基于DSP的多轴控制器的研究
- 格式：pdf
- 大小：404.67 KB
- 文档页数：6
文章编号： （!""(） ’""’ $ !!*( "# $ ""*# $ "&
基于 +,- 的多轴控制器的研究
王永青，徐鸿书，刘勇
（大连理工大学 现代制造技术研究所， 辽宁 大连 ’’*"!#）
摘要： 开放式体系结构的数控系统以及高性能多轴控制器是 ./. 系统的发展方向。文章深入研究了以高处理能力的数字 信号处理器 （+,-） 为核心的多轴控制器的实现方案。文章研究的基于 +,- 的轴控制器， 利用 +,- 强大的处理能力来实现 多轴控制器高精度的、 实时加工的处理要求。 关键词： +,-；双口 012；嵌入式实时系统；-3+ 控制；多轴控制器 中图分类号： 4-!5& 文献标识码： 1
!"# $%&’( )* +&,%-./0-1 +)%-)2 3)2%4),,#4 5/1#’ )2 6$7 61/7 89:;<=>:;，?@ A9:;<BCD，E3@ 89:; （ 3:BF>FDFG 9H 29IGJ: 2K:DHKLFDJ>:; M:;>:GGJ>:;，+KN>K: @:>OGJB>FP 9H 4GLC:9N9;P，E>K9:>:; +KN>K: ’’*"!#，.C>:K）
・ 控制与检测 ・
组合机床与自动化加工技术 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
・ *# ・
・ 控制与检测 ・ !**+ 年第 ) 期 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
图*
!"# 与 #: 机的通讯示意图
系统要求两者之间既要高效快速的传递数据， 同时又要避 免两者同时对同一地址访问操作而产生的竞争风 险。因 此， !"# 控制系统采用中断响应分区访问的方式进行数据传输。两 者通过中断进行动作， 通过控制字来对指定区域进行访问。进 行数据传输时， 并 #: 上位机对指定区域写入将要传输的数据， 对中断控制字区域写入控制字， 由双口 <0( 产生发送传输数据 的中断脉冲， 并读取控制字， 根据控制字对指定 !"# 响应中断， 区域读取完所传送数据后， 进行清除中断信号动作。同理， !"# 返回的数据也将采用此中断方式进行， 以完成上位 #: 机对数 控系统的控制、 管理、 监控等功能。两者的访问操作都是在中断 方式下， 访问特定分区区域进行的， 这种传递数据的方式可充分 实现高速有效传输数据的目的， 并因采用中断方式， 所以还具有 时时响应快的特点。 !"! 存储器的扩展 通过并行总线分别 $(")*+=*.+= 芯片采用改进的哈佛结构， 访问多个存储空间， 可同时高效访问程序和数据空间。在一个 周期内， 中央算数单元可以执行多达三次的并行存储操作。 每字为 &’?@A， 分 $(")*+,-*.+/0 可以访问 &>*4 地址空间， 别映像为 ) 个独立的选择空间： 程序存储区 （’.4） ， 数据存储区 （’.4） ， （’.4） 。程序区已分配片内 )*4 -5637， 可用特定 % 8 9 空间 烧写程序进行重复烧写， 但数据区片内 <0( 最大仅为 *4 的单 访问 <0( （ "0<0(） 和 1.. 字节双访问 <0( （ !0<0(） ， 不能满足 C:$, I *+*+ 功能框图 如图 . 所示， C:$, I *+*+ 输入部分有 "J7K@AA 触发器与数字 滤波， 因此具有高抗噪声能力； 具有 . 倍频正交解码器； &’ 位可 逆计数器； &’ 位寄存器及 F 位的 ) 态总线接口。这些特性有力 的保证了对正交编码脉冲的精确计数， 大大改善了系统测量的 性能， 缩短了研制周期。 !H) 运动系统控制部分 伺服系统常有两种控制方式即： 开环控制及闭环 （半闭环） 控制。开环系统具有比较好的稳定性， 控制方式比较简单， 适合 于加工一些精度要求不高的场合； 闭环系统往往具有各样的速 度、 位置检测元件， 并使用不同的反馈方式， 可以获得较高的精 度和速度。本控制器系统具有两种控制方式： 开环的脉冲指令 方式和半闭环位置控制方式， 可根据实际应用进行选择。 !"# 内具有两个控制电机的事件管理模块， . 个通用定时器。除了 定时器 & 被用来作为系统嵌入式系统的节拍时钟外， 另三个时 钟可分别用来控制三个轴的运动。位置控制方式的模拟量输出 ・ ’1 ・ 图.
