基于DSP的伺服運(yùn)動(dòng)控制器研究

1 引 言

    運(yùn)動(dòng)控制器是數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等一類(lèi)機(jī)電一體化設(shè)備中常用的核心運(yùn)動(dòng)控制部件?，F(xiàn)代數(shù)控技術(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)放性、實(shí)時(shí)性、加工速度和精確度等性能指標(biāo)提出了越來(lái)越高的要求。隨著集成電路技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制器已經(jīng)從以單片機(jī)、微處理器和專(zhuān)用芯片作為核心的運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)展到基于PC機(jī)平臺(tái)的以數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）作為核心處理器的協(xié)處理架構(gòu)的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器。這種將P C機(jī)的信息處理能力和開(kāi)放式的特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)控制器很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡控制能力有機(jī)地結(jié)合在一起，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)確和通用性好的特點(diǎn)。這種模式在一個(gè)統(tǒng)一的人機(jī)對(duì)話平臺(tái)上，通過(guò)DSP算法和CPLD配置進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的硬件功能模塊，可以方便地和多種類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行連接。因此現(xiàn)在基于PC的新一代運(yùn)動(dòng)控制器成為控制系統(tǒng)的主流和發(fā)展方向。

    本文開(kāi)發(fā)的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器以PC機(jī)為平臺(tái)，完成坐標(biāo)變換、軌跡規(guī)劃、粗插補(bǔ)運(yùn)算等控制指令的設(shè)置和發(fā)送，同時(shí)可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)位置、速度和電機(jī)狀態(tài)等參數(shù)。運(yùn)動(dòng)控制器以DSP芯片作為核心處理器，完成數(shù)據(jù)處理和控制算法、進(jìn)行保護(hù)中斷的處理，通過(guò)PCI或USB總線與PC機(jī)實(shí)時(shí)通訊。CPLD芯片作為協(xié)處理器完成編碼信號(hào)的采集，鑒相處理，對(duì)脈沖和模擬量進(jìn)行配置和輸出，把DSP處理過(guò)的控制數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)內(nèi)部轉(zhuǎn)換送到外部設(shè)備，并管理DSP和各種外部設(shè)備的接口。該運(yùn)動(dòng)控制器可以完成非勻速比同步運(yùn)動(dòng)控制，支持NURBS插補(bǔ)，并提供了豐富的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)。

2 運(yùn)動(dòng)控制器工作原理和硬件構(gòu)成

    該控制器可實(shí)現(xiàn)四路編碼器反饋和電機(jī)控制，其核心是TI公司的TMS320LF2407數(shù)字信號(hào)處理芯片和ALTERA 公司的MAX 7000S系列CPLD器件EPM7128SLC84。控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。DSP完成與上位機(jī)的實(shí)時(shí)通訊，對(duì)伺服電機(jī)速度和位置的精確控制，電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和外部信號(hào)檢測(cè)等功能。雙口SRAM（DUAL-PORT STATIC RAM）不僅提供控制器與上位機(jī)的通訊接口，而且還為運(yùn)動(dòng)軌跡控制提供了足夠的緩沖區(qū)。由于一片DSP只提供兩組正交編碼脈沖（QEP）電路，對(duì)于多于兩個(gè)電機(jī)的控制器，若用多片DSP不僅會(huì)造成DSP資源的浪費(fèi)，而且還會(huì)增加由于協(xié)調(diào)DSP之間的工作而產(chǎn)生的難度，因此這里我們用CPLD來(lái)提供另外兩組正交編碼脈沖電路，對(duì)速度、位置進(jìn)行采樣，同時(shí)用CPLD提供高速穩(wěn)定的其它邏輯控制電路。

圖1 運(yùn)動(dòng)控制器的硬件結(jié)構(gòu)

