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1、嵌入式多轴运动控制系统软硬件实现方案网络转载导语：运动控制技术是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术，高速、高精度始终是运动控制技术追求的目的。运动控制技术可以快速开展主要得益于计算机、高速数字处理器(DSP)、自动控制、网络技术的开展，不仅应用于数控机床、工业机器人、轻工、纺织、化工、冶金等传统行业，还在国防、航空航天等多个领域得到广泛应用。技术是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术，高速、高精度始终是运动控制技术追求的目的。运动控制技术可以快速开展主要得益于计算机、高速数字处理器(DSP)、自动控制、网络技术的开展，不仅应用于数控机床、工业机器人、轻工、纺织、化工、冶金等传统行业，
2、还在国防、航空航天等多个领域得到广泛应用。数控技术、机器人技术更是一个国家运动控制技术开展程度的重要标志。随着国民经济开展，数控技术为了知足不同加工领域的要求也有了的长足进步，但对于大型的，高精细、高速数控装备和数控系统仍需要进口，大大制约了我国装备制造业和加工才能的提升。当前，基于PC和器的开放式数控系统得到了很大开展，运动控制器在系统中接收PC控制指令，运算后转换成控制信号到伺服驱动局部，进而快速构建数控平台。开发人员可以根据运动控制器提供的驱动程序，进展二次开发，知足用户的各种特殊需求。目前，PC和运动控制器构成的开放式数控系统的研究核心在于运动控制器的关键技术，由于数控机床的高速、高精
3、和高可靠性等指标主要取决于运动控制器的性能。数字信号处理器(DSP)的开展，使运动控制经过的运算才能有了很大程度的进步，利用DSP开发的运动控制器性能越来越稳定，功能也日趋强大。DSP强大的运算才能使运动控制经过中复杂的运动控制算法可以得到很好的支持，使运动控制系统能有效进展运动规划、高速实时多轴插补、误差补偿和更复杂的运动学、动力学计算，使得运动控制精度更高、速度更快、运动更加平稳。因此，以DSP为控制核心结合FPGA模块的嵌入式运动控制器成为开展的主流。器中运动控制算法作为关键技术，其复杂程度、准确性、可靠性直接影响控制系统的控制性能。因此，对相关运动控制算法及其在运动控制器中的实现进展研
4、究，有利于到达控制经过的高速、高精度和高可靠性。本课题研究内容本论文工作的主要研究内容是设计研究基于PCI总线并以DSP为核心的卡，对运动控制卡的硬件局部进展设计，并在此根底上对运动控制卡的软件进展设计，进而可以为后续开发研制成熟产品提供良好的软硬件平台。主要的研究内容如下：1.卡总体方案设计。对运动控制卡的整体构造进展分析，利用模块化设计的思想设计一些主要功能，并在此根底上设计本运动控制卡的总体设计方案，主要包括硬件局部的设计方案和软件局部的设计方案。2.运动控制卡的硬件设计。根据运动控制卡的硬件设计方案，对DSP芯片和PCI接口芯片等主要芯片的功能和特点进展研究，选择合适本运动控制卡的芯片
5、。在此根底上进展运动控制卡的硬件设计工作，包括DSP的电源电路模块、时钟电路模块、JTAG接口模块、外扩存储器模块、步进电机的驱动模块、上下位机通讯模块以及输入输出接口模块的设计工作，在进步系统的稳定性方面，需要进展硬件抗干扰设计。3.系统软件设计。并采用模块化程序设计方法，对DSP主控程序进展设计，包括DSP初始化模块、DSP与PC机的实时通讯模块设计;在插补控制算法上，利用比逐点比拟法精度更高的最小偏向法，设计直线和圆弧的插补算法并给出插补流程图。运动控制器设计要求本文设计的运动控制器要求能应用于数控行业、机器人控制系统等领域。要求高速处理数据的才能，具有高集成度、高可靠性。主要性能指标和
6、技术要求如下： (1)具有4路模拟信号输出，输出电压范围为-10V到+10V，同时具有4路脉冲信号输出，脉冲输出频率可达4MHz，能控制交、直流步进电机和伺服电机。 (2)具有4路正交编码器信号输入接口，能收集4路增量式光电编码器反应信号，收集频率可达2MHz，能实现对电机速度和位置的实时检测，知足速度闭环和控制闭环控制系统的需要，位置存放器的长度到达32位。 (3)设计并行通讯接口能与PC机实现高速实时通讯，同时设计RS232通讯接口。 (4)采用开放式模块化设计，同时实现高集成度。 (5)具有丰富的I/O接口，以实现对电机的控制和其他开关量信号的控制，比方限位信号、报警信号、原点检测等。
7、(6)具有高速的运算处理才能，系统反响快，系统时钟频率为150MHz。 (7)具有S曲线、T型曲线、电子齿轮等运动控制方式，同时能实现多轴插补功能，能实现较复杂的算法。 (8)具有良好的软件接口和功能丰富的函数库，知足多方面应用的需要。在实现上述性能与指标的同时，在设计中我们还应该遵循可靠性、模块化、整体性、低本钱等原那么以此增强产品的市场竞争力。设计方案：电源电路负责提供各模块的电源，对DSP进展了SRAM和FLASH扩展，时钟电路负责提供DSP和FPGA所需的时钟信号，双口RAM用于负责DSP与PCI总线的并行通讯，电平转换电路负责RS232与DSP之间的电平转换。I/O隔离负责各路I/O
8、信号的光电隔离，专用输入/输出是一些电机控制中所必须有的I/O信号，通用输入/输出可用于其它I/O信号的控制，在FPGA模块中设计了D/A转换电路、脉冲输出电路和编码器输入模块。脉冲输出接口模块主要任务是发送脉冲序列和方向指令给伺服驱动器，实现对电机的位移，速度，方向的控制。编码器电路那么是实现电机状态的反应，包括方向、速度等。A/D、D/A模块主要实现运动控制器跟伺服电机间模拟量与数字量之间的处理。I/O接口那么实现各种开关量信号的控制。本文没有设计A/D转换模块，由于DSP自带的A/D转换接口可以知足需求。在精度要求高的数控工业制造时可以用高精度A/D转换芯片(如AD7663)来实现，通过FPGA设计的A/D接口传递给DSP。软件总体设计整个运动控制软件系统可分为两大块：PC层的软件和DSP层的软件。人机交互界面主要是提供包括工艺流程、轨迹规划、状态监控等功能，提供用户操纵的界面环境。初始化程序后，对人机界面输入的数据进展处理，代码编译生成相应的控制指令。设备驱动程序接口层是与硬件相关的一层，负责对运动控制器的硬件设备进展治理和控制，同时进展数据通讯处理。DSP层的软件通过对PC层传递下来的指令代码进展解析，然后施行详细的插补算法运算，并控制电机运动。同时将底层的状态信息反应给PC机。