基于DSP 的运动控制器研究

夏晓俊

（广东省机械技师学院，广东广州 510450）

0 前言

运动控制器在轨迹控制当中具有定位精度高的优点，在数控机床、激光加工、机器人以及柔性制造系统等领域得到了非常广泛的应用。它具备较高的实时性要求，同时满足较多的输入和输出接口需求，还能够完成各种状态的监测和控制。本文选用TI 公司TMS320F28335 芯片作为本运动控制器的核心处理器，它的优势体现在数值处理及计算方面，因此特别适合用于本运动控制器轨迹规划运算及伺服控制运算。

1 系统的总体结构设计方案[1-3]

本运动控制器总体框图设计如图1 所示，各个主要组成部分具备如下功能：DSP 芯片模块负责PI 控制算法及直线、曲线插补功能运算；D/A转换模块负责把数字信号转换为模拟信号，传送给伺服驱动电机；编码器反馈处理模块负责测定转速；串口负责和上位机进行通讯。

图1 运动控制器硬件结构框图

2 系统的硬件设计方案[4-5]

本系统硬件设计原理图如图2 所示。晶振复位电路，给DSP 提供工作时钟信号，电源监控芯片SP708S负责给DSP芯片提供复位信号，以提高系统的可靠性。光电耦合电路用来隔离运动控制器与外部的强电信号，对输入信号和输出信号进行抗干扰处理，提高系统的抗干扰性和稳定性。运动控制器DSP 通过高速光耦电路通讯，经过D/A 芯片MCP4922 输出电压，电压经过放大电路后，转换为输出范围－10 V～＋10 V 的模拟电压传送给伺服驱动系统。

图2 系统的硬件设计方案

3 系统的软件设计方案[6-7]

软件设计主要由位置控制程序、串行通信程序、插补程序以及D/A 转换程序等模块设计组成。软件设计开发工具采用德州仪器公司提供的Code Composer Studio3.3 软件开发环境，用C 语言进行程序编写，主程序流程图如图3所示。

主程序通过调用具备特定功能的子程序来实时控制运动轨迹，利用全局变量和系统工作状态的跳变进行选择执行或交换变量信息。各模块程序实现的特定功能为：数据预处理程序实现数据采样、直线圆弧插补和三次B 样条曲线插补迭代运算之前的插补准备计算工作，完成S 曲线的加减速运算。加减速运动控制程序实现对指令进给速度进行S 曲线加减速处理，保持加工速度平稳过渡。增量光电编码器反馈坐标轴位置实时采样信号，并与插补程序产生的位置增量值比较，算出跟随误差。PI 控制算法通过对误差进行计算处理，得到的进给速度指令经DAC转换成模拟电压后传送到伺服驱动器，驱动各轴伺服电机运行。

4 PI控制算法设计[1，7]

PI 调节器可以分为位置式控制和增量式控制。DSP 是采用采样取值控制方式，它根据采样时刻的实时值计算控制量，因此可以选用一系列采样时刻点K表示连续的时间t，得出离散的位置式PI控制算法表达式为：

图3 主程序流程图

其中i=0，1，2……表示采样序列，u（i）表示第i 次采样时刻PI 调节器的实时输出值，e（i）表示第i 次采样时刻输入的偏差值，kq为积分系数，kp为比例系数。

位置式PI调节器计算过程中每次都要对进行累加，因此容易产生积分饱和的情况，导致执行机构位置发生大幅度变化，造成控制对象的不稳定的。因此采用增量式PI控制算法，根据（1）式可得：

增量式PI控制的是执行机构的增量，每次计算与前次的计算结果u（k-1）相减得到本次的控制输出，计算错误时产生的影响较小，稳定性得到提高。

5 结束语

该运动控制器设计具备控制接口丰富、集成度高、响应速度快、调速范围宽、稳定性好、抗干扰能力强等技术指标特点，可以达到工业自动化控制的技术指标要求。

［1］谢万德.基于DSP的多轴运动控制器的研究［M］.杭州：浙江大学出版社，2002.

［2］熊权洪.基于CAN总线的独立运动控制器的设计与研究［D］.武汉：武汉理工大学，2007.

［3］刘松国，朱世强，王会方.多轴运动控制器研制及其在机械手上的应用［J］.机电工程，2011 （5）：556-559.

［4］扈宏杰.DSP 控制系统的设计与实现［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［5］谭建成.运动控制专用集成电路及应用［J］.微电机，1994（1）：19-25，47.

［6］王潞刚，陈林康，曾岳南，等.DSP C2000 程序员高手进阶［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［7］张崇巍.运动控制系统［M］.武汉：武汉理工大学出版社，2002.