基于DSP的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了滿足CNC齒輪測(cè)量中心的測(cè)量精要求，針對(duì)定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)TMS320LF2407A的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種以DSP運(yùn)動(dòng)控制為核心的運(yùn)動(dòng)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(duì)傳感器電壓值進(jìn)行采樣，由DSP控制給出指令，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了位置控制，測(cè)量精度大大提高。并給出系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際情況，給出CAMAC接口電路設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：CNC；DSP；硬件組成；CAMAC；TMS320LF2407A

    隨著工業(yè)中對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的速度和精度要求越來越高，一般運(yùn)動(dòng)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(jī)控制系統(tǒng)中，大多采用單片機(jī)控制，由于單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的指令系統(tǒng)存在運(yùn)算速度較慢，處理能力有限等問題。因此，單片機(jī)不能滿足那些實(shí)時(shí)性和精度要求較高的控制場(chǎng)合。結(jié)合CNC齒輪測(cè)量中心，這里提出一種基于DSP的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以TMS320LF2407A型DSP為控制核心，采用“PC+CPLD+DSP”方案，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的位置控制。

1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成
    圖l為基于CNC齒輪測(cè)量中心的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)原理框圖，它主要由CAMAC接口電路、信號(hào)采集、DSP外圍電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等4部分組成。

    上位機(jī)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(hào)反應(yīng)測(cè)頭與被測(cè)工件之間的位置偏差，該模擬信號(hào)經(jīng)幅值變換電路后，作為控制信號(hào)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(dòng)放大電路送給步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。從而該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠精確測(cè)量被測(cè)工件。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 DSP器件
    選用的TMS320LF2407A型定點(diǎn)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(dá)32 K字的Flash程序存儲(chǔ)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(dá)40 MI／s，提高控制器的實(shí)時(shí)控制能力。TMS3-20LF2407A具有2個(gè)時(shí)間管理模塊EVA和EVB，每個(gè)事件管理器有2個(gè)16位通用定時(shí)器，8個(gè)16位脈寬調(diào)制(PWM)輸出通道。該模塊可實(shí)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(shí)間為375 ns，提供多達(dá)16路的模擬輸入，具有自動(dòng)排序功能，1個(gè)TMS320LF2407A控制器可控制多個(gè)電機(jī)。

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2．2 幅值變換電路
    在基于TMS320LF2407A的CNC齒輪測(cè)量中心的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，A／D轉(zhuǎn)換器采集的信號(hào)是傳感器的電壓信號(hào)。傳感器輸出信號(hào)的范圍為0～10 V，但TMS320LF2407A的A／D轉(zhuǎn)換模塊接收模擬信號(hào)為0～3．3 V的電壓信號(hào)，為此，需對(duì)輸入A／D轉(zhuǎn)換器模塊的傳感器信號(hào)進(jìn)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(hào)，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(hào)；ACDI-N01為經(jīng)過調(diào)理后輸出的0～3．3 V電壓信號(hào)(其中ACDIN01與DSP的ACDIN0l相連)。

2．3 JTAG邊界接口電路
    在對(duì)DSP系統(tǒng)硬件仿真時(shí)，通過JTAG邊界掃描接口在線監(jiān)控DSP內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)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(jìn)行硬件仿真。JTAG是一個(gè)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(hào)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(hào)上升時(shí)間小于10 μS。

2．4 CAMAC接口電路
    目前普遍采用微型或小型計(jì)算機(jī)及CPLD等作為CAMAC系統(tǒng)的控制元件，對(duì)于CAMAC，它是以儀器和接口為中心的系統(tǒng)組合，計(jì)算機(jī)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(hào)的計(jì)算機(jī)時(shí)，只需更換相應(yīng)的接口即可，大大減少系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)型號(hào)的依賴性和接口總數(shù)，使CAMAC測(cè)控系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)與各種新型計(jì)算機(jī)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(hào)，并產(chǎn)生與總線相適應(yīng)的輸出。CAMAC命令在CPLD中進(jìn)行設(shè)計(jì)完成，不同的N，A，F(xiàn)信號(hào)組合成不同的CAMAC命令，當(dāng)使用已設(shè)計(jì)的CAMAC指令時(shí)便在相應(yīng)的輸出端產(chǎn)生高電平輸出。此信號(hào)就可用于控制信號(hào)，CAMAC接口仿真如圖4所示，從仿真圖中看出，設(shè)計(jì)完成的CAMAC指令正確。

3 結(jié)束語(yǔ)
    本系統(tǒng)為CNC齒輪測(cè)量中的運(yùn)動(dòng)控制構(gòu)造一個(gè)硬件平臺(tái)，將基于DSP的硬件平臺(tái)應(yīng)用到CNC齒輪測(cè)量中心，通過DSP內(nèi)部的控制算法提高齒輪測(cè)量中心的測(cè)量精度。DSP編寫軟件程序后，通過該平臺(tái)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到對(duì)位置精確控制的目的。高性能的TMS320LF2407A器件實(shí)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(shí)時(shí)性和精度要求較高的場(chǎng)合具有廣闊的應(yīng)用前景。