1 引 言

    運(yùn)動控制器是數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等一類機(jī)電一體化設(shè)備中常用的核心運(yùn)動控制部件?，F(xiàn)代數(shù)控技術(shù)對運(yùn)動控制系統(tǒng)的開放性,、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)動控制器已經(jīng)從以單片機(jī),、微處理器和專用芯片作為核心的運(yùn)動控制器發(fā)展到基于PC機(jī)平臺的以數(shù)字信號處理器（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)的開放式運(yùn)動控制器,。這種將P C機(jī)的信息處理能力和開放式的特點(diǎn)與運(yùn)動控制器很強(qiáng)的運(yùn)動軌跡控制能力有機(jī)地結(jié)合在一起，具有信息處理能力強(qiáng),、開放程度高,、運(yùn)動軌跡控制準(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)對話平臺上,，通過DSP算法和CPLD配置進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整來實(shí)現(xiàn)不同的硬件功能模塊,，可以方便地和多種類型的驅(qū)動器進(jìn)行連接。因此現(xiàn)在基于PC的新一代運(yùn)動控制器成為控制系統(tǒng)的主流和發(fā)展方向,。

    本文開發(fā)的開放式運(yùn)動控制器以PC機(jī)為平臺,，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)動位置、速度和電機(jī)狀態(tài)等參數(shù),。運(yùn)動控制器以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的采集，鑒相處理,，對脈沖和模擬量進(jìn)行配置和輸出,，把DSP處理過的控制數(shù)據(jù)經(jīng)過內(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)動控制器可以完成非勻速比同步運(yùn)動控制,，支持NURBS插補(bǔ)，并提供了豐富的動態(tài)鏈接庫函數(shù),。

2 運(yùn)動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，對伺服電機(jī)速度和位置的精確控制,，電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測和外部信號檢測等功能,。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,，對于多于兩個(gè)電機(jī)的控制器，若用多片DSP不僅會造成DSP資源的浪費(fèi)，而且還會增加由于協(xié)調(diào)DSP之間的工作而產(chǎn)生的難度,，因此這里我們用CPLD來提供另外兩組正交編碼脈沖電路,，對速度、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)動控制器的硬件結(jié)構(gòu)

    運(yùn)動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,，編碼器信號處理電路，電壓轉(zhuǎn)換電路,，光電隔離電路等,。運(yùn)行過程中，PC機(jī)把粗插補(bǔ)的數(shù)據(jù)通過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)對兩對正交編碼信號的四倍頻和方向檢測，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測速法可求得其運(yùn)行速度,。另外兩個(gè)電機(jī)的反饋信號由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位寄存器用來存儲電機(jī)當(dāng)前位置,，通過實(shí)時(shí)從計(jì)數(shù)器讀取每個(gè)伺服周期走過的脈沖數(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)警等信號產(chǎn)生時(shí)向DSP申請中斷,。每個(gè)軸的正負(fù)限位信號,、歸零信號和報(bào)警信號，四個(gè)軸共計(jì)16個(gè)信號,，這些信號相或,，只要有一個(gè)信號產(chǎn)生時(shí)就產(chǎn)生一個(gè)上升沿信號，此上升沿觸發(fā)DSP中斷,，DSP以查詢方式判斷是哪個(gè)信號產(chǎn)生的中斷,。

    2.2 控制卡通訊及接口

    早期PC機(jī)通過ISA總線實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制，但響應(yīng)速度慢,，實(shí)時(shí)性差,，后來的PCI局部總線，解決了ISA的傳輸速度慢等問題,。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)動控制器，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動控制器的熱插拔,，解決了計(jì)算機(jī)接口資源有限等問題,，滿足了多軸運(yùn)動控制卡對數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊的需要。為提高運(yùn)動控制器硬件上的開放性,，開發(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,、伺服使能等信號和通用I／O各8路,。為防止外界信號干擾,，保證控制器的可靠性和安全性，輸入輸出信號都經(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)動器完成,，電流環(huán)用來提高系統(tǒng)的動態(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超過設(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)控平臺進(jìn)行仿真,。平臺由兩個(gè)Panasonic公司的MSMA012A 1E伺服電機(jī)及配套的MSDA013A1A驅(qū)動器進(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似，跟隨誤差曲線如圖3所示,。無前饋情況下電機(jī)跟隨誤差從開始的63個(gè)脈沖在0.137秒后上升到114個(gè)脈沖,，隨后作類似余弦曲線的變化。引入前饋后，跟隨誤差從開始的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?，速度和加速度前饋大大減小了系統(tǒng)的跟隨誤差。利用自己開發(fā)的運(yùn)動控制器對數(shù)控平臺反復(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)動器顯示的電機(jī)速度波動范圍在±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

    本運(yùn)動控制采用基于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,。