方向。在运动控制系统中，按机械运动的轨迹分类，可分为点位、直线、轮廓控制等。点位控制又称为点到点控制，是一种从某一位置向另一位置移动时，不管中间的移动轨迹如何，只要最后能正确到达目标位置的控制方式。这类控制在移动过程中，对两点间的运动轨迹没有严格要求，可以先沿一个坐标移动完毕，在沿另一个坐标移动，也可以沿多个坐标同时移动。直线控制又称为平行控制，这类运动除了控制点到点的准确位置外，还要保证两点之间移动的轨迹是一天直线，而且对移动的速度也要进行控制。轮廓控制又称为连续轨迹控制，这类运动能够对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制，因而可以进行曲线或曲面的运动。现代数控机床及机器人绝大多数具有两个坐标或两个坐标以上联动的功能，如6轴控制的机械手，其运动可以给定在空间的任意方向。在运动控制系统中，按执行部件的类型分类，可分为开环、闭环和半闭环伺服系统。采用步进电机驱动的开环系统，没有位置反馈和校正控制，其位移精度取决于步进电机的步距角及传动机构的精度等。而闭环和半闭环伺服系统多了位移测量和位置比较环节，这样可达到比开环系统更高的精度和运行速度。目前。运动控制系统或电动机控制系统的实现方法主要有以下几种；（1） 模拟控制系统早期的运动控制系统一般采用运算放大器等分立元件以硬件连线方式构成，这种系统由于采用硬件接线方式可实现无线的采样频率，因此控制器的精度较高且具有较大的宽带。然而与数字系统相比，存在以下几个缺陷：（a）老化和环境温度的变化对构成系统的元器件的参数影响很大。（b）构成模拟系统需要的元器件较多，从而增加的系统的复杂性，也使最终系统的可靠性降低。（c）出于系统设计采用硬接线，当系统设计完成以后，升级/功能修改几乎是不可能的。模拟控制系统的上述缺陷使它很难用于一些功能要求比较高的场合。（2） 以微控制器为核心的运动控制系统首先需要说明的是：这里的微处理器事实上是指8位或16位的单片机。利用微处理器取代模拟电路作为电动机的控制器，所构成的系统电路比较简单。采用微处理器以后，绝大部分控制逻辑可采用软件实现，可实现较复杂的控制算法。然而，由于微处理器一般采用冯诺依曼总线结构处理的速度有限，处理能力也有限；另外，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，如PWM产生电路等。因此，基于微处理器构成的电动机控制系统仍然需要较多的元器件，这增加的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，如预测控制，模糊控制等。（3） 在通用计算机上涌软件实现的运动控制系统在通用计算机上，利用高级语言编制相关的控制软件，配合驱动控制板、与计算机进行信号交换的接口板，就可以构成一个运动控制系统，这种实现方法利用计算机的高速度、强大运算能力和方便的编程环境，可实现高性能、高精度、复杂的控制算法；同时，控制软件的修改也很方便。然而，这种实现方式的一个缺点在于系统体积过大，难以应用于工业现场；而且，由于通用计算机本身的限制，难以实现实时性要求较高的信号处理算法。一般来说这种系统实现方法可用于控制软件的仿真研究或者用作上位机，与下层的实时系统一起构成两级或多级运动控制系统。（4） 利用专用芯片实现的运动控制系统为了简化电动机模拟控制系统的电路，同时保持系统的快速响应能力，一些公司推出了专用的电动机控制芯片，如Ti公司的UCC3626,NOVA公司的MCX314等。利用专用电机控制芯片构成的运动控制系统保持了模拟控制系统和以微处理器为核心的运动控制系统两种实现方式的长处，具有响应速度快、系统集成度高、使用元器少、可靠性好等优点，是目前应用最广的一种运动控制系统实现方法。 然而，受专用控制芯片本身的限制，这种系统的缺点也是很明显的，主要包括：（a）由于已经将软件算法固化在芯片内部，虽然可保证较高的系统响应速度，但是降低了系统的灵活性，不具有扩展能力。（b）受芯片制造工艺的限制，在现有的电动机专用控制芯片中所实现的算法一般都是比较简单的。（c）由于用户不能对专用芯片进行编程，因此，很难实现系统的升级。