1、I基于PCI和USB总线的开放式运动控制器开发摘要开放式数控系统已成为当今数控技术的发展方向，目前的开放式数控系统多以PC机为基础，配上各种开放式运动控制器。运动控制器的应用已走出机械加工行业，越来越多地应用于其它工业自动化设备控制，如机器人控制、电子机械、木工机械、纺织机械、印刷机械等诸多行业。基于PC总线的以DSP和CPLD/FPGA作为核心处理器的开放式运动控制器将PC机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合在一起，具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好等优点，因此发展迅速。今后基于计算机标准总线的开放式运动控制器仍然是市场发展的主流。P
2、CI总线解决了ISA总线的响应速度较慢的瓶颈，近几年，基于USB总线的设备也因其优点而得以迅速发展。针对国内外开放式运动控制器存在的一些缺点，诸如国外产品价格太高、技术支持相对较差，国内产品不支持USB总线、存在一些技术上的不足等，本文以DSP芯片TMS320LF2407作为处理器，分别基于PCI和USB总线开发了多轴开放式运动控制器，并采用PCI9052和ISP1581作为接口芯片构建PCDSP通讯电路，利用CPLD器件EPM7128构建两路QEP信号处理电路并辅助完成译码等功能，同时开发了接口卡负责完成控制卡与外部器件的互联并进行光电隔离和电平转换。DSP除了完成与上位机的通讯，内部还嵌入
3、了许多控制算法，包括基于前馈补偿的PID控制算法、参数曲线的自适应时间分割插补算法、直线/圆弧/NURBS插补算法等。同时，提供了丰富的动态链接库函数供用户调用，并在此基础上开发了测试软件。实验和仿真结果表明，系统设计合理，具有实时性好，跟随误差小，加工精确度高等优点。关键词开放式运动控制器；USB20协议；PCI总线；NURBS插补；DSPIIDEVELOPMENTOFOPENTYPEMOTIONCONTROLLERBASEDONPCIANDUSBBUSABSTRACTTHEOPENTYPENUMERICALCONTROLSYSTEMHASBECOMETHEDEVELOPMENTTRENDO
4、FNCTECHNOLOGYNOWADAYS,ANDTHEPRESENTNCSYSTEMSAREMAINLYBASEDONPCSPERSONALCOMPUTERSWITHVARIOUSMOTIONCONTROLLERSTHEAPPLICATIONOFMOTIONCONTROLLERSHASEXTENDEDOUTOFTHEMACHINEPROCESSINGFIELDMOREANDMOREAREAPPLIEDINCONTROLOFOTHERINDUSTRIALAUTOMATIONDEVICES,SUCHASROBOTCONTROL,ELECTRONICMACHINERY,WOODWORKINGMAC
5、HINERY,TEXTILEMACHINERY,PRINTINGMECHANISM,ANDSOONTHEOPENTYPEMOTIONCONTROLLERHASDEVELOPEDRAPIDLY,WHICHUSESDSPANDCPLD/FPGAASCOREPROCESSORSANDCOMBINESTHEINFORMATIONHANDLINGCAPACITYANDTHEOPENTYPECHARACTERISTICOFPCWITHTHECONTROLLERSMOTIONPATHCONTROLABILITY,HAVINGMANYADVANTAGESSUCHASSTRONGINFORMATIONHANDL
6、INGCAPACITY,GOODOPENTYPECHARACTERISTIC,PRECISEMOTIONPATH,GOODVERSATILITYFROMNOWON,THEDEVELOPMENTOFOPENTYPEMOTIONCONTROLLERSBASEDONCOMPUTERSTANDARDBUSISSTILLTHEMARKETMAINSTREAMTHEPCIBUSSOLVESTHEPROBLEMOFLOWRESPONSEVELOCITYOFISABUS,ANDINRECENTYEARS,EQUIPMENTSBASEDONUSBBUSHAVEALSODEVELOPEDRAPIDLYBECAUS
