夏曉俊

（廣東省機(jī)械技師學(xué)院，廣東廣州 510450）

0 前言

運(yùn)動(dòng)控制器在軌跡控制當(dāng)中具有定位精度高的優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)控機(jī)床、激光加工、機(jī)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(shí)時(shí)性要求，同時(shí)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(yùn)動(dòng)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(jì)算方面，因此特別適合用于本運(yùn)動(dòng)控制器軌跡規(guī)劃運(yùn)算及伺服控制運(yùn)算。

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

本運(yùn)動(dòng)控制器總體框圖設(shè)計(jì)如圖1 所示，各個(gè)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(bǔ)功能運(yùn)算；D/A轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，傳送給伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)；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(jī)進(jìn)行通訊。

圖1 運(yùn)動(dòng)控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案[4-5]

本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖2 所示。晶振復(fù)位電路，給DSP 提供工作時(shí)鐘信號(hào)，電源監(jiān)控芯片SP708S負(fù)責(zé)給DSP芯片提供復(fù)位信號(hào)，以提高系統(tǒng)的可靠性。光電耦合電路用來隔離運(yùn)動(dòng)控制器與外部的強(qiáng)電信號(hào)，對(duì)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)進(jìn)行抗干擾處理，提高系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性。運(yùn)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案[6-7]

軟件設(shè)計(jì)主要由位置控制程序、串行通信程序、插補(bǔ)程序以及D/A 轉(zhuǎn)換程序等模塊設(shè)計(jì)組成。軟件設(shè)計(jì)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(jìn)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(shí)時(shí)控制運(yùn)動(dòng)軌跡，利用全局變量和系統(tǒng)工作狀態(tài)的跳變進(jìn)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(bǔ)和三次B 樣條曲線插補(bǔ)迭代運(yùn)算之前的插補(bǔ)準(zhǔn)備計(jì)算工作，完成S 曲線的加減速運(yùn)算。加減速運(yùn)動(dòng)控制程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)指令進(jìn)給速度進(jìn)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?zhàn)鴺?biāo)軸位置實(shí)時(shí)采樣信號(hào)，并與插補(bǔ)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(duì)誤差進(jìn)行計(jì)算處理，得到的進(jìn)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(dòng)器，驅(qū)動(dòng)各軸伺服電機(jī)運(yùn)行。

4 PI控制算法設(shè)計(jì)[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(shí)刻的實(shí)時(shí)值計(jì)算控制量，因此可以選用一系列采樣時(shí)刻點(diǎn)K表示連續(xù)的時(shí)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(shí)刻PI 調(diào)節(jié)器的實(shí)時(shí)輸出值，e（i）表示第i 次采樣時(shí)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(jì)算過程中每次都要對(duì)進(jìn)行累加，因此容易產(chǎn)生積分飽和的情況，導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置發(fā)生大幅度變化，造成控制對(duì)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(jī)構(gòu)的增量，每次計(jì)算與前次的計(jì)算結(jié)果u（k-1）相減得到本次的控制輸出，計(jì)算錯(cuò)誤時(shí)產(chǎn)生的影響較小，穩(wěn)定性得到提高。

5 結(jié)束語

該運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)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(qiáng)等技術(shù)指標(biāo)特點(diǎn)，可以達(dá)到工業(yè)自動(dòng)化控制的技術(shù)指標(biāo)要求。

［1］謝萬德.基于DSP的多軸運(yùn)動(dòng)控制器的研究［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，2002.

［2］熊權(quán)洪.基于CAN總線的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)與研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

［3］劉松國，朱世強(qiáng)，王會(huì)方.多軸運(yùn)動(dòng)控制器研制及其在機(jī)械手上的應(yīng)用［J］.機(jī)電工程，2011 （5）：556-559.

［4］扈宏杰.DSP 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［5］譚建成.運(yùn)動(dòng)控制專用集成電路及應(yīng)用［J］.微電機(jī)，1994（1）：19-25，47.

［6］王潞剛，陳林康，曾岳南，等.DSP C2000 程序員高手進(jìn)階［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［7］張崇巍.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2002.