DSP芯片在運(yùn)動(dòng)控制方面的應(yīng)用有哪些？

運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)，其技術(shù)水平的高低將直接影響一個(gè)國(guó)家裝備制造業(yè)的發(fā)展水平。目前，多軸伺服控制器越來(lái)越多地運(yùn)用在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，具有較高的集成度和靈活性，可實(shí)時(shí)完成運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程中復(fù)雜的邏輯處理和控制算法，能實(shí)現(xiàn)多軸高速高精度的伺服控制。

實(shí)時(shí)實(shí)施復(fù)雜控制算法的關(guān)鍵這些運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)成為功能強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的出現(xiàn)。即使在要求較低但成本敏感的應(yīng)用中，例如家用冰箱壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)器，也可以利用DSP的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器控制算法，可降低系統(tǒng)成本并提高驅(qū)動(dòng)器的整體穩(wěn)健性。在高性能伺服驅(qū)動(dòng)器中，DSP的強(qiáng)大計(jì)算能力允許通過(guò)矢量控制，紋波轉(zhuǎn)矩降低，預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)以及對(duì)非理想系統(tǒng)行為的補(bǔ)償進(jìn)行更精確的控制。

運(yùn)動(dòng)控制器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部件。國(guó)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制器大致可以分為3類(lèi)：

第1類(lèi)是以單片機(jī)等微處理器作為控制核心的運(yùn)動(dòng)控制器。這類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器速度較慢、精度不高、成本相對(duì)較低，只能在一些低速運(yùn)行和對(duì)軌跡要求不高的輪廓運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合應(yīng)用。

第2類(lèi)是以專(zhuān)用芯片(ASIC)作為核心處理器的運(yùn)動(dòng)控制器，這類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，大多只能輸出脈沖信號(hào)，工作于開(kāi)環(huán)控制方式。由于這類(lèi)控制器不能提供連續(xù)插補(bǔ)功能，也沒(méi)有前饋功能，特別是對(duì)于大量的小線段連續(xù)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合不能使用這類(lèi)控制器。

第3類(lèi)是基于PC總線的以DSP或FPGA作為核心處理器的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器。這類(lèi)開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器以DSP芯片作為運(yùn)動(dòng)控制器的核心處理器，以PC機(jī)作為信息處理平臺(tái)，運(yùn)動(dòng)控制器以插件形式嵌入PC機(jī)，即“PC+運(yùn)動(dòng)控制器”的模式。這樣的運(yùn)動(dòng)控制器具有信息處理能力強(qiáng)，開(kāi)放程度高，運(yùn)動(dòng)軌跡控制準(zhǔn)確，通用性好的特點(diǎn)。但是這種方式存在以下缺點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)控制卡需要插入計(jì)算機(jī)主板的PCI或者ISA插槽，因此每個(gè)具體應(yīng)用都必須配置一臺(tái)PC機(jī)作為上位機(jī)。這無(wú)疑對(duì)設(shè)備的體積、成本和運(yùn)行環(huán)境都有一定的限制，難以獨(dú)立運(yùn)行和小型化。

DSP 在電機(jī)控制方面的應(yīng)用是一個(gè)新領(lǐng)域。DSP 是應(yīng)用高性能的處理器提高對(duì)電機(jī)控制精度的一種芯片。高速的DSP 主要用在電機(jī)無(wú)傳感器控制和磁場(chǎng)定向控制中,因?yàn)樵跓o(wú)傳感器控制中需要用已知的電流和電壓實(shí)時(shí)計(jì)算速度和位置,而在電機(jī)磁場(chǎng)定向控制中,需要把所有的變量以矢量形式轉(zhuǎn)化到與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步的坐標(biāo)系中,這些都需要進(jìn)行大量的運(yùn)算,高速的DSP可以實(shí)時(shí)完成這些工作。在價(jià)格上DSP已經(jīng)從最初期的幾百美元降到了幾美元。16位的DSP的性能也從5Mips(百萬(wàn)次每秒)提高到了2000Mips。包括大容量片內(nèi)存儲(chǔ)器,還在片上集成多種外圍設(shè)備。

DSP的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理功能強(qiáng)大,即使在很復(fù)雜的控制中,采樣周期也可以取得很小,控制效果更接近于連續(xù)系統(tǒng)。把DSP與PC的各自?xún)?yōu)勢(shì)結(jié)合將是高性能數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。本運(yùn)動(dòng)控制器采用TI公司的高性能浮點(diǎn)DSP作為主控芯片,通過(guò)ISA接口與PC協(xié)調(diào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,以PC計(jì)算機(jī)作為基本平臺(tái),以DSP高速運(yùn)動(dòng)控制卡作細(xì)插補(bǔ)、伺服控制的核心,對(duì)直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制,取得了良好的實(shí)際應(yīng)用效果。

在開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用基于DSP+FPGA的運(yùn)動(dòng)控制卡,DSP承擔(dān)了CNC系統(tǒng)中實(shí)時(shí)性要求較高的模塊功能。利用DSP高速運(yùn)算能力和實(shí)時(shí)信號(hào)處理能力,采用先進(jìn)的Bspline插補(bǔ)算法,使該DSP運(yùn)動(dòng)控制卡具有高速、高精度的性能,結(jié)合FPGA芯片的先進(jìn)技術(shù),使該運(yùn)動(dòng)控制卡的集成性、可靠性大大提高。本運(yùn)動(dòng)控制卡目前是基于ISA總線設(shè)計(jì)的,今后將考慮把該系統(tǒng)移植到PCI總線上,將能進(jìn)一步提高系統(tǒng)的處理速度能力,適應(yīng)更高要求。