南京信息工程大学

南京信息工程大学 DSP课程论文 课题:基于TMS320F2812 多轴运动控制系统 姓名: 徐旭 学号: 20132305046 专业: 滨江学院电子信息工程 指导老师:周欣 二 O一 六 五 月 二 十 九 日 目 录 摘要…………………………………………………………………….2 关键词………………………………………………………………….2 1控制系统结构总体设计…………………………………………….3 2基于TMS320F2812运动控制器电路设计………………………….3 2.1 TMS320F2812 最小系统……………………………………..4. 2.2 CAN 通讯电路………………………………………………..4 2.3数据存储电路…………………………………………………5 2.4手操器按键处理电路………………………………………..5 2.5控制电路……………………………………………………..6 2.6脉冲发生器电路……………………………………………..6 2.7液晶控制电路………………………………………………..7 3多轴运动控制系统软件设计………………………………………7 4实验结果与分析…………………………………………………..8 5结束语………………………………………………………………9 参考文献……………………………………………………………..9 致谢………………………………………………………………….10 1 基于TMS320F2812 多轴运动控制系统 徐旭 南京信息工程大学滨江学院，江苏 南京 210044 摘要:针对开放式多轴运动控制系统的发展趋势及要求,提出了一种以 TMS320F2812 为 核心,CAN 总线为通信标准的分布式控制结构,详细介绍了系统的功能,硬件设计和软件结 构图,该控制系统具有开放性,实时性和模块化等优点,并可应用于切割机器人中,在运行 过程中,控制系统运行良好,达到了设计目标,具有广阔的应用前景, TMS320F2812,位置控制,CAN 总线 关键词:多轴运动控制, Abstract:Abstract: The multi-axis motion control system requires the development trend and open, we propose Distributed control frame work, which requires TMS320F2812 as the core, CAN bus communication standard .System Features, hardware design and software architecture diagram is unique to her parents control system Open, real-time and modular, and has been applied in cutting Robot. Operational control system It shows a process control system is fully implemented and achieve the design goal, and it has a good prospect. Keywords: multi-axis motion control; TMS320F2812; position control; CAN bus 2 , 控制系统结构总体设计 基于 DSP 的多轴运动控制系统采用分布式控制结构，整个控制系统分上位机和下位机2 大部分，上位机和下位机通过 CAN 总线进行数据传输(应用于切割机器人的多轴运动控制系统总体结构图如图1 所示. 上位机中硬件主要包括2 个部分: 工业级PC104 和CAN卡(PC 机选用盛博科技的PC104 计算机，CAN 卡选用周立功公司的PC104CAN，主要完成路径和人机交互任务功能( 下位机DSP 多轴运动控制器以模块化方式扩展数据存储、按键处理、脉冲发生器、I/O 开关量、液晶显示等功能，形成功能完整的控制系统(在这种方式中，DSP 多轴运动控制器独立实现所有电机的同步运动和管理功能( 图, 多轴运动控制系统总体结构图 2 基于TMS320F2812运动控制器电路设计 根据系统的控制要求，,,, 多轴运动控制器具有以下一些主要功能: (1) 控制器负责各个模块的运行管理、状态反馈等( (2) CAN 通讯模块负责上下位机信息通讯，节点间命令传送、数据传送等, 3 (3) 数据存储模块负责记录上位机下发给各个节点的数据表，并在自动运行时，按照一定顺 序读出数据表，根据命令进行执行( 供给电机驱动器( (4) 脉冲发生器模块负责脉冲输出，并将脉冲信号进行放大、驱动处理，(5) 手操器按键处理模块负责对远处手操器的信息进行辨别，并启动响应处理程序( (6) 液晶控制模块负责系统运行状态显示( (7) 检测信号处理模块负责检测各轴运动的极限位置，并进行报警，或者检测各轴运动特定位置信息，进行处理( 由图2 多轴运动控制器的原理框图可知，整个多轴运动控制器主要由TMS320F2812 最小系统模块、CAN通讯模块、数据存储模块、手操器按键处理模块、逻辑控制模块、脉冲发生器模块和液晶控制模块等组成(以下简单介绍各个模块的电路设计. 