7、EOFTHEMERITSOFUSBAIMINGATTHESHORTCOMINGSOFDOMESTICANDFOREIGNOPENTYPEMOTIONCONTROLLERS,FOREXAMPLE,THEOVERSEASPRODUCTPRICEISHIGH,THETECHNICALSUPPORTISRELATIVELYWEAK,ANDTHEDOMESTICPRODUCTDOESNOTSUPPORTUSBBUS,EXISTINGSOMETECHNICALFLAWSTHISTHESISDEVELOPSMULTIAXISMOTIONCONTROLLERSBASEDONPCIBUSANDUSBBUSRES
8、PECTIVELYWITHTMS320LF2407ASTHEIRPROCESSORSPCI9052ANDISP1581CHIPSAREADOPTEDTOCONSTRUCTTHEPCDSPCOMMUNICATIONCHANNELCPLDCOMPONENTEMP7128ISUSEDTOACHIEVETHEFUNCTIONSOFTWOGROUPSOFQEPSIGNALPROCESSINGANDADDRESSDECODINGATTHESAMETIME,THEAUXILIARYI/OCARDISALSODEVELOPEDTOCONNECTTHECONTROLLERANDEXTERNALCOMPONENT
9、SAFTERPHOTOELECTRICITYISOLATIONANDLEVELTRANSFORMATIONIIIBESIDESTHECOMMUNICATINGWITHPCS,THEDSPHASALSOBEENEMBEDDEDMANYCONTROLALGORITHMS,INCLUDINGTHEPIDCONTROLALGORITHMWITHFEEDFORWARDCOMPENSATION,THEPARAMETERCURVEAUTOADAPTEDTIMEDIVISIONINTERPOLATIONALGORITHM,THELINE/CIRCLE/NURBSINTERPOLATIONALGORITHM,E
10、TCALOTOFDYNAMICLINKLIBRARYFUNCTIONSAREALSOPROVIDEDFORTHEUSERS,ANDTESTSOFTWAREISDEVELOPEDWITHTHEFUNCTIONSEXPERIMENTANDSIMULATIONRESULTINDICATESTHATTHESYSTEMISDESIGNEDREASONABLY,WITHMANYADVANTAGESSUCHASGOODREALTIMEPERFORMANCE,LITTLEFOLLOWINGERRORANDHIGHPROCESSINGPRECISIONKEYWORDSOPENTYPEMOTIONCONTROLL
11、ERUSB20PROTOCOLPCIBUSNURBSINTERPOLATIONDSPIV目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111开放式运动控制技术概述1111开放式数控系统1112基于PC机的开放式运动控制器212开放式运动控制器研究现状、不足及发展趋势4121运动控制器的分类4122国内外开放式运动控制器的研究现状5123目前基于PC的运动控制器存在的不足6124基于PC的开放式运动控制器的发展趋势713课题来源及主要研究内容8第2章伺服系统控制关键技术研究921运动系统的控制技术概述922伺服电机控制原理9221交流伺服电机介绍9222交流伺服电机的控制模式10223伺服电机的PID
12、调节方案1123参数曲线的时间分割插补算法14231时间分割插补原理14232参数曲线自适应插补算法1424NURBS插补原理17241NURBS插补介绍17242三次NURBS曲线的数学描述17243NURBS曲线插值原理1925本章小结21第3章PCI和USB总线规范与操作2231PCI总线22311PCI总线的基本概念22312PCI总线的特点22313PCI局部总线信号定义23314PCI总线协议基础2432USB总线27321USB的优点27322USB系统的分层结构27323USB数据通讯结构29324USB的控制传输与中断传输30325USB软件编程基础3333本章小结34第4章
