基于DSP的运动控制器的设计与研究
摘要
运动控制器是数控机床、机器人等一类机电一体化设备中常用的基础部件。由于目前存在的各种运动控制器开放性不够高,电路设计较复杂,可靠性较低,且运行速度和控制精度不高,所以性能价格比较低。为此,本课题设计了一种基于PCI总线、以TMS320C240数字信号处理器(DSP)和在系统可编程逻辑器件ISP为核心的运动控制器,其具有控制精度高、运算速度高、通用性强的特性,能够控制1～4轴的运动,应用于高精度控制系统中。
本课题设计的运动控制器其硬件按功能可分为总线接口模块、信号处理模块、反馈信号处理模块、扩展I/O模块和数/模转换模块等。总线接口模块主要实现与主机的通讯;信号处理模块实现了具体的控制算法;反馈信号处理模块将增量编码器的反馈信号输出给信号处理模块,实现位置伺服控制;扩展I/O模块主要实现与伺服驱动器连接的I/O口的扩展;数/模转换模块将控制电机的数字信号转换成模拟信号。软件方面,提供了运动控制器的库函数。这些底层函数的提供,极大的方便了上层控制程序的编制,缩短了开发周期。
Motion controller is a fundamental part of electric-mechanic equipments such as CNC machine tools, robots etc. At present, the open capability of various motion controllers is not high, the structure is complex, the reliability is low, and the run speed and the control precision is not high, so the ratio of capability and price is low. Therefore this project designs a motion controller based on PCI bus. The motion controller is by the core of digital signal processor (DSP) TMS320C240 and in-system programmable logic device (ISP). It can control the motion of 1 to 4 axes and can be used in the high-grade precision control system.
The hardware of motion controller of this project is divided into bus interface module, signal process module, the feedback signal process module, expand I/O module, D/A transform module. The bus interface module is used to communicate to the host. The signal process module is employed to achieve the control arithmetic. The feedback signal process module receives the feedback signal from the increment encoder, and outputs to the signal process module, and achieves position servo-control. The expand I/O module is used to the spread of the I/O interface that connects with the servo driver. The D/A transform module is employed to transform the digital signal into the analog signal. The paper offers the functions of motion control of motor. The functions make it easy to work out superstratum control programs and shorten the development period.
本课题设计的运动控制器其硬件按功能可分为总线接口模块、信号处理模块、反馈信号处理模块、扩展I/O模块和数/模转换模块等。总线接口模块主要实现与主机的通讯;信号处理模块实现了具体的控制算法;反馈信号处理模块将增量编码器的反馈信号输出给信号处理模块,实现位置伺服控制;扩展I/O模块主要实现与伺服驱动器连接的I/O口的扩展;数/模转换模块将控制电机的数字信号转换成模拟信号。软件方面,提供了运动控制器的库函数。这些底层函数的提供,极大的方便了上层控制程序的编制,缩短了开发周期。
Motion controller is a fundamental part of electric-mechanic equipments such as CNC machine tools, robots etc. At present, the open capability of various motion controllers is not high, the structure is complex, the reliability is low, and the run speed and the control precision is not high, so the ratio of capability and price is low. Therefore this project designs a motion controller based on PCI bus. The motion controller is by the core of digital signal processor (DSP) TMS320C240 and in-system programmable logic device (ISP). It can control the motion of 1 to 4 axes and can be used in the high-grade precision control system.
The hardware of motion controller of this project is divided into bus interface module, signal process module, the feedback signal process module, expand I/O module, D/A transform module. The bus interface module is used to communicate to the host. The signal process module is employed to achieve the control arithmetic. The feedback signal process module receives the feedback signal from the increment encoder, and outputs to the signal process module, and achieves position servo-control. The expand I/O module is used to the spread of the I/O interface that connects with the servo driver. The D/A transform module is employed to transform the digital signal into the analog signal. The paper offers the functions of motion control of motor. The functions make it easy to work out superstratum control programs and shorten the development period.
