嵌入式多軸運動控制系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn)方案

運動控制技術(shù)是推動新的技術(shù)革命和新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)，高速、高精度始終是運動控制技術(shù)追求的目標。運動控制技術(shù)能夠快速發(fā)展主要得益于計算機、高速數(shù)字處理器（DSP）、自動控制、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，不僅應(yīng)用于數(shù)控機床、工業(yè)機器人、輕工、紡織、化工、冶金等傳統(tǒng)行業(yè)，還在國防、航空航天等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。數(shù)控技術(shù)、機器人技術(shù)更是一個國家運動控制技術(shù)發(fā)展水平的重要標志。隨著國民經(jīng)濟發(fā)展，數(shù)控技術(shù)為了滿足不同加工領(lǐng)域的要求也有了的長足進步，但對于大型的，高精密、高速數(shù)控裝備和數(shù)控系統(tǒng)仍需要進口，大大制約了我國裝備制造業(yè)和加工能力的提升。

當前，基于PC和運動控制器的開放式數(shù)控系統(tǒng)得到了很大發(fā)展，運動控制器在系統(tǒng)中接收PC控制指令，運算后轉(zhuǎn)換成控制信號到伺服驅(qū)動部分，從而快速構(gòu)建數(shù)控平臺。開發(fā)人員可以根據(jù)運動控制器提供的驅(qū)動程序，進行二次開發(fā)，滿足用戶的各種特殊需求。目前，PC和運動控制器構(gòu)成的開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究核心在于運動控制器的關(guān)鍵技術(shù)，因為數(shù)控機床的高速、高精和高可靠性等指標主要取決于運動控制器的性能。數(shù)字信號處理器（DSP）的發(fā)展，使運動控制過程的運算能力有了很大程度的提高，利用DSP開發(fā)的運動控制器性能越來越穩(wěn)定，功能也日趨強大。DSP強大的運算能力使運動控制過程中復(fù)雜的運動控制算法能夠得到很好的支持，使運動控制系統(tǒng)能有效進行運動規(guī)劃、高速實時多軸插補、誤差補償和更復(fù)雜的運動學(xué)、動力學(xué)計算，使得運動控制精度更高、速度更快、運動更加平穩(wěn)。因此，以DSP為控制核心結(jié)合FPGA模塊的嵌入式運動控制器成為發(fā)展的主流。

運動控制器中運動控制算法作為關(guān)鍵技術(shù)，其復(fù)雜程度、精確性、可靠性直接影響控制系統(tǒng)的控制性能。因此，對相關(guān)運動控制算法及其在運動控制器中的實現(xiàn)進行研究，有利于達到控制過程的高速、高精度和高可靠性。

本課題研究內(nèi)容

本論文工作的主要研究內(nèi)容是設(shè)計研究基于PCI總線并以DSP為核心的運動控制卡，對運動控制卡的硬件部分進行設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上對運動控制卡的軟件進行設(shè)計，從而可以為后續(xù)開發(fā)研制成熟產(chǎn)品提供良好的軟硬件平臺。主要的研究內(nèi)容如下：

1．運動控制卡總體方案設(shè)計。對運動控制卡的整體結(jié)構(gòu)進行分析，利用模塊化設(shè)計的思想設(shè)計一些主要功能，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計本運動控制卡的總體設(shè)計方案，主要包括硬件部分的設(shè)計方案和軟件部分的設(shè)計方案。

2．運動控制卡的硬件設(shè)計。根據(jù)運動控制卡的硬件設(shè)計方案，對DSP芯片和PCI接口芯片等主要芯片的功能和特點進行研究，選擇適合本運動控制卡的芯片。在此基礎(chǔ)上進行運動控制卡的硬件設(shè)計工作，包括DSP的電源電路模塊、時鐘電路模塊、JTAG接口模塊、外擴存儲器模塊、步進電機的驅(qū)動模塊、上下位機通訊模塊以及輸入輸出接口模塊的設(shè)計工作，在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面，需要進行硬件抗干擾設(shè)計。

3．系統(tǒng)軟件設(shè)計。并采用模塊化程序設(shè)計方法，對DSP主控程序進行設(shè)計，包括DSP初始化模塊、DSP與PC機的實時通信模塊設(shè)計；在插補控制算法上，利用比逐點比較法精度更高的最小偏差法，設(shè)計直線和圓弧的插補算法并給出插補流程圖。

