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。現(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?？刂破鞯挠布Y(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。

    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(mǎn)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,。可見(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谒俣群图铀俣惹梆伒腜ID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(mǎn)足高速高精度加工的要求。