13、PC机与DSP通讯电路设计3541运动控制器硬件电路总体设计方案3542DSP芯片TMS320LF2407介绍3643PCI总线与DSP通讯电路设计37431PCI总线接口电路实现方法37432PCI总线接口芯片选择38433PCI9052的主要特点38434PCI9052的工作原理39435E2PROM的配置40436PCIDSP通讯电路4144USB总线与DSP通讯电路设计43441USB接口芯片选择43442ISP1581的特性43443ISP1581的引脚介绍44444ISP1581相关寄存器简介45445USBDSP通讯电路设计4745本章小结48第5章运动控制器硬件电路设计4951
14、DSP辅助电路49511JTAG测试接口电路49512供电电路50513时钟电路5052存储器扩展电路5153控制电压转换电路5154CPLD处理电路52541地址译码53542正交编码脉冲处理及计数53543中断逻辑5655接口卡电路分析56551差分信号处理电路56552输入输出信号处理电路5756运动控制器硬件开放性的实现5957本章小结59第6章运动控制器软件开发及调试6061控制器软件开发概述6062DSP底层程序开发60621USB控制器的固件（FIRMWARE）编程61622DSP核心程序6463设备驱动程序开发6964动态链接库函数开发70641动态链接库函数及其优点70642
15、动态链接库的设计71643用DLL实现运动控制器的开放式功能7265测试软件开发7366本章小结76结论77参考文献78攻读学位期间发表的学术论文81致谢821第1章绪论11开放式运动控制技术概述111开放式数控系统数控（NC）或计算机数控（CNC）系统作为制造形状复杂、高质量、高精度产品所必备的基础设备，已成为当今先进制造技术的一个重要组成部分。然而，FANUC、SIMENS等常规CNC系统为专用结构CNC，其组成的硬件模块和软件结构绝大多数是专用的、互不兼容的系统，各模块间的交互方式、通信机制也各不相同，这就造成了不同厂家控制系统的相对独立，彼此封闭。随着技术的进步，市场竞争的加剧，这种专
16、用体系结构的数控系统越来越暴露出其固有的缺陷。一方面，各控制系统间互连能力差，影响了系统的相互集成，风格不一的操作方式以及专用件的大量使用，不但使用户培训费用增加，还给数控设备用户（NC系统的最终用户）带来很多不便；另一方面，系统的封闭性使它的扩充和修改极为有限，造成数控设备制造商（NC系统中间用户）对系统供应商的依赖，并难以将自己的专门技术、工艺经验集成入控制系统并形成自己的产品特点，这将不利于提高主机产品的竞争力。此外，专用的硬软件结构也限制了系统本身的持续开发，使系统的开发投资大、周期长、风险高、更新换代慢、不利于数控产品的技术进步。总之，数控系统的这一现状已不能适应当今制造业市场变化与
17、竞争，也不能满足现代制造业向信息化、模块化和敏捷制造模式发展的需要。开放式数控系统已成为当今数控技术的发展方向1，研究开发开放式数控系统的主要目的是解决变化频繁的需求与封闭控制系统之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统平台，增强数控系统的柔性。通俗地讲，开放的目的就是使NC控制器与当今的PC机类似，使整个系统构筑于一个开放的平台之上，具有模块化组织结构，允许用户根据需要进行选配和集成，更改或扩展系统的功能，迅速适应不同的应用需求，而且，组成系统的各功能模块可以来源于不同的部件供应商并相互兼容。开放式运动控制系统的研究始于1987年，美国空军在美国政府资助下发表了著名的NGC（下一代控制器）
18、研究计划，提出了开放体系结构控制器的2概念和开放系统体系结构标准规格（OSACA）。自1996年开始，美国几个大的科研机构对NGC计划分别发表了相应的研究内容2，如美国国际标准研究院提出了EMC（增强型机床控制器）；由美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司提出和研制了OMAC（开放式模块化体系结构控制器），其目的是用更开放、更加模块化的控制结构使制造系统更加具有柔性、更加敏捷，该计划启动后不久便公布了一个名为OMACAPT的规范，并促成了一系列相关研究项目的运行。开放式数控系统能够在多种平台上运行，可以和其他系统互操作，并能给用户提供一种统一风格的交互方式。开放式数控系统应具有以下基本特征1可互
19、操作性。通过提供标准化接口、通信和交互机制，使不同功能模块能以标准的应用程序接口运行于系统平台之上，并获得平等的相互操作能力。2可移植性。系统的功能软件与设备无关即应用统一的数据格式，交互模型控制机理，使构成系统的各功能模块可来源于不同的开发商，并且通过一致的设备接口，使各功能模块能运行于不同供应商提供的硬件平台之上。3档次皆宜性。CNC系统的功能和规模可以灵活设置、方便修改，既可增加硬件或软件构成功能更强的系统，也可以裁减其功能以适应低端应用。4可互补性。指构成系统的各硬件模块、功能软件的选用不受单一供应商的控制，可根据其功能、可靠性及性能要求相互替换，而不影响系统整体的协调运行。112基于