Байду номын сангаас
=
引言
由于技术进步、 市场竞争的加剧， 数控系统正逐渐由专用体
处理任务时， 与一般处理器相比， 其速度更快、 效率更高。 " 系
系结构的单 .-@ 系统发展为具有开放性、 互操作性、 可移植性、 模块化的多 .-@ 控制的开放式体系结构的数控系统。对于采 用单处理器结构的系统， 仅靠一个 .-@ 集中控制整个系统， 分 时处理数控功能和其它控制功能， 但因其受字长、 寻址能力和运 算速度等指标限制， 在数控领域一些需要大量轨迹查补运算， 特 别是查补运算要求实时性很强的系统中， 单处理器在进行运算 操作时易造成的计算延迟及通信延迟等问题严重影响了数控系 统加工精度和速度要求。而采用多 .-@ 的数控系统由于使用 一微处理器专门用于运动控制， 完成轴控制细节， 因此在伺服更 新率、 执行速率、 伺服算法的项数上， 都有了相当大的提高， 能够 适应高精度加工的要求。 本文所研究的基于 +,- 处理器的多轴控制器可以使 -. 总 专注于 线中的计算机系统 .-@ 能利用计算机丰富的软件资源， 人机界面、 输入输出、 预处理、 发送指令、 故障诊断等非实时性的 功能； 而需要大量运算的查补、 补偿处理、 速度控制、 位置控制等 则由具有强大处理能力的 +,- 控制器来实现。 图 ’ 运动控制器硬件框图 统与上位机 -. 之间采用双口 012 进行通讯。采用中断响应分 区访问控制方式， 可以进行高效实时的信息通讯。 # 为满足系 统控制的加工要求， 如图 ’ 虚线框所示， 控制器系统具有模拟量 输出 + \ 1 控制和脉冲控制两种方式， 可根据实际应用进行选 择。整个系统在软件系统的控制下进行协调工作来完成加工任 务的需求。
>
系统概述
如图 ’ 所示： 整个系统由以下几部分构成： !系统的核心是
采用 43 公司 42,&!"W!#W 系列数字信号处理器 （ +,-） 中的一种 针对运动控制进行了专门优化的芯片 42,&!"E[!#"51。使用高 性能的 +,- 芯片， 在实现数据量大、 计算复杂、 实时性要求高的
收稿日期： 修回日期： !""# $ "% $ &"； !""# $ ’" $ !( 作者简介： 王永青 （’)*) $ ） ， 男， 大连理工大学现代制造技术研究所副教授， 博士， 研究方向为数控及数字化制造系统， 复杂曲面测量加工技术等。
891%4/:%：QRG: KJLC>FGLFDJG ./. K:I C>;C<RGJH9JSK:LG S9F>9: L9:FJ9NNGJ KJG TGL9S>:; SK>:BFJGKS FGLC:9N9;P >: ./. BPBFGSU 1 RJ9VGLF （+,-）X>FC FCG C>;C<RGJH9JSK:LG RJ9LGBB>:; LKRKT>N>F>GB CKB TGG: NDLDTJKF< H9J SDNF><KW>B BGJO9 L9:FJ9N TKBGI 9: FCG I>;>FKN B>;:KN RJ9LGBB9J GI U 4CG L9:FJ9NNGJ LK: JGKN>YGI L9SRNGW L9:FJ9N KJ>FCSGF>L 9J HD:LF>9: K:I >B K :GX KW>B L9:FJ9NNGJ CKO>:; C>;C<RJGL>B>9:，C>;C<BRGGI，SDNF>< KW>B N>:ZK;G K:I C>;C<>:FG;JKF>9:U 3 DBGI FCG C><RGJH9JSK:LG +,- F9 JGKN>YG SDNF><KW>B K:I C><RJGL>B>9: BGJO9 L9:FJ9NU ;#( <)4’1： +,-；IDKN<R9JF 012；04Q,；-3+ L9:FJ9N；SDNF><KW>B S9F>9: L9:FJ9NNGJ