（5） 可以编程逻辑器件为核心构成的运动控制系统这种控制系统是将运动控制算法下载到相应的可编程逻辑器件中，以硬件的方式实现最终的运动控制系统。系统的主要功能都可以在单片FPGA/CPLD器件中实现，减少了所需的元器件个数，缩小了系统体积。由于系统以硬件实现，响应速度快，可实现并行处理。而且开发工具齐全，容易掌握，通用性强。尽管可编程逻辑器件可实现任意复杂的控制算法，但算法越复杂，可编程逻辑器件内部需要的晶体管门数就越多。按照目前的芯片制造工艺，可编程逻辑器件的门数越多，价格就越昂贵。因此，考虑到目标系统的成本，一般使用可编程逻辑器件实现较简单的控制算法，构成较简单的运动控制系统。（6） 以DSP控制器为核心构成的运动控制系统DPS芯片既集成了极强的数字信号处理能力又集成了电机控制系统所必须的输入、输出、A/D变换、事件捕捉等外围设备的能力，时钟频率达到20MHz以上，一个指令周期才50ns，而且一个周期可以同时执行几条指令。指令大多设计为单周期多功能，如MSC一个周期就完成乘加运算。DSP强大的运算功能，使其在控制中得到了越来越广泛的应用。许多公司研制了以DSP为微处理器的伺服控制卡，这些卡一般以IBM PC或兼容机为硬件平台，以DOS或WINDOWS为软件平台，采用开放式手段，使用很方便。DSP运动控制卡从其产生就有着不可替代的优势。在上位机中可以专注于人机界面、输入输出、预处理、发送指令、故障诊断等功能；插补、补偿处理、速度控制、位置控制则由插在PC总线上的运动控制卡上的DSP来实现，而无需占用PC机的资源。基于DSP控制器构成的电动机控制系统事实上是一个单片机系统，因为整个电动机控制所需的各种功能都可由DSP控制器来实现。因此可大幅度缩小目标系统的体积，减少外部元器件的个数，增加系统的可靠性。另外，由于各种功能都通过软件编程来实现，因此目标系统升级容易、扩展性、维护性都很好。同时，DSP控制器的高性能使最终系统既可以满足那些要求较低的系统，更可以满足那些对系统性能和精度要求较高的场合的需要。通过上面各种方面的对比，可以得到以下结论：基于DSP控制器构成运动控制系统可以满足任何场合需要，是运动控制技术的一个重要发展方向。二、DSP的特点为适应快速数字信号处理运算的要求，DSP芯片普遍采用了特殊的硬件和软件结构，以提高数字信号处理的运算速度，并且多数DSP运算操作可以在一个指令周期内完成。DSP芯片的结构特征主要是指：（1） 哈佛（Harverd）结构及改进的哈佛结构哈佛结构不同于冯诺依曼（Von Neuman）结构的并行体系结构，其主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线两条总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。而冯诺曼结构则是将指令、数据、地址存储在同一存储器中，统一编址，依靠指令计数器提供的地址来区分是指令、数据还是地址。取指令和取数据都访问同一存储器，数据吞吐率低。在哈佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分开的空间中，因此取指和执行能完全重叠运行。为了进一步提高运行速度和灵活性，TMS320系列DSP芯片在基本哈佛结构的基础上作了改进，一是允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性；二是指令存储在高速缓冲器（Cache）中，当执行此指令时，不需要再从存储器中读取指令，节约了一个指令周期的时间。（2）专用的硬件乘法器在通用微处理器中，乘法是由软件实现的，实际上是由时钟控制的一连串移位运算。而在数字信号处理中，乘法和加法是最重要的运算，提高乘法运算的速度就是提高DSP的性能。在DSP芯片中，有专门的硬件乘法器（DM642有两个乘法器，其他只有一个），使得一次或者两次乘法运算可以在一个单指令周期中完成。大大提高了运算速度。