20、PC机的开放式运动控制器目前的开放式数控系统多以PC机为基础，配上各种开放式运动控制器，如图11所示，这是一个非常典型的开放式数控系统模型3。PC机运动控制器驱动器及接口伺服电机、编码器编码器反馈图11典型的开放式数控系统模型FIG11TYPICALMODELFOROPENTYPENCSYSTEM3运动控制器是通过由电机驱动的执行机构对设备进行运动控制，以实现预定运动轨迹目标的装置，它是数控系统中的重要部件。由于它具有极大的灵活性和良好的运动轨迹控制能力，从而使许多工业生产设备焕发出勃勃生机，它是广义上的数控装置。数控技术的发展趋势就是采用运动控制器的开放式的数控系统。随着自动化技术的进一步发
21、展，运动控制器的应用已走出机械加工行业，越来越多地应用于其它工业自动化设备控制，如机器人控制、电子机械、木工机械、纺织机械、印刷机械等诸多行业。计算机技术的发展在工业控制领域导致了技术面貌的迅速改变。工业控制机，特别是采用PC技术的工业PC机的大量涌现，大大的推动和促进了开放式运动控制系统的发展。基于工业PC的运动控制器可以利用PC强大的软件环境和技术支持，摆脱专用封闭式控制系统的束缚和不便，树立运动控制系统的新概念。PC机技术引入运动控制领域，可以从两方面来考虑其对于开放式运动控制技术发展所带来的作用1软件方面，利用计算机的高效运算功能、管理与监控能力以及丰富的软件资源，可以实现高级的控制算
22、法、轨迹插补算法以及补偿算法，改善运动控制软件，提高伺服扫描速度和系统的分辨率，实现最小的移动单位和最大的进给速度，便于用微小的程序段连续以高速度、高精度实现轨迹形状复杂曲线和曲面运动，使控制单元精细化，利用其提供的标准应用程序接口，可以方便的实现数控系统的移植性和互操作性。尤其是在需要大量轨迹插补运算的运动控制系统中，具有PC总线的计算机系统由于其丰富的软件资源而得到越来越广泛的应用。在这类系统中，坐标变换、轨迹规划、粗插补运算等由PC机完成，而多轴伺服电机的实时控制由运动控制器实现。2硬件方面，利用PC通用平台，可以建立开放式的模块化结构的伺服运动控制系统，同时伺服控制器的模块化为直接利用
23、计算机做伺服控制算法的研究和实时监控提供了方便，也为多轴联动参数匹配设计提供了方便，在高性能的硬件支持下，为进一步研制开发更高性能的智能型伺服模板打下基础，也为运动控制系统的级联运行及并入网络构成FMC、FMS与CIMS创造了条件。412开放式运动控制器研究现状、不足及发展趋势121运动控制器的分类目前，运动控制器生产厂商提供的运动控制器主要包括如下3类41基于通用微处理器型。以8031、8088等通用微处理器为核心器件，外加存储器、编码器信号处理电路及D/A转换电路等组成控制系统。其位置、速度等控制由事先编好固化在存储器中的程序实现。此方案成本相对较低，但速度较慢，精度不高，采用的元器件较多
24、，可靠性低，体积比较大，而且控制参数不易更改，软硬件设计工作量大，在一些只需要低速点位运动控制和对轨迹要求不高的轮廓运动控制场合应用。2以专用芯片（ASIC）作为核心处理器的运动控制器。常用的专用电机控制芯片有LM628、MAX314、HCPL1100等，用一个芯片即完成速度曲线规划、PID伺服控制算法、编码器信号的处理等多种功能。一些需要用户经常更改的参数如电机位置、速度、加速度、PID参数等均在芯片内部的RAM区内，可由PC机用指令很方便的修改。但由于数据传输速度、运算速度的限制，复杂的控制算法和功能很难实现。这类控制器对单轴的点位控制场合是基本满足要求，但对于要求多轴协调运动和高速轨迹插
25、补控制的设备，这类运动控制器不能满足要求。另外,由于硬件资源的限制，这类控制器的圆弧插补算法通常都采用逐点比较法，插补的精度也不高，特别是对于如模具雕刻这样的需要大量的小线段连续运动的场合，不能使用这类控制器。3基于PC总线的以DSP和CPLD/FPGA作为核心处理器的开放式运动控制器。以PC机作为信息处理平台，运动控制器以插卡形式嵌入PC机，即PC运动控制器的模式。这样将PC机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合在一起，具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点。这类运动控制器通常都能提供多轴协调运动控制与复杂的运动轨迹规划、实时的插补运