快。系统所用的 !"# 芯片是 $% 公司推出的面向数字控制系统， 尤其是数字运动控制系统设计的新一代 &’ 位数字信号处理器 $(")*+,-*.+/0。此芯片作为此系列的新成员为数字运动控制 系统提供了具有低成本、 低功耗、 高性能的选择， 其具有最高 使得指令周期仅为 *123， 高达 )*4 的片内 .+(%#" 的执行速度， 两个针对电机控制的事件管理模块， 高性能的 &+ 位模数 -5637， 转换模块， 丰富的 % 8 9 资源以及为适应需大量存储单元的要求， 提供了外部存储接口模块， 并通过配置片内等待状态发生器， 实 现高速 :#; 与慢速存储器及其外设的无缝接口。因此， 本文所 研究的以拥有强大性能 !"# 为核心微处理器的控制器可具有 高速度、 高精度、 多轴同步控制、 高集成度、 高可靠性的卓越性 能。 !"# $%& 系统与上位机 &’ 的数据传输 需要与上位 #: 机进 !"# 控制系统是一个实时控制的系统， 行高速有效的数据传输。系统采用 %!$ 公司的双端口 <0( 作 为两者传输的中间媒介。 !"# 通过外接总线接口实现对双口 两者通过一定 <0( 的访问； #: 通过 #:% 总线来访问双口 <0(， 的逻辑控制来达到数据传输的目的， 如图 * 所示。 系统需求， 故要对系统进行存储器扩展。利用 !"# 的外扩总线 接口 （ B(%-） 外接一 ’.4 静态 <0(， 并将其中 )*4 映射为程序 区， 以供系统程序调试之用， 另 )*4 可映射为数据区使用。 如图 ) 所示， 将外 接 <0( 的 ++++C D /---C 映 射 为 !"# 程 序 区 的 ++++C D 通 过 将 !"# 芯 /---C， 片引脚 (# 8 (: E 置 位 高电 平 来 使 !"# 芯 片 图 ) 外扩存储器示意图 忽略片内 -5637 存储器 的存在， 而从外部程序存储器中读取数据， 即程序区使用外扩 可将外接 <0( 的 F+++C D ----C 设为数据区 <0( 的 )*4 空间； 的 F+++C D ----C 区， 以扩展数据区的容量。!"# 对外接存储器 的存储操作通过 G0, 逻辑器件产生片选使能信号， 其逻辑关系 可设置为： !"#$% & ’() *( + (,!!"#.% & ’() *( + .% !"#/% & ’() *( + (,!- +（ + ! 0 .） ! H ( 系统位置检测部分 检测部分是数控系统的一个组成部分， 在数控系统中起着 重要的作用。 !"# 控制器通过专用正交、 解码、 可逆计数芯片 C:$, I *+*+ 来对脉冲编码器输出的正交脉冲信号进行鉴相倍 频操作， 达到检测并控制运动部件的位移量， 实现系统加工精度 的要求。
基于 +,- 的多轴控制器的研究
王永青，徐鸿书，刘勇
（大连理工大学 现代制造技术研究所， 辽宁 大连 ’’*"!#）
摘要： 开放式体系结构的数控系统以及高性能多轴控制器是 ./. 系统的发展方向。文章深入研究了以高处理能力的数字 信号处理器 （+,-） 为核心的多轴控制器的实现方案。文章研究的基于 +,- 的轴控制器， 利用 +,- 强大的处理能力来实现 多轴控制器高精度的、 实时加工的处理要求。 关键词： +,-；双口 012；嵌入式实时系统；-3+ 控制；多轴控制器 中图分类号： 4-!5& 文献标识码： 1
!"# $%&’( )* +&,%-./0-1 +)%-)2 3)2%4),,#4 5/1#’ )2 6$7 61/7 89:;<=>:;，?@ A9:;<BCD，E3@ 89:; （ 3:BF>FDFG 9H 29IGJ: 2K:DHKLFDJ>:; M:;>:GGJ>:;，+KN>K: @:>OGJB>FP 9H 4GLC:9N9;P，E>K9:>:; +KN>K: ’’*"!#，.C>:K）
・ 控制与检测 ・
组合机床与自动化加工技术 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
・ *# ・
・ 控制与检测 ・ !**+ 年第 ) 期 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
图*
!"# 与 #: 机的通讯示意图