    運(yùn)動(dòng)控制器由基板和接口卡組成，集成了DSP核心電路，通信電路，CPLD譯碼、中斷、正交編碼處理電路，編碼器信號(hào)處理電路，電壓轉(zhuǎn)換電路，光電隔離電路等。運(yùn)行過(guò)程中，PC機(jī)把粗插補(bǔ)的數(shù)據(jù)通過(guò)ISP-1581芯片傳遞給DSP進(jìn)行時(shí)間分割精插補(bǔ)。在每一個(gè)伺服周期中，CPLD器件和DSP各處理兩路反饋的正交編碼信號(hào)進(jìn)而獲取實(shí)時(shí)位置和速度，DSP計(jì)算出理論插補(bǔ)位置與實(shí)際位置的偏差，基于速度和加速度前饋進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，計(jì)算獲得速度控制量，產(chǎn)生的輸出信號(hào)經(jīng)DAC7625進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換及放大電路放大后將模擬電壓發(fā)送至伺服驅(qū)動(dòng)器以控制電機(jī)。

    DSP兩個(gè)事件管理模塊中的正交編碼脈沖（QEP）電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩對(duì)正交編碼信號(hào)的四倍頻和方向檢測(cè)，其定時(shí)器工作在增減計(jì)數(shù)模式，依據(jù)電機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行計(jì)數(shù)。根據(jù)不同伺服周期定時(shí)器內(nèi)數(shù)值的變化，可以計(jì)算獲得電機(jī)的實(shí)際位置，由M／T測(cè)速法可求得其運(yùn)行速度。另外兩個(gè)電機(jī)的反饋信號(hào)由EPM7128進(jìn)行處理，DSP與之通訊以獲取電機(jī)運(yùn)行信息。擴(kuò)展4個(gè)32位寄存器用來(lái)存儲(chǔ)電機(jī)當(dāng)前位置，通過(guò)實(shí)時(shí)從計(jì)數(shù)器讀取每個(gè)伺服周期走過(guò)的脈沖數(shù)與之累加實(shí)現(xiàn)。每隔一定的伺服周期，將4個(gè)16位的計(jì)數(shù)器賦初值32000使之重新計(jì)數(shù)。

    2.1 CPLD處理電路

    CPLD主要包括正交編碼檢測(cè)邏輯電路，DSP地址譯碼電路和計(jì)數(shù)器及中斷邏輯四個(gè)部分，它對(duì)兩個(gè)正交編碼輸入四倍頻后進(jìn)行計(jì)數(shù)，反饋給DSP。正交編碼脈沖電路的方向檢測(cè)邏輯決定了輸入序列中的哪一個(gè)是先導(dǎo)序列，接著就產(chǎn)生方向信號(hào)作為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向輸入。如果QEP1是先導(dǎo)序列，則所選的定時(shí)器增計(jì)數(shù)；如果QEP2是先導(dǎo)序列，則所選的計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)。正交編碼脈沖電路對(duì)輸入的兩列脈沖的兩個(gè)邊沿都進(jìn)行計(jì)數(shù)，因此，由它所產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率是每個(gè)輸入脈沖序列頻率的四倍。中斷邏輯，限位和報(bào)警等信號(hào)產(chǎn)生時(shí)向DSP申請(qǐng)中斷。每個(gè)軸的正負(fù)限位信號(hào)、歸零信號(hào)和報(bào)警信號(hào)，四個(gè)軸共計(jì)16個(gè)信號(hào)，這些信號(hào)相或，只要有一個(gè)信號(hào)產(chǎn)生時(shí)就產(chǎn)生一個(gè)上升沿信號(hào)，此上升沿觸發(fā)DSP中斷，DSP以查詢(xún)方式判斷是哪個(gè)信號(hào)產(chǎn)生的中斷。[!--empirenews.page--]

    2.2 控制卡通訊及接口

    早期PC機(jī)通過(guò)ISA總線實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，但響應(yīng)速度慢，實(shí)時(shí)性差，后來(lái)的PCI局部總線，解決了ISA的傳輸速度慢等問(wèn)題。近幾年通用串行總線USB（Universal Serial Bus）以其較快的傳輸速率和支持熱插拔等諸多優(yōu)點(diǎn)而受到用戶(hù)的廣泛受青睞。得到了許多硬件和軟件廠商的支持。USB 2.0接口的最高傳輸速率由12Mb／s提高到了480Mb／s，能夠更好地支持?jǐn)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。把USB引入運(yùn)動(dòng)控制器，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)控制器的熱插拔，解決了計(jì)算機(jī)接口資源有限等問(wèn)題，滿足了多軸運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊的需要。為提高運(yùn)動(dòng)控制器硬件上的開(kāi)放性，開(kāi)發(fā)了通用的接口卡，輔助完成基板與外部的通訊。除了進(jìn)行反饋信號(hào)等的必要傳輸外，還提供了電機(jī)的限位、回零、報(bào)警、伺服使能等信號(hào)和通用I／O各8路。為防止外界信號(hào)干擾，保證控制器的可靠性和安全性，輸入輸出信號(hào)都經(jīng)由TLP521進(jìn)行光電隔離。