（3）指令系统的流水线结构在流水线操作中，一个任务被分成若干子任务，这样，他们在执行时可以相重叠，与哈佛结构相关，DSP芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，从而增强了处理器的处理能力，把指令周期减小到最小值，同时也就增加了信号处理器的吞吐量。第一代TMS320处理器采用二级流水线，第二代采用三级流水线，而第三代则采用四级流水线。也就是说，处理器可以并行处理26条指令，每条指令处于流水线上的不同阶段。在三级流水线操作中，取指、译码和执行操作可以独立地处理，这可使指令执行能完全重叠。在每个指令周期内，三个不同的指令处于激活状态，每个指令处于不同的阶段。（4） 片内外两级存储结构在片内外两级存储器结构中，片内存储器虽然不可能具有很大的容量，但速度快，可以多个存储器块并行访问。片外存储器容量大，但速度慢，结合他们各自优势，实际应用中，一般将正在运行的指令和数据放在内存储器中，暂时不用的数据和程序放在外部存储器中。片内存储器的访问速度接近寄存器访问速度，因此DSP指令中，采用存储器访问指令取代寄存器访问指令，而且可以采用双操作数和三操作数来完成多个存储器同时访问，使指令系统更加优化。（5）特殊的DSP指令DSP的另一个特征就是采用特殊的DSP指令，不同系列的DSP都具备一些特殊的DSP操作指令，以充分发挥DSP算法和各系列特殊设计的功能。（6）快速指令周期哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成电路的优化设计，可使DSP芯片的指令周期在200ns 以下。TMS320系列处理器的指令周期已经从第一代的200ns降低至现在的2ns 以下。快速的指令周期使得DSP芯片能够实时实现许多DSP应用。三、 国内外DSP运动控制技术的发展水平（1） 当前国外DSP运动控制技术的发展水平美国Delta tau Data System公司推出的PMAC系列伺服控制卡比较有代表性。PMACPC以Motorola公司的DSP56001为微处理器，主频20/30MHz，4060us/轴的伺服更新率，36位位置范围，16位DAC输出分辨率，可以完成直线或圆弧插补，S曲线加速和减速，三次轨迹计算、样条计算。利用DSP强大的运算功能实现18轴多轴实时伺服控制。实际上，PMACPC卡本身就是一个完整的计算机系统。依靠集成在卡上的ROM中的程序，它能独立完成实时、多任务控制，而无需主机介入。PMACPC控制卡配有较强的命令、函数库，用户可用制造商提供的编程语言调用这些命令和函数，编程较为方便。另外制造商海提供开发工具PCOMM、PTALK、PMACNC软件库等，用户可用高级语言C、C+、VB、DELPHI等开发自己所需的函数。从市场需求来看，以美国Delta tau Data System公司的PMAC（8轴）系列卡位例，在全球的销售超过45000套，被用于数控机床、医疗器械、工业机器人等需要高精度位置控制领域。著名的哈勃望远镜镜面就是用PMAC系列轴卡系统来控制研磨的。我国上海磁悬浮列车高架钢梁的设计，需要使用6轴控制卡进行加工。虽然国外的同类产品在性能方面具有许多优势，但它们也存在一些不足： （a）价格非常昂贵，以Galil运动控制主板为例，一个8轴的Galil运动控制主板为4000美元，再加上其他一些辅助设施将达到5000美元左右。（b）对一般数控系统经常要求的限位功能没有过多考虑，主要原因是作为通过多轴控制器是面向一般用户的。无论机器人还是数控，一般运动是有一定限度范围的。（c）寻零功能有的还不完善。（2）目前国内DSP运动控制技术发展水平国内目前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单件或单一产品的生产程度，其相应配套的底层软件功能还不够完善，一定程度上海处于封闭阶段，缺乏柔性。用户在使用时无法根据自己的需求进行灵活地重组或进行二次开发，必须重复性的进行许多硬件接口程序开发及各种运动功能的实现等繁杂的工作，而不是把更多的工作重心放在自己所需的功能环境中，使用技术困难比较大。一些高校如清华大学、华中理工大学、哈尔冰工业大学等做过这方面的研究工作，不过基本上为一、两