系统要求两者之间既要高效快速的传递数据， 同时又要避 免两者同时对同一地址访问操作而产生的竞争风 险。因 此， !"# 控制系统采用中断响应分区访问的方式进行数据传输。两 者通过中断进行动作， 通过控制字来对指定区域进行访问。进 行数据传输时， 并 #: 上位机对指定区域写入将要传输的数据， 对中断控制字区域写入控制字， 由双口 <0( 产生发送传输数据 的中断脉冲， 并读取控制字， 根据控制字对指定 !"# 响应中断， 区域读取完所传送数据后， 进行清除中断信号动作。同理， !"# 返回的数据也将采用此中断方式进行， 以完成上位 #: 机对数 控系统的控制、 管理、 监控等功能。两者的访问操作都是在中断 方式下， 访问特定分区区域进行的， 这种传递数据的方式可充分 实现高速有效传输数据的目的， 并因采用中断方式， 所以还具有 时时响应快的特点。 !"! 存储器的扩展 通过并行总线分别 $(")*+=*.+= 芯片采用改进的哈佛结构， 访问多个存储空间， 可同时高效访问程序和数据空间。在一个 周期内， 中央算数单元可以执行多达三次的并行存储操作。 每字为 &’?@A， 分 $(")*+,-*.+/0 可以访问 &>*4 地址空间， 别映像为 ) 个独立的选择空间： 程序存储区 （’.4） ， 数据存储区 （’.4） ， （’.4） 。程序区已分配片内 )*4 -5637， 可用特定 % 8 9 空间 烧写程序进行重复烧写， 但数据区片内 <0( 最大仅为 *4 的单 访问 <0( （ "0<0(） 和 1.. 字节双访问 <0( （ !0<0(） ， 不能满足 C:$, I *+*+ 功能框图 如图 . 所示， C:$, I *+*+ 输入部分有 "J7K@AA 触发器与数字 滤波， 因此具有高抗噪声能力； 具有 . 倍频正交解码器； &’ 位可 逆计数器； &’ 位寄存器及 F 位的 ) 态总线接口。这些特性有力 的保证了对正交编码脉冲的精确计数， 大大改善了系统测量的 性能， 缩短了研制周期。 !H) 运动系统控制部分 伺服系统常有两种控制方式即： 开环控制及闭环 （半闭环） 控制。开环系统具有比较好的稳定性， 控制方式比较简单， 适合 于加工一些精度要求不高的场合； 闭环系统往往具有各样的速 度、 位置检测元件， 并使用不同的反馈方式， 可以获得较高的精 度和速度。本控制器系统具有两种控制方式： 开环的脉冲指令 方式和半闭环位置控制方式， 可根据实际应用进行选择。 !"# 内具有两个控制电机的事件管理模块， . 个通用定时器。除了 定时器 & 被用来作为系统嵌入式系统的节拍时钟外， 另三个时 钟可分别用来控制三个轴的运动。位置控制方式的模拟量输出 ・ ’1 ・ 图.
Байду номын сангаас
=
引言
由于技术进步、 市场竞争的加剧， 数控系统正逐渐由专用体
处理任务时， 与一般处理器相比， 其速度更快、 效率更高。 " 系
系结构的单 .-@ 系统发展为具有开放性、 互操作性、 可移植性、 模块化的多 .-@ 控制的开放式体系结构的数控系统。对于采 用单处理器结构的系统， 仅靠一个 .-@ 集中控制整个系统， 分 时处理数控功能和其它控制功能， 但因其受字长、 寻址能力和运 算速度等指标限制， 在数控领域一些需要大量轨迹查补运算， 特 别是查补运算要求实时性很强的系统中， 单处理器在进行运算 操作时易造成的计算延迟及通信延迟等问题严重影响了数控系 统加工精度和速度要求。而采用多 .-@ 的数控系统由于使用 一微处理器专门用于运动控制， 完成轴控制细节， 因此在伺服更 新率、 执行速率、 伺服算法的项数上， 都有了相当大的提高， 能够 适应高精度加工的要求。 本文所研究的基于 +,- 处理器的多轴控制器可以使 -. 总 专注于 线中的计算机系统 .-@ 能利用计算机丰富的软件资源， 人机界面、 输入输出、 预处理、 发送指令、 故障诊断等非实时性的 功能； 而需要大量运算的查补、 补偿处理、 速度控制、 位置控制等 则由具有强大处理能力的 +,- 控制器来实现。 图 ’ 运动控制器硬件框图 统与上位机 -. 之间采用双口 012 进行通讯。采用中断响应分 区访问控制方式， 可以进行高效实时的信息通讯。 # 为满足系 统控制的加工要求， 如图 ’ 虚线框所示， 控制器系统具有模拟量 输出 + \ 1 控制和脉冲控制两种方式， 可根据实际应用进行选 择。整个系统在软件系统的控制下进行协调工作来完成加工任 务的需求。
>
系统概述
如图 ’ 所示： 整个系统由以下几部分构成： !系统的核心是
采用 43 公司 42,&!"W!#W 系列数字信号处理器 （ +,-） 中的一种 针对运动控制进行了专门优化的芯片 42,&!"E[!#"51。使用高 性能的 +,- 芯片， 在实现数据量大、 计算复杂、 实时性要求高的