26、算、误差补偿、伺服滤波算法，能够实现闭环控制。由于采用CPLD/FPGA技术来进行硬件设计，方便运动控制器供应商根据客户的特殊工艺要求和技术要求进行个性化的定制，形成独特的产品。能同时控制多轴，有的还包含了运动轨迹插补算法及包含有前馈补偿功能的PID算法，这为多轴的伺服电机的控制带来极大的方便。5122国内外开放式运动控制器的研究现状在国内外，已有多种商品化的开放式运动控制器，较著名的有美国的PMAC、GALIL等运动控制器，国内最成熟的是深圳固高公司的系列控制器。这些运动控制器的特点是1均以PC机为基础，具有ISA总线、PCI局部总线通讯功能；2控制器均可在WINDOWS平台下工作，可使用V
27、B、VC、DELPHI等高级语言进行编程控制；3通过采用特殊的中断方式，一般都具有很好的实时性，并具有WINDOWS系统的多任务性；4均为多轴联动系统，具有直线和圆弧插补功能；5均可进行位置及速度控制，在启动和停止阶段具有加速度控制，使系统具有较好的动态响应特征；6可对交、直流伺服电机及液压伺服马达进行控制。美国DELTATAUDATASYSTEM公司推出的PMAC系列伺服控制器比较有代表性。PMAC以MOTOROLA公司的DSP56001为微处理器，主频20/30MHZ，60/40微秒/轴的伺服更新率，36位（64千兆）位置计数范围，16位DAC输出分辨率，10/15MHZ编码计数率，每秒可
28、处理多达500条程序，可以完成直线或圆弧插补，“S曲线”加速和减速，三次轨迹计算、样条曲线计算。利用DSP强大的运算功能单卡可实现L32轴多轴实时伺服控制。PMAC控制器本身就相当于一个完整的计算机系统。依靠集成在卡上ROM中的程序，它能独立完成实时、多任务控制，而无需主机介入。PMAC控制器配有较强的命令、函数库，用户可用制造商提供的编程语言（类似QBASIC）调用这些命令和函数，编程较为方便。另外制造商还提供PCOMM、PTALK等函数库作为开发工具，用户可用高级语言调用自己所需的函数，完成控制软件的开发。PMAC系统的开放性特征允许CNC系统通过ODBC（开放数据库连接）、OLE（目标连
29、接和嵌入）、DDE（动态数据交换）等运行专门设计的第三方软件程序。对于OEM（原始设备制造商），DELTATAUDATASYSTEM公司提供PMAC软件库的C源代码许可证，允许整个系统全部用户化。PMAC主要利用ISA、PC104、EVM、PCI及USB等总线方式与上位机交换信息56。八五期间，我国广大科研工作者也成功开发了两种数控平台和华中型、蓝天型、航天型、中华型等4种基本系统，这些系统采用模块化、嵌入式的软硬件结构，其中以华中型较具代表性，它采用工业PC机上插接口卡的结构,运行6在DOS平台上，具有较好的模块化、层次化特征，有一定扩展性和伸缩性，但从整体来说这些系统是数控系统，不是独立的
30、开放式运动控制器产品。我国在开放式运动控制器产品开发方面相对落后，1999年固高科技有限公司在深圳成立，是国内第一家专业开发、生产开放式运动控制器产品的公司。其后，国内又有其他几家公司涉足该领域，但实际上，大多是在国内推广国外生产的运动控制器产品，真正进行自主开发的公司较少。固高公司的运动控制器以ADSP2181数字信号处理器为核心，可以通过ISA、PCI和PC104总线与PC机通讯。其GT800SVPCI运动控制器最多可以实现8轴的控制，通过PCI总线与PC机通讯。其主要特点为可编程伺服采样周期，最小插补周期为200微秒，单轴点位运动最小控制周期为25微秒；支持单轴点位运动、直线插补、圆弧插
31、补、速度控制、电子齿轮等运动方式；可编程梯形曲线规划和S曲线规划，在线刷新运动控制参数；所有计算参数和轨迹规划参数均为32位，具有连续插补功能；提供4K底层循环程序缓冲区存储用户运动信息；支持外部输入中断、事件中断（包括位置信息、特殊运动事件等）以及时间中断；具有PID（比例积分微分）数字滤波器，带速度和加速度前馈，带积分限值、偏差补偿和低通滤波器；硬件捕获原点开关和编码器INDEX信号，实现高精度机器原点位置锁存7。123目前基于PC的运动控制器存在的不足虽然国外的运动控制器产品在性能方面具有许多优势，但它们也具有很多不足之处，。以PMAC运动控制器为例，其不足主要表现在以下几方面1价格昂贵
