基于DSP 的運動控制器研究

夏曉俊

（廣東省機械技師學(xué)院，廣東廣州 510450）

0 前言

運動控制器在軌跡控制當(dāng)中具有定位精度高的優(yōu)點，在數(shù)控機床、激光加工、機器人以及柔性制造系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。它具備較高的實時性要求，同時滿足較多的輸入和輸出接口需求，還能夠完成各種狀態(tài)的監(jiān)測和控制。本文選用TI 公司TMS320F28335 芯片作為本運動控制器的核心處理器，它的優(yōu)勢體現(xiàn)在數(shù)值處理及計算方面，因此特別適合用于本運動控制器軌跡規(guī)劃運算及伺服控制運算。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案[1-3]

本運動控制器總體框圖設(shè)計如圖1 所示，各個主要組成部分具備如下功能：DSP 芯片模塊負(fù)責(zé)PI 控制算法及直線、曲線插補功能運算；D/A轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，傳送給伺服驅(qū)動電機；編碼器反饋處理模塊負(fù)責(zé)測定轉(zhuǎn)速；串口負(fù)責(zé)和上位機進行通訊。

圖1 運動控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案[4-5]

本系統(tǒng)硬件設(shè)計原理圖如圖2 所示。晶振復(fù)位電路，給DSP 提供工作時鐘信號，電源監(jiān)控芯片SP708S負(fù)責(zé)給DSP芯片提供復(fù)位信號，以提高系統(tǒng)的可靠性。光電耦合電路用來隔離運動控制器與外部的強電信號，對輸入信號和輸出信號進行抗干擾處理，提高系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性。運動控制器DSP 通過高速光耦電路通訊，經(jīng)過D/A 芯片MCP4922 輸出電壓，電壓經(jīng)過放大電路后，轉(zhuǎn)換為輸出范圍－10 V～＋10 V 的模擬電壓傳送給伺服驅(qū)動系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計方案[6-7]

軟件設(shè)計主要由位置控制程序、串行通信程序、插補程序以及D/A 轉(zhuǎn)換程序等模塊設(shè)計組成。軟件設(shè)計開發(fā)工具采用德州儀器公司提供的Code Composer Studio3.3 軟件開發(fā)環(huán)境，用C 語言進行程序編寫，主程序流程圖如圖3所示。

主程序通過調(diào)用具備特定功能的子程序來實時控制運動軌跡，利用全局變量和系統(tǒng)工作狀態(tài)的跳變進行選擇執(zhí)行或交換變量信息。各模塊程序?qū)崿F(xiàn)的特定功能為：數(shù)據(jù)預(yù)處理程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采樣、直線圓弧插補和三次B 樣條曲線插補迭代運算之前的插補準(zhǔn)備計算工作，完成S 曲線的加減速運算。加減速運動控制程序?qū)崿F(xiàn)對指令進給速度進行S 曲線加減速處理，保持加工速度平穩(wěn)過渡。增量光電編碼器反饋坐標(biāo)軸位置實時采樣信號，并與插補程序產(chǎn)生的位置增量值比較，算出跟隨誤差。PI 控制算法通過對誤差進行計算處理，得到的進給速度指令經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換成模擬電壓后傳送到伺服驅(qū)動器，驅(qū)動各軸伺服電機運行。

4 PI控制算法設(shè)計[1，7]

PI 調(diào)節(jié)器可以分為位置式控制和增量式控制。DSP 是采用采樣取值控制方式，它根據(jù)采樣時刻的實時值計算控制量，因此可以選用一系列采樣時刻點K表示連續(xù)的時間t，得出離散的位置式PI控制算法表達(dá)式為：

圖3 主程序流程圖

其中i=0，1，2……表示采樣序列，u（i）表示第i 次采樣時刻PI 調(diào)節(jié)器的實時輸出值，e（i）表示第i 次采樣時刻輸入的偏差值，kq為積分系數(shù)，kp為比例系數(shù)。

位置式PI調(diào)節(jié)器計算過程中每次都要對進行累加，因此容易產(chǎn)生積分飽和的情況，導(dǎo)致執(zhí)行機構(gòu)位置發(fā)生大幅度變化，造成控制對象的不穩(wěn)定的。因此采用增量式PI控制算法，根據(jù)（1）式可得：

增量式PI控制的是執(zhí)行機構(gòu)的增量，每次計算與前次的計算結(jié)果u（k-1）相減得到本次的控制輸出，計算錯誤時產(chǎn)生的影響較小，穩(wěn)定性得到提高。

5 結(jié)束語

該運動控制器設(shè)計具備控制接口豐富、集成度高、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強等技術(shù)指標(biāo)特點，可以達(dá)到工業(yè)自動化控制的技術(shù)指標(biāo)要求。

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