基于DSP的運動控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為了滿足CNC齒輪測量中心的測量精要求，針對定點數(shù)字信號處理器(DSP)TMS320LF2407A的特點，設(shè)計一種以DSP運動控制為核心的運動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過DSP內(nèi)部集成的A／D轉(zhuǎn)換模塊對傳感器電壓值進行采樣，由DSP控制給出指令，驅(qū)動電機運動，實現(xiàn)了位置控制，測量精度大大提高。并給出系統(tǒng)硬件電路設(shè)計。根據(jù)實際情況，給出CAMAC接口電路設(shè)計。
關(guān)鍵詞：CNC；DSP；硬件組成；CAMAC；TMS320LF2407A

    隨著工業(yè)中對運動控制的速度和精度要求越來越高，一般運動控制系統(tǒng)難以取得滿意的控制效果。當(dāng)前的數(shù)字電機控制系統(tǒng)中，大多采用單片機控制，由于單片機的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的指令系統(tǒng)存在運算速度較慢，處理能力有限等問題。因此，單片機不能滿足那些實時性和精度要求較高的控制場合。結(jié)合CNC齒輪測量中心，這里提出一種基于DSP的運動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計是以TMS320LF2407A型DSP為控制核心，采用“PC+CPLD+DSP”方案，實現(xiàn)電機的位置控制。

1 運動控制系統(tǒng)組成
    圖l為基于CNC齒輪測量中心的運動控制系統(tǒng)原理框圖，它主要由CAMAC接口電路、信號采集、DSP外圍電路和電機驅(qū)動等4部分組成。

    上位機發(fā)送指令給以TMS320LF2407A型DSP為核心的控制系統(tǒng)，DSP以中斷方式接收控制指令和參數(shù)，傳感器信號反應(yīng)測頭與被測工件之間的位置偏差，該模擬信號經(jīng)幅值變換電路后，作為控制信號送至DSP的A／D轉(zhuǎn)換器。經(jīng)片內(nèi)控制器處理后，輸出所接收到的控制指令和參數(shù)，經(jīng)脈沖發(fā)生器和驅(qū)動放大電路送給步進電機，驅(qū)動電機執(zhí)行相應(yīng)動作。從而該運動控制系統(tǒng)能夠精確測量被測工件。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
2．1 DSP器件
    選用的TMS320LF2407A型定點DSP，采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，供電電壓為3．3 V，使得控制器功耗降低。片內(nèi)集成有高達32 K字的Flash程序存儲器，1．5 K字的數(shù)據(jù)／程序RAM，544字的雙口RAM和2 K字的單口RAM。執(zhí)行速度高達40 MI／s，提高控制器的實時控制能力。TMS3-20LF2407A具有2個時間管理模塊EVA和EVB，每個事件管理器有2個16位通用定時器，8個16位脈寬調(diào)制(PWM)輸出通道。該模塊可實現(xiàn)同步A／D轉(zhuǎn)換功能，高性能10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為375 ns，提供多達16路的模擬輸入，具有自動排序功能，1個TMS320LF2407A控制器可控制多個電機。

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2．2 幅值變換電路
    在基于TMS320LF2407A的CNC齒輪測量中心的運動控制系統(tǒng)中，A／D轉(zhuǎn)換器采集的信號是傳感器的電壓信號。傳感器輸出信號的范圍為0～10 V，但TMS320LF2407A的A／D轉(zhuǎn)換模塊接收模擬信號為0～3．3 V的電壓信號，為此，需對輸入A／D轉(zhuǎn)換器模塊的傳感器信號進行調(diào)理，轉(zhuǎn)換成適合A／D轉(zhuǎn)換模塊0～3．3 V的電壓信號，提供給DSP采樣。圖2為幅值轉(zhuǎn)換電路。VIN為傳感器輸出經(jīng)調(diào)理的O～10 V的電壓信號；ACDI-N01為經(jīng)過調(diào)理后輸出的0～3．3 V電壓信號(其中ACDIN01與DSP的ACDIN0l相連)。

2．3 JTAG邊界接口電路
    在對DSP系統(tǒng)硬件仿真時，通過JTAG邊界掃描接口在線監(jiān)控DSP內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器和控制寄存器，能在TMS320LF2407A的開發(fā)環(huán)境CCS中下載程序到DSP器件中并進行硬件仿真。JTAG是一個14針的接口，與TI公司的仿真器相連。JTAG接口與TMS320LF2407A的連接如圖3所示。其中EMU0和EMUl信號通過推薦的阻值為4．7 kΩ和10 kΩ的上拉電阻連接到3．3 V的電源，這樣可保證信號上升時間小于10 μS。

2．4 CAMAC接口電路
    目前普遍采用微型或小型計算機及CPLD等作為CAMAC系統(tǒng)的控制元件，對于CAMAC，它是以儀器和接口為中心的系統(tǒng)組合，計算機和系統(tǒng)中的儀器設(shè)備都是通過接口掛在CAMAC總線上。它們之間無直接接口關(guān)系，當(dāng)改換不同型號的計算機時，只需更換相應(yīng)的接口即可，大大減少系統(tǒng)對計算機型號的依賴性和接口總數(shù)，使CAMAC測控系統(tǒng)易于實現(xiàn)與各種新型計算機的連接。
    CAMAC接口電路完成邏輯極性轉(zhuǎn)換、接收總線信息，將N，A，F(xiàn)命令全譯碼，生成Q、L、X信號，并產(chǎn)生與總線相適應(yīng)的輸出。CAMAC命令在CPLD中進行設(shè)計完成，不同的N，A，F(xiàn)信號組合成不同的CAMAC命令，當(dāng)使用已設(shè)計的CAMAC指令時便在相應(yīng)的輸出端產(chǎn)生高電平輸出。此信號就可用于控制信號，CAMAC接口仿真如圖4所示，從仿真圖中看出，設(shè)計完成的CAMAC指令正確。

3 結(jié)束語
    本系統(tǒng)為CNC齒輪測量中的運動控制構(gòu)造一個硬件平臺，將基于DSP的硬件平臺應(yīng)用到CNC齒輪測量中心，通過DSP內(nèi)部的控制算法提高齒輪測量中心的測量精度。DSP編寫軟件程序后，通過該平臺控制步進電機的運動，最終達到對位置精確控制的目的。高性能的TMS320LF2407A器件實現(xiàn)控制系統(tǒng)中的復(fù)雜控制算法，大大提高控制系統(tǒng)的控制精度，在實時性和精度要求較高的場合具有廣闊的應(yīng)用前景。