3 速度、加速度前饋PID控制算法

    本控制器采用典型的三環(huán)調(diào)節(jié)，其中速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的功能由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器完成，電流環(huán)用來(lái)提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力；速度環(huán)用于調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。位置閉環(huán)調(diào)節(jié)原理框圖如圖2所示，它包括位置PID調(diào)節(jié)和速度、加速度前饋，由運(yùn)動(dòng)控制器底層程序完成，用于實(shí)現(xiàn)精確定位、回零等，輸出飽和控制可保證輸出電壓不會(huì)超過(guò)設(shè)定范圍。

圖2 伺服電機(jī)位置環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    位置環(huán)的計(jì)算公式為：

    其中En為第n個(gè)采樣時(shí)刻的位置誤差；Ptarget為第n個(gè)采樣時(shí)刻的累積誤差值；Vt為當(dāng)前目標(biāo)速度；Kvff為速度前饋增益；At為當(dāng)前目標(biāo)加速度；Kvff為加速度前饋增益；Kp、Ki、Kd分別為比例、微分和積分增益。

4 Matlab仿真及結(jié)果分析

    基于KLD-200二維數(shù)控平臺(tái)進(jìn)行仿真。平臺(tái)由兩個(gè)Panasonic公司的MSMA012A 1E伺服電機(jī)及配套的MSDA013A1A驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為3000RPM，功率1 00W，增量式編碼器，2500P／r，絲杠導(dǎo)程為4mm／r。取Kp＝100、Ki＝12、Kd＝2進(jìn)行仿真。Y軸電機(jī)速度曲線與余弦曲線類(lèi)似，跟隨誤差曲線如圖3所示。無(wú)前饋情況下電機(jī)跟隨誤差從開(kāi)始的63個(gè)脈沖在0.137秒后上升到114個(gè)脈沖，隨后作類(lèi)似余弦曲線的變化。引入前饋后，跟隨誤差從開(kāi)始的63個(gè)脈沖迅速上升到109個(gè)脈沖，然后逐漸下降，在大約0.2秒后穩(wěn)定在±2個(gè)脈沖之間?？梢?jiàn)，速度和加速度前饋大大減小了系統(tǒng)的跟隨誤差。利用自己開(kāi)發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)數(shù)控平臺(tái)反復(fù)進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)，效果良好。梯形曲線控制實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定加速度為10rev／s2，目標(biāo)速度300RPM，位移120mm。到達(dá)目標(biāo)速度后，驅(qū)動(dòng)器顯示的電機(jī)速度波動(dòng)范圍在±2RPM之間。利用VC的OnTimer（）函數(shù)實(shí)時(shí)獲取位置信息并進(jìn)行顯示，可以看出，到位后的最大超調(diào)量約為5～10個(gè)脈沖，穩(wěn)態(tài)誤差在±2個(gè)脈沖之內(nèi)，小于1mm。

圖3 跟隨誤差比較

5 結(jié)束語(yǔ)

    本運(yùn)動(dòng)控制采用基于DSP和CPLD的硬件方案充分發(fā)揮了DSP芯片實(shí)時(shí)高效的處理能力，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，可以實(shí)現(xiàn)變傳動(dòng)比的電子齒輪和多軸插補(bǔ)功能?？刂破鞑捎昧嘶谒俣群?strong>加速度前饋的PID調(diào)節(jié)和NURBS插補(bǔ)等先進(jìn)理論，實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明，該運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)時(shí)性好，控制精確度高，跟隨誤差小，理論跟隨誤差小于2個(gè)脈沖，位置控制誤差小于1mm，可以滿足高速高精度加工的要求。