運動控制器設(shè)計要求

本文設(shè)計的運動控制器要求能應(yīng)用于數(shù)控行業(yè)、機器人控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。要求高速處理數(shù)據(jù)的能力，具有高集成度、高可靠性。主要性能指標和技術(shù)要求如下：

（1）具有4路模擬信號輸出，輸出電壓范圍為-10V 到+10V，同時具有 4路脈沖信號輸出，脈沖輸出頻率可達 4MHz，能控制交、直流步進電機和伺服電機。

（2）具有 4 路正交編碼器信號輸入接口，能采集 4 路增量式光電編碼器反饋信號，采集頻率可達 2MHz，能實現(xiàn)對電機速度和位置的實時檢測，滿足速度閉環(huán)和控制閉環(huán)控制系統(tǒng)的需要，位置寄存器的長度達到 32 位。

（3）設(shè)計并行通信接口能與 PC 機實現(xiàn)高速實時通信，同時設(shè)計 RS232 通信接口。

（4）采用開放式模塊化設(shè)計，同時實現(xiàn)高集成度。

（5）具有豐富的 I/O 接口，以實現(xiàn)對電機的控制和其他開關(guān)量信號的控制，比如限位信號、報警信號、原點檢測等。

（6）具有高速的運算處理能力，系統(tǒng)反應(yīng)快，系統(tǒng)時鐘頻率為 150MHz。

（7）具有 S 曲線、T 型曲線、電子齒輪等運動控制方式，同時能實現(xiàn)多軸插補功能，能實現(xiàn)較復(fù)雜的算法。

（8）具有良好的軟件接口和功能豐富的函數(shù)庫，滿足多方面應(yīng)用的需要。在實現(xiàn)上述性能與指標的同時，在設(shè)計中我們還應(yīng)該遵循可靠性、模塊化、整體性、低成本等原則以此增強產(chǎn)品的市場競爭力。

設(shè)計方案：

硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖：

硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

電源電路負責提供各模塊的電源，對 DSP 進行了 SRAM 和 FLASH 擴展，時鐘電路負責提供 DSP 和 FPGA 所需的時鐘信號，雙口 RAM用于負責 DSP 與 PCI總線的并行通信，電平轉(zhuǎn)換電路負責 RS232 與 DSP 之間的電平轉(zhuǎn)換。I/O 隔離負責各路 I/O 信號的光電隔離，專用輸入/輸出是一些電機控制中所必須有的 I/O 信號，通用輸入/輸出可用于其它 I/O 信號的控制，在 FPGA 模塊中設(shè)計了 D/A 轉(zhuǎn)換電路、脈沖輸出電路和編碼器輸入模塊。

FPGA硬件結(jié)構(gòu)圖

脈沖輸出接口模塊主要任務(wù)是發(fā)送脈沖序列和方向指令給伺服驅(qū)動器，實現(xiàn)對電機的位移，速度，方向的控制。編碼器電路則是實現(xiàn)電機狀態(tài)的反饋，包括方向、速度等。A/D、D/A 模塊主要實現(xiàn)運動控制器跟伺服電機間模擬量與數(shù)字量之間的處理。I/O 接口則實現(xiàn)各種開關(guān)量信號的控制。本文沒有設(shè)計 A/D 轉(zhuǎn)換模塊，因為 DSP 自帶的 A/D 轉(zhuǎn)換接口可以滿足需求。在精度要求高的數(shù)控工業(yè)制造時可以用高精度 A/D 轉(zhuǎn)換芯片（如 AD7663）來實現(xiàn)，通過 FPGA 設(shè)計的A/D 接口傳遞給 DSP。

軟件總體設(shè)計

整個運動控制軟件系統(tǒng)可分為兩大塊：PC 層的軟件和 DSP 層的軟件。人機交互界面主要是提供包括工藝流程、軌跡規(guī)劃、狀態(tài)監(jiān)控等功能，提供用戶操作的界面環(huán)境。初始化程序后，對人機界面輸入的數(shù)據(jù)進行處理，代碼編譯生成相應(yīng)的控制指令。設(shè)備驅(qū)動程序接口層是與硬件相關(guān)的一層，負責對運動控制器的硬件設(shè)備進行管理和控制，同時進行數(shù)據(jù)通信處理。DSP層的軟件通過對 PC層傳遞下來的指令代碼進行解析，然后實施具體的插補算法運算，并控制電機運動。同時將底層的狀態(tài)信息反饋給 PC 機。