收稿日期： 修回日期： !""# $ "% $ &"； !""# $ ’" $ !( 作者简介： 王永青 （’)*) $ ） ， 男， 大连理工大学现代制造技术研究所副教授， 博士， 研究方向为数控及数字化制造系统， 复杂曲面测量加工技术等。
891%4/:%：QRG: KJLC>FGLFDJG ./. K:I C>;C<RGJH9JSK:LG S9F>9: L9:FJ9NNGJ KJG TGL9S>:; SK>:BFJGKS FGLC:9N9;P >: ./. BPBFGSU 1 RJ9VGLF （+,-）X>FC FCG C>;C<RGJH9JSK:LG RJ9LGBB>:; LKRKT>N>F>GB CKB TGG: NDLDTJKF< H9J SDNF><KW>B BGJO9 L9:FJ9N TKBGI 9: FCG I>;>FKN B>;:KN RJ9LGBB9J GI U 4CG L9:FJ9NNGJ LK: JGKN>YGI L9SRNGW L9:FJ9N KJ>FCSGF>L 9J HD:LF>9: K:I >B K :GX KW>B L9:FJ9NNGJ CKO>:; C>;C<RJGL>B>9:，C>;C<BRGGI，SDNF>< KW>B N>:ZK;G K:I C>;C<>:FG;JKF>9:U 3 DBGI FCG C><RGJH9JSK:LG +,- F9 JGKN>YG SDNF><KW>B K:I C><RJGL>B>9: BGJO9 L9:FJ9NU ;#( <)4’1： +,-；IDKN<R9JF 012；04Q,；-3+ L9:FJ9N；SDNF><KW>B S9F>9: L9:FJ9NNGJ
快。系统所用的 !"# 芯片是 $% 公司推出的面向数字控制系统， 尤其是数字运动控制系统设计的新一代 &’ 位数字信号处理器 $(")*+,-*.+/0。此芯片作为此系列的新成员为数字运动控制 系统提供了具有低成本、 低功耗、 高性能的选择， 其具有最高 使得指令周期仅为 *123， 高达 )*4 的片内 .+(%#" 的执行速度， 两个针对电机控制的事件管理模块， 高性能的 &+ 位模数 -5637， 转换模块， 丰富的 % 8 9 资源以及为适应需大量存储单元的要求， 提供了外部存储接口模块， 并通过配置片内等待状态发生器， 实 现高速 :#; 与慢速存储器及其外设的无缝接口。因此， 本文所 研究的以拥有强大性能 !"# 为核心微处理器的控制器可具有 高速度、 高精度、 多轴同步控制、 高集成度、 高可靠性的卓越性 能。 !"# $%& 系统与上位机 &’ 的数据传输 需要与上位 #: 机进 !"# 控制系统是一个实时控制的系统， 行高速有效的数据传输。系统采用 %!$ 公司的双端口 <0( 作 为两者传输的中间媒介。 !"# 通过外接总线接口实现对双口 两者通过一定 <0( 的访问； #: 通过 #:% 总线来访问双口 <0(， 的逻辑控制来达到数据传输的目的， 如图 * 所示。 系统需求， 故要对系统进行存储器扩展。利用 !"# 的外扩总线 接口 （ B(%-） 外接一 ’.4 静态 <0(， 并将其中 )*4 映射为程序 区， 以供系统程序调试之用， 另 )*4 可映射为数据区使用。 如图 ) 所示， 将外 接 <0( 的 ++++C D /---C 映 射 为 !"# 程 序 区 的 ++++C D 通 过 将 !"# 芯 /---C， 片引脚 (# 8 (: E 置 位 高电 平 来 使 !"# 芯 片 图 ) 外扩存储器示意图 忽略片内 -5637 存储器 的存在， 而从外部程序存储器中读取数据， 即程序区使用外扩 可将外接 <0( 的 F+++C D ----C 设为数据区 <0( 的 )*4 空间； 的 F+++C D ----C 区， 以扩展数据区的容量。!"# 对外接存储器 的存储操作通过 G0, 逻辑器件产生片选使能信号， 其逻辑关系 可设置为： !"#$% & ’() *( + (,!!"#.% & ’() *( + .% !"#/% & ’() *( + (,!- +（ + ! 0 .） ! H ( 系统位置检测部分 检测部分是数控系统的一个组成部分， 在数控系统中起着 重要的作用。 !"# 控制器通过专用正交、 解码、 可逆计数芯片 C:$, I *+*+ 来对脉冲编码器输出的正交脉冲信号进行鉴相倍 频操作， 达到检测并控制运动部件的位移量， 实现系统加工精度 的要求。