引文
[1]刘启中等编.现代数控技术及应用北京:机械工业出版社 2000.5
[2]叶伯生等编著.计算技术控系统原理、编程与操作 武汉:华中理工大学出版社 1999.5
[3]闫发军.基于DSP的机器人运动控制器的研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学(硕士学位论文).2000.7
[4]张永俊.开放式结构多轴运动控制技术--21世纪发展主流广东工业大学机电学院 www.motionct.com
[5]孟璇等.基于PMAC的并行双CPU开放式数控系统的研究与开发组合机床与自动化加工技术 2000.10
[6]王宇晗等.开放式控制器对数控机床低成本改造的策略 机械设计与研究2000.1
[7]富历新等.基于PC总线的四轴电机运动控制器 电气传动 1998.5
[8]鲜斌等.CNC系统中的伺服控制卡 电气传动 2000.4
[9]基于DSP的运动控制器技术 WWW.GOOGLETECH.COM.CN
[10]李贵山等编著.PCI局部总线开发者指南 西安:西安电子科技大学出版社,1997.
[11]马卫国等.通用高速PCI总线目标模块的设计 电子技术应用 1999.1
[12]Applied Micro Circuits Corporation.PCI Product Data Sheet.1998.
[13]王小军编著.VHDL简明教程 北京:清华大学出版社,2000.
[14]北京理工大学ASIC研究所编.VHDL语言100例详解 北京:清华大学出版社,1999.
[15]侯伯亨等编著.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计 西安:西安电子科技大学出版社,1999.
[16]曾繁泰等编著.VHDL程序设计 北京:清华大学出版社,1999.
[17]王毅平等编著.VHDL编程与仿真 北京:人民邮电出版社,2000.
[18]边计年等译.[美]Sjoholm Lindh 著.用VHDL设计电子线路 北京:清华大学出版社,2000.
[19]TEXAS INSTRUMENTS.TMS320C240 User's Guide,1997.
[20]TMS320F2X高速数字信号处理器原理与应用 北京:北京闻亭科技发展有限公司,2000.
[21]张芳兰等编著.TMS320C2XX用户指南 北京:电子工业出版社,1998.11.
[22]张雄伟等编著.DSP芯片的原理与开发应用(第2版)北京:电子工业 出版社,2000.9.
[23]潘松编著.VHDL使用教程 北京:电子科技大学出版社,2000.3.
[24]陈赜等编著.在系统可编程技术实践教程北京:科学出版社,2001.
[25]赵不贿等编著.在系统可编程器件与开发技术 北京:机械工业出版社,2001.
[26]林乐忠等.采用ispLSI1016芯片设计数控系统的位置板 组合机床及自动化加工技术,1998年第8期.
[27]张清明等.ISP技术及其器件在伺服系统位置反馈中的应用 制造业自动化 2000.10
[28]李正军编著.计算机测控系统设计与应用 济南:山东工业大学出版社,1999.1.
[29]金钰等编著.伺服系统设计指导 北京:北京理工大学出版社,2000.2
[30]摩信软硬兼施用手册 www.moxin.com.
[31]固高科技(深圳)有限公司 GT-400-SV 技术资料
[32]陶永华等编著.新型PID控制及其应用 北京:机械工业出版社 1998
[33]E.Freund,Robmann.System Approach to Robotics and Automation IEEE International Conference on Robotics and Automation,0-7803-1965-6/95
[34]Generossov,V.L.Inverse Problem Solving Algorthms for Some Kinematic Chains of Multijoint Manpulators.Peoc.MHTS,261(3)
[35]Whitney,D.L.Resolved Motion Rate Control of Manipulators and Human Prosthesis.IEEE Trans.Man-Mach.Syst,Vcl.MMS,10(2)
[36]D.Naunin and H.reuss.P.M.Brushless Servodrive Controlled By 16 Bit Microcomputer.In proc.IEEE PESC'88 Rec.(APPIL 1998)
[37]朱国力等.基于运动控制器的开放式激光焦点位置控制系统 锻压机械2000.1
[38]摩信运动控制技术资料 www.moxin.com.
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