32、。一个四轴的PMACLITE运动控制器价格约为14500元，加上其它一些辅助设施可达到20000元左右；2使用不方便。运动控制器虽然功能强大，但软硬件复杂，参数众多，学习周期特别长；3售后服务及技术支持相对较差。PMAC运动控制器可以从国内的代理商中购买，但是缺乏有控制器底层开发经验的技术人员的技术支持，控制器出现在实用过程中故障也无法及时得到修复。国内的固高运动控制器在一定程度上解决了PMAC存在的不足，例如其四轴控制器GTSV400ISA及配套接口板的价格较低，一共9000元左右，能提供良的技术支持和售后服务，但是仍存在着一些不足，技术方面有待于进一步完善，例如71尚未提供基于USB总线的
33、运动控制器产品；2在梯形曲线模式下，如果频繁改变电机的运行速度，在运动完成时电机会剧烈震动；3在速度控制模式下，控制器位置计数器采用32位计数，计满数后没有进行相应处理，电机将不受控制，无法满足单方向长期运行的需要；4固高运动控制器在动态连接库函数中缺乏相应的软件滤波处理，有时会出现数据传输出错的问题。124基于PC的开放式运动控制器的发展趋势今后基于计算机标准总线的开放式运动控制器仍然是市场发展的主流4。这种运动控制器的优点是硬件组成简单，把运动控制器连接到PC总线，连接信号线就可组成系统；可以使用PC机已经具有的丰富软件进行开发，运动控制软件的代码通用性和可移植性较好；可以进行开发工作的工
34、程人员较多，不需要太多培训工作。早期PC机通过ISA总线实现对电机的控制。ISA总线是一种8位或16位的非同步数据总线，工作频率为8MHZ，数据传输率在8位时为8MB/S，16位时为16MB/S但是ISA总线的响应速度较慢，并且在多任务的操作环境下占用太多的系统资源，这成为限制ISA总线发展的瓶颈。其后出现的PCI总线，解决了这一瓶颈。PCI总线是一种同步的独立于CPU的32位或64位局部总线，最高工作频率33MHZ，数据传输率为132MB/S，并且PCI总线上的外围设备可与CPU并行工作，提高了系统的整体性能。近几年，USB总线因其有着即插即用、支持热插拔、性价比高、可扩展多达127个被控设
35、备等诸多ISA和PCI总线所不及的优点而得以迅速发展8。文献9介绍了基于USB11协议的运动控制器开发。USB20接口的最高传输速率由12MB/S提高到了480MB/S，能够更好地支持数据实时传输。PC机的CPU利用其丰富的软、硬件资源，可以专注于人机界面、输入输出、预处理，发送指令，故障诊断等功能；插补、补偿处理、速度控制、位置控制则由挂接在PCI或USB总线上的运动控制系统中的微处理器来实现，而无需占用PC机的资源。开发研制基于PC机的开放式运动控制器，不但要开发出必要的硬件电路板，而且要开发出大量的与底层硬件电路及其接口直接发生关系的动态链接库函数，这些程序可在WINDOWS等系统中直接
36、调用。同时，这些程序功能强8大，可直接实现大部分运动控制或数控系统所需要的功能，具有极强的柔性。用户在使用运动控制器时，无须与复杂的硬件接口和电路直接打交道，只需根据自己的运动要求，利用VC、VB或者DELPHI等高级语言方便的调用这些库函数，进行二次开发，实现自己预定的功能，编制良好的接口界面，在WINDOWS环境下方便的实现对数字电机（包括步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机和液压伺服系统）的位置和速度以及加减速的控制。13课题来源及主要研究内容本研究课题来源于哈尔滨市青年科学研究基金项目，项目编号为2004AFQXJ049。这是一前沿性的课题，涉及电力电子、电机驱动、自动控制、测试技术、
37、计算机控制等现代化跨学科综合性高新技术。这项课题的研究成功，具有重要的意义，对推进国家的科技进步，高新技术产品的商业化、国际化有着重大的直接的经济效益和社会效益。本课题基于课题组购买的两套松下交流伺服电机及配套的驱动器和光电码盘、DSP仿真器和以美国TI公司生产的用于电机控制的芯片TMS320LF2407A为核心的EVM板、PCI硬件及驱动程序开发套件、USB20实验开发板，分别开发出基于PCI局部总线和USB总线的多轴交、直流伺服电机运动控制器及相应的接口卡，并进行其底层运动控制函数和上位机动态链接库函数的深入开发。具体研究内容为1伺服系统控制的关键技术研究，包括伺服电机的控制模式及PID调
