基于MCU+DSP的運(yùn)動(dòng)控制硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

　　引言

　　開放式控制器體系結(jié)構(gòu)源于“開放式”的PC(個(gè)人計(jì)算機(jī)) 技術(shù), 目前的開放式運(yùn)動(dòng)控制器多為PC+運(yùn)動(dòng)控制卡結(jié)構(gòu), 隨著MCU(微控制器) 和DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)性能的增強(qiáng), MUC和DSP取代PC的趨勢(shì)日趨明顯, 而這種嵌入式的緊湊結(jié)構(gòu)較PC有更廣泛的環(huán)境適應(yīng)性。MCU、DSP和PC差異較大, PC環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)不可能直接向MCU和DSP系統(tǒng)中轉(zhuǎn)移, 基于MCU和DSP硬件平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的研究十分必要。

　　設(shè)計(jì)目標(biāo)與需求分析

　　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展方向

　　在開放式控制器技術(shù)的推動(dòng)下, 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由傳統(tǒng)的封閉式結(jié)構(gòu)朝著開放、可重構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。按照《開放式數(shù)控系統(tǒng)第1 部分: 總則》(GB/T18759.1- 2002) 的定義, 開放式數(shù)控系統(tǒng)有三個(gè)層次的開放, 第一層, 系統(tǒng)功能可配置, 人機(jī)界面、伺服驅(qū)動(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)控制接口、邏輯控制單元接口均開放; 第二層, 系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和應(yīng)用軟件接口開放, 第三方的應(yīng)用軟件能在系統(tǒng)中安裝運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)互操作性, 且第三方的軟件模塊可以在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變的情況下對(duì)本系統(tǒng)軟件模塊置換和擴(kuò)展; 第三層

　　在MCU 和DSP 環(huán)境中運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的研究課題

　　和PC相比, MCU和DSP采用了哈佛結(jié)構(gòu), 流水線技術(shù), 超長(zhǎng)指令字, 加乘器等提高CPU速度, 并在片上擴(kuò)展了控制用前向和后向通道外設(shè)及通信接口, 在這種環(huán)境下, 實(shí)現(xiàn)開放、可重構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制功能, 下列研究是必要的:

　?、袤w系結(jié)構(gòu)的研究, 以多CPU方式實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制;

　　②嵌入式系統(tǒng)中實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的研究, 解決MCU和DSP控制器系統(tǒng)軟件問題;

　?、跰CU和DSP環(huán)境中運(yùn)動(dòng)控制算法的研究, 解決少資源情況下, 復(fù)雜控制算法的實(shí)現(xiàn)問題;

　?、苘浖K管理與剪裁技術(shù)的研究, 解決通用技術(shù)方案的應(yīng)用針對(duì)性問題;

　?、菥W(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的研究:解決伺服通信網(wǎng)、邏輯控制網(wǎng)和信息網(wǎng)通信問題。

　　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)與結(jié)構(gòu)要求

　　基于MCU和DSP的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)研究硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為上述研究課題提供硬件系統(tǒng)環(huán)境, 以MCU或DSP為核心的商品化運(yùn)動(dòng)控制器并不少見,但它們只對(duì)用戶提供運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫(kù)的接口, 并不是完全意義上的開放, 必須開發(fā)運(yùn)動(dòng)控制器的硬件研究平臺(tái), 并滿足下列要求:

　?、兕愋团c結(jié)構(gòu)化模式要求:CPU選型應(yīng)是主流的MCU和DSP芯片,結(jié)構(gòu)體系采用單CPU,雙CPU流水線模式和層次化結(jié)構(gòu), CPU可以獨(dú)立工作, 可以組成流水線模式工作。也可以采用兩層結(jié)構(gòu),上下層分別處理不同實(shí)時(shí)要求的任務(wù)。

　?、陂_放性要求:各CPU單元配置計(jì)算機(jī)通信接口, 如RS232、PCI、CAN、USB 等, 可以方便地實(shí)現(xiàn)硬件互聯(lián)。

　?、劬W(wǎng)絡(luò)化要求:配有伺服單元接口、現(xiàn)場(chǎng)總線接口和以太網(wǎng)接口。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示:

　　控制器聯(lián)通人機(jī)界面和三種網(wǎng)絡(luò)。控制器與人機(jī)界面的聯(lián)接多采用開放的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線ModBus 等;控制器通過以太網(wǎng)接口與Internet/Intranet聯(lián)接, 實(shí)現(xiàn)與管理信息系統(tǒng)的交互;控制器多通過現(xiàn)場(chǎng)總線如CAN、ModBus和RS485等與網(wǎng)絡(luò)化的PLC工作站通信, 處理控制對(duì)象的大量I/O;控制器和高速伺服網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接, 傳送伺服放大器的控制信號(hào), 但該方案技術(shù)難度高, 只有少數(shù)企業(yè)采用專用的高速伺服通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了伺服電機(jī)的組網(wǎng), 多數(shù)方案還是采用的規(guī)范化的電機(jī)接口, 一個(gè)伺服電機(jī)的接口如下:

　?、?路脈沖波形輸出, 其間相位差900, 或者其中一路可以作為方向信號(hào)( 高或低) ;

　　②1路AD輸出, 一般為±10V,位數(shù)為12位或16位;

　?、?路增量編碼器脈沖輸入, 一路來自伺服電機(jī),另一路來自執(zhí)行機(jī)構(gòu)終端;

　?、?路數(shù)字信號(hào)輸出, 包括伺服使能、正轉(zhuǎn)限制、反轉(zhuǎn)限制;

　?、?路數(shù)字信號(hào)輸入, 包括伺服準(zhǔn)備好、左極限、右極限和零位信號(hào);

　　上述接口電路也可以聯(lián)接步進(jìn)電機(jī)。運(yùn)動(dòng)控制器的內(nèi)部層次結(jié)構(gòu)如圖2 所示:

　　上層控制器處理復(fù)雜控制算法及弱實(shí)時(shí)任務(wù), 下層控制器處理插補(bǔ)與伺服控制等強(qiáng)實(shí)時(shí)任務(wù)。兩個(gè)DSP構(gòu)成雙DSP流水線模塊, 并行處理復(fù)雜實(shí)時(shí)控制任務(wù)。