基于DSP多軸運動控制系統的研究實現

摘 要：基于DSP多軸運動控制系統硬件功能的全面性及易擴展性、軟件的開放式結構使得本套系統可作為一套通用開放性的控制系統對多種智能控制系統，包括各種機器人、數控機床、木工機械、印刷機械、裝配生產線、電子加工設備、激光加工設備、機載車載流動智能控制對象進行很好的控制。

關鍵詞：DSP；運動控制系統；坐標變換

基于DSP 多軸運動控制系統控制自由度多、控制功能全、運算性能強、組合安裝靈活的特點，不僅可以與PC機構成分布式模式進行控制，也可以作為獨立的控制系統對智能裝備進行控制。DSP 多軸運動控制系統在控制軟件方面具有開放性的特點，用戶可以通過系統提供的API和在庫中加入自己的函數，方便地擴展特定的功能。

1. DSP多軸運動控制系統

在基于DSP 多軸運動控制系統的軟件設計中，采用開放性體系結構，以模塊化、層次化的結構，通過各種形式向用戶提供應用程序接口，使系統具有可移植性、可擴展性、互操作性和可縮放性等特點，為各種智能裝備的快速、方便加載提供良好的接口平臺。在實現過程中，采用面向對象技術，首先編制實現基本控制功能的軟件模塊，并進行封裝，建立自己的API函數庫，提供良好的用戶程序接口。然后針對常用智能裝備的通用要求進行整體控制系統程序的編制，搭建出開放式控制系統的基本平臺。在系統軟件模塊的開發中盡可能選用公用的接口，實現信息的交換與共享，模塊盡可能多地重用，并且使要建立的系統盡可能利用已建立的系統或已建立的類，以它們為基礎進行擴充。基于DSP 運動控制系統主控PC 機的基本功能模塊包括：系統管理模塊、坐標變換模塊、通訊模塊、插補模塊、譯碼解釋模塊、顯示模塊和I/O狀態監控模塊等，對于機器人還包括姿態或步態的規劃模塊；基于DSP 多軸運動控制器所實現的基本功能模塊為：位置控制模塊、通訊模塊、傳感信息檢測處理模塊、參數調整接口模塊，以及針對機器人的局部力控制模塊等。內嵌的控制算法為：無沖擊加、減速運動控制算法，前饋+ PID 控制算法，直線運動、圓弧運動控制算法，電子齒輪算法等。對于其它的隨控制對象不同而需添加的模塊，則由用戶自己根據實際需要二次開發完成。

2.系統控制結構總體設計

2.1下位控制系統

由DSP伺服運動控制器和交流伺服電機驅動器組成。主要實現多軸系統電機的位置、速度、電流三閉環的數字控制。該系統以基于DSP與FPGA 的伺服運動控制器為控制中心， 實現多軸伺服PMSM的協調運動。DSP伺服運動控制器能實時接收上位監控子系統下傳的控制參數， 并能對接收到的與電機軸固連的光電編碼器的反饋脈沖進行處理， 得到多軸系統電機的實時位置和速度參數， 進行位置、速度雙閉環控制。交流伺服電機驅動器主要實現對多軸系統電機的電流閉環控制。

2.2上位監控系統

由監控計算機組成。主要對系統進行實時的監視與控制。該系統具有友好的人機界面， 依據用戶給定的電機有關參數信息， 進行逆向運動學運算、軌跡插補等操作， 計算出對應于每個電機的控制參數， 并下傳至下位控制子系統。此外， 該子系統能實時接收下位子系統反饋的各電機位置信息， 有效地對系統進行實時監視操作。控制系統采用典型的兩級控制方式， 可以有效地將系統的控制功能分離， 并使系統結構更具模塊化， 大大增強系統的可靠性， 降低項目研發的風險。上、下位子系統之間可以通過網口通信， 并采用中斷事件觸發數據接收， 能實時地實現穩定可靠的高速數據交換。此外， 整個系統幾乎都是全數字控制， 所以系統的控制精度和可靠性很高， 操作和維護也很方便。

3.DSP多軸運動控制器的硬件

3.1輸入通道設計

輸入通道由兩部分組成：電機脈沖編碼盤輸入信號處理電路和各種模擬信號輸入采樣轉換處理電路。電機脈沖編碼盤輸入信號處理電路：根據伺服電機同軸脈沖編碼盤反饋的脈沖信號，通過四倍頻、辨向電路及計數電路，得到電機實際轉過的位置。四倍頻辨向電路、計數電路都采用FPGA 實現。對于各種模擬信號，如機器人控制中的六維力/力矩、視覺等傳感器信號的采樣轉換處理，通過輸入通道的高速高精度A/D 器件實現。高速高精度A/D 對數字電路引入的噪聲特別敏感，當其獨立工作時，精度很高，但與數字系統連接后，精度明顯降低，因此，首先采用獨立的數字地和模擬地，數字電路和A/D 之間的信號傳送通過光電隔離器件完成；其次，A/D 的采樣時鐘也很關鍵，它由數字電路產生，因此也要利用光電耦合器隔離后送到A/D轉換器。

3.2輸出通道設計

DSP多軸運動控制器輸出通道由兩部分構成： 三路DAC 模擬控制電壓信號和使能開關量輸出信號。為了使輸出的電壓信號在正確的通道輸出，在DSP 和DAC 之間有輸出選擇邏輯開關電路，其邏輯由FPGA 實現。另，在DSP 輸出到DAC 的信號還要通過高速光偶器件，一方面防止外部強電信號對DSP數字電路的竄擾，另一方面也起到+3.3V和+5V的電壓轉換的作用。開關量信號輸出控制各電機使能信號的接通、關斷，其通道選擇、譯碼邏輯也由FPGA 實現。

4.結束語

隨著先進制造裝備、工業機器人、數控機床等智能控制機械的快速發展，這些裝備的智能控制系統已經成為實現其性能、功能的關鍵。因此，在自動數字控制技術領域進行研究，開發出高精度、高性能、高可靠性的DSP 運動控制器，使其能夠完成較為復雜的控制算法、實現多軸和多種類型電機控制，具有適應性廣、易用性強，能夠快速、有效、方便地應用于各種智能控制系統的特點，是目前智能控制機械的重點研究實現目標。我們所研究的運動控制器，選用了主頻達150MHz的浮點DSP 處理器芯片，以高速高精度特性實現各種較為復雜的控制算法。

參考文獻：

[1]龔小云，運動控制器的現狀與發展[J].制造技術與機床，2012

[2]趙建東，五軸聯動數控系統的開放化設計[J].組合機床與自動化加工技術， 2013