38、节方案、NURBS曲线及一般参数曲线的插补控制原理等。2对PCI局部总线规范及USB20总线协议进行研究并选择相应的通讯接口芯片；3基于DSP核心处理芯片和CPLD器件进行控制器的硬件电路开发，并开发相应的接口卡；4利用CCS软件编写DSP底层驱动程序，包括通讯驱动及控制程序，分别用于进行PCI/USB通讯和进行底层的速度控制、位置控制、PID调节、圆弧插补、NURBS插补等。5开发上位机设备驱动程序、动态链接库函数和测试软件。9第2章伺服系统控制关键技术研究21运动系统的控制技术概述在军事自动化MA、工业自动化FA、办公自动化OA和家庭自动化HA中，大量存在对运动机构进行精确控制的任务，运动
39、控制技术作为自动控制的重要分支，在这里大显身手，正是由于运动系统能够实现对运动轨迹、运动速度、重复定位精度的精确控制，在各类控制工程中有着广泛应用前景，因此运动控制系统目前已成为控制科学应用领域中一个很有意义的研究方向。在运动控制系统中，按机械运动的轨迹分类，可分为点位、直线、轮廓控制等。点位控制又称为点到点控制，是一种从某一位置向另一位置移动时，不管中间的移动轨迹如何，只要最后能正确到达目标位置的控制方式，可以通过多轴协调运动来实现。直线控制又称为平行控制，这类运动除了控制点到点的准确位置之外，还要保证两点之间移动的轨迹是一条直线，而且对移动的速度也要进行控制。轮廓控制又称为连续轨迹控制，这
40、类运动能够对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制，因而可以进行曲线或曲面的运动，可以通过直线、圆弧插补、NURBS曲线插补等实现。现代数控机床及机器人绝大多数具有两个坐标或两个坐标以上联动的功能，如6轴（或自由度、维）控制的机械手，其运动可以给定在空间的任意方向。在运动控制系统中，按执行部件的类型分类，可分为开环、闭环和半闭环伺服系统。通过步进电机控制的开环系统由于没有位置反馈和校正控制，其位移精度取决电机的步距角及传动机构的精度等。而闭环和半闭环伺服系统具有位移测量和位置比较环节，这样可达到比开环系统更高的精度和运行速度。通过编码器将电机的位置信号反馈到控制系统可构成半闭环系
41、统，如果将光栅尺等测量的实际位置作为反馈即可构成闭环系统。22伺服电机控制原理221交流伺服电机介绍交流伺服电机一般由永磁同步电机、转子位置传感器、速度传感器组成，10交流伺服电机和它的驱动器组成一个伺服系统。早期的交流伺服系统是一个典型的速度闭环系统，伺服驱动器从主控制系统接收电压变化范围为MAXUMAXU的速度指令信号。电压从MAXU变化到MAXU的过程中，伺服电机可实现从反转最高速变化到零，然后再变化到正转最高速。但是，这种交流伺服系统只能实现对速度的闭环控制，还不能直接实现对位置的闭环控制。要实现对位置的闭环控制，必须在电机和控制系统之间构成一个位置环。为了适应数字化控制的发展趋势，国
42、外一些厂家在九十年代初相继推出了带位置环的全数字式交流伺服系统。不仅可以进行位置的闭环控制，还使得交流伺服电机可以象步进电机一样易于控制，上位控制器可以是运动控制器、PLC或者直接是PC机等。222交流伺服电机的控制模式以日本PANASONIC公司的MINAS系列交流伺服系统为例，介绍这种交流伺服系统的控制原理。这种伺服系统可在驱动器中由参数PR02设置为位置、速度和转矩三种控制模式，现分述如下。2221位置控制模式（PR020）当伺服系统处于位置控制时，控制系统给伺服驱动器的信号是脉冲和方向信号。这一点和步进电机的控制方式类似。其接口电路如图21所示。指令脉冲的输入方式可分为以下三种1正交脉
43、冲指令频率相同但相位相差90的A、B两相脉冲分别从PULS1、PULS2和PULS1PULS2SIGN1SIGN2脉冲输入方向输入驱动器内部驱动器内部图21交流伺服系统位置控制接口电路FIG21STEPCONTROLINTERFACECIRCUITYOFACSERVOSYSTEM11SIGN1、SIGN2送入伺服驱动器。A、B两相脉冲的频率控制电机转速；脉冲数控制电机的角位移。2CW/CCW脉冲指令即单脉冲工作方式。脉冲信号通过PULS1、PULS2进入驱动器，则电机按CW方向旋转。若通过SIGN1、SIGN2进入驱动器，则电机按CCW方向旋转。脉冲频率控制电机的旋转速度，脉冲数控制电机的角位
44、移。3脉冲方向指令脉冲信号从PULS1、PULS2进入驱动器，脉冲频率控制电机转速，脉冲数控制电机的角位移。方向信号从SIGN1、SIGN2进入驱动器，高低电平控制电机的转向。2222速度控制模式（PR021）在速度控制模式中，上位控制系统通过SPD、GND引脚给伺服驱动器输入一个10V10V的模拟电压，即可控制电机实现从负向最大转速到正向最大转速之间的速度变化。电机转速N和指令输入电压V之间呈线性关系。速度指令除了可以由外部模拟电压来输入外，还可以在驱动器内部用四个参数设置四种内部速度。通过驱动器的两个开关输入信号的四种状态组合选择其中一种。驱动器可由内部参数PR52对外部速度指令进行零漂调
45、整。本文中的运动控制器就是采用速度控制方式对伺服驱动器进行控制的。2223转矩控制模式（PR022）通过外加10V10V的电压，即可控制电机的转矩，与速度控制相似。电机的额定转矩和输入电压之间呈线性关系，直线斜率可用驱动器内部参数设置。伺服电机工作在转矩控制模式时，应限制其最大转速，以免驱动器产生过速报警。223伺服电机的PID调节方案图22是运动控制器采用的PID调节原理框图，虚线框中的速度调节器和电流调节器的功能由电机驱动器完成。电流环用来提高系统的动态响应指标，增强系统抗干扰能力。速度环用于根据指令速度调节伺服电机的实际转速，在PANASONIC伺服电机中，参数PR11和PR12分别设置
46、其速度环增益和积分时间常数、位置环包括位置PID调节和速度、加速度前馈，由运动控制器底层程序完成，可根据位置偏差调节电机的指令速度，实现精确定位、回零等；输出饱和控制主要在软件中实现，可保证输出电压不会超过设定范围；静差补偿则可以消除由于放大器的零点漂移带来的偏差。速度环和电流环分别在速度控制模式12和转矩控制模式下发挥作用，因此在运动控制器采用的速度控制模式中，主要由速度环和位置环构成双闭环。设NU为D/A转换器的指令速度输出值，NE为第N个采样时刻的位置偏差，NETTPARG为第N个采样时刻的指令位置，NACTUALP为第N个采样时刻实际位置，NNE为第N个采样时刻累积误差值，ETTVAR
47、G为当前目标速度，ETTACCARG表示当前目标加速度，B表示电机静差补偿，则NACTUALNETTNPPEARG（21）BKACCKVEKKEEKEUAFFETTVFFETTNNIDNNPNNARGARG1256（22）其中，AFFVFFDIPKKKKK,分别表示比例增益、积分增益、微分增益、速度前馈增益和加速度前馈增益。控制作用的强弱取决于比例增益，它相当于系统的刚度，比例增益越大，调节速度越快，但会增加系统的超调。积分调节的作用是消除系统输出的静差，但会降低系统响应速度，增加系统输出的超调。微分调节的作用是阻止偏差的变化，偏差变化越快，微分调节器的输出也越大，因此微分作用的加入将有助于减
48、小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。速度前馈和加速度前馈可以提高系统的跟踪性能，减小跟随误差。图23是用在有前馈和无前馈的情况下用MATLAB进行的圆弧插补跟随误差比较。可以看出，在无前馈的情况下，电机跟随误差从开始的63个脉冲在0137秒后上升到114个脉冲，随后作类似余弦曲线的变化。引入前馈后，跟随误差从开始的63图22PID调节原理框图FIG22FUNCTIONALBLOCKDIAGRAMFORPIDMODULATION13个脉冲迅速上升到109个脉冲，然后逐渐下降，在大约02秒后稳定在2个脉冲之间。速度和加速度前馈的引入大大减小了系统的跟随误差。编码器可以把机械转角变成电脉冲，主要分为光
49、电式、接触式和电磁感应式。数控系统中主要使用体积小、精度高、工作稳定可靠的光电脉冲编码器。光电脉冲编码器分为增量式脉冲编码器和绝对式脉冲编码器。绝对式脉冲编码器结构复杂、价格昂贵，实际应用中，增量式脉冲编码器应用更为广泛。增量式脉冲编码器一般产生A、A、B、B、C、C、三对差分信号，差分信号处理电路可以将三对信号进行整形、放大转变成A、B、C三相信号。每转产生一个C相（INDEX）脉冲，用来产生机床的基准点。通常，数控机床的机械原点与各轴的脉冲编码器发C脉冲的位置是一致的，通过HOMEINDEX回零实现。A相和B相信号则由两组近似正弦波、相差为90的信号转变成两组相差为90的正交编码脉冲，相角超前与滞后对应电机的转向，频率对应电机的转速，脉冲数对应电机的角位移。正交编码脉冲由4倍频电路产生4倍频脉冲信号，再通过增减计数器对4倍频脉冲信号进行计数，可以方便得获取电机的实际位置。同时，通过M/T测速法，根据在一个伺服周期TS内电机转过的脉冲数NPULSE可以计算得到电机的转速。如对于一个2500PULSE/R的增量编码器的伺服电机，其速度VRPM计算方法为图23跟随误差比较FIG23COMPARISONOFFOLLOWINGERROR14RPM4250060TNV