2.1 TMS320F2812 最小系统 系统采用TI 公司32 位定点TMS320F2812DSP作为运动控制器的核心处器(TMS320F2812 具有足够的FLASH 程序存储器容量，高速运算速度，充足的I/O 接口，丰富的RAM 存储空间，片内ADC 以及CAN总线控制器等电源电路、时钟电路、复位电路和扩展RAM、电路构成了DSP 的最小系统(TMS320F2812 内核电压为1.8V，I/O 电压为3.3.V ，供电电源采 公司的专用电源芯片TPS70151(时钟电路采用30MHZ晶振，经内部锁相环5 倍用选择,， 频后给,,, 提供时钟，使,,, 工作频率为150MHZ(DSP 正常工作时，不会产生复位信号，如果出现死机现象，则看门狗电路产生复位信号，DSP 被复位(为了与TMS320F2812的I/O工作电压相匹配，片外扩展存储器选用了ISSI 公司3.3V 供电的FLASHMEMORY ，IS61LV51216, 图, 多轴运动控制器原理框图 2.2 CAN 通讯电路 CAN 总线是一种串行数据通讯，通讯速率可达1Mb/S，采用光导纤维作为通讯介质， 保证了通讯的速率与可靠性(在整个多轴运动控制系统中，PC 机主控节点负责与控制器节 4 点通讯，对控制器进行管理(TMS320F2812的eCAN模块集成了CAN 控制器，提供了完整 的CAN 协议，减少了CPU 的开销，因此只需要外置收发装置即可(这里采用PHILIP 公司 作为收发器，PCA82C250 是CAN 协议控制器和物理总线的接口，此器件对的PCA82C250 CAN 总线提供差分发送能力，对CAN 控制器提供差分接收能力(收发器采用5V 供电，在收发器和TMS320F2812 之间加高速隔离6N137 芯片以实现电平转换，并使TMS320F2812 和CAN 总线隔离，达到保护DSP 芯片的作用 ( 2.3 数据存储电路 对于机器人系统，要求存储的数据包括各运动轴程控运行时在每时刻的脉冲速度和脉冲步长数以及切割运行理论数据等(考虑到数据份数较多，因此选用了,,,,, 公司的AT45DB161D (AT 45DB161D 支持 RapidS 串行接口，满足于需要非常高速的应用场合(存储容量为17 301 504bits，分为4096 页，每一个逻辑页包含512 或者528 BYTES(除了主存储器，AT45DB161D 还包含2 块SRAM 缓冲区，每一块缓冲区包含512/528BYTES(系统编程中，通过片选引脚CS使能，通过1 个三线接口来访问，包括串行输入SI，串行输出SO 和串行时钟SCK(DSP 操作存储器只需要使用3个I/O来模拟相应的SPI 时序即可( 2.4 手操器按键处理电路 为了方便操作，控制系统配有遥控装置，用于微调、点动以及实时的现场干预操作等(由于 个，如果直接使用DSP 上的I/O 口模拟键盘会占用DSP 的大量外设设计的按键数多达38 资源，影响系统其他功能(因此选用了比高公司的HD7279 芯片( 图, 键盘接口电路图 HD7279芯片是一种通用的可编程、键盘显示接口芯片(键盘部分提供的扫描方式，可以和具有64个触点的键盘或者传感器相连， 对键盘不断扫描，自动消抖，自动识别按键，给出编码，并向微处理器申请中断(按键接口电路如图3 所示，HD7279 采用串行方式与TMS320F2812进行通讯，数据从DATA引脚送入芯片，并有CLK同步(当片选信号CS低电平后，CLK的上升沿时，DATA数据被写入HD727寄存器./KEY为高电平，当检测到有效按键时此引脚会变为低电平( 2.5 控制电路 本系统采用了Altera公司的MAXII 系列LDEPM7064AE(EPM7064AE 供电电压为3.3V，带有一个标准的JTAG接口，对CPLD 内部资源的配置可通过此JTAG 口进行，配置代码下载采用了并口的BYTEBLASTERII 电缆(系统设计对CPLD的需求主要来自于2 个方面:DSP 片外地址扩展区域逻辑译码、系统I/O 功能扩展以及其他扩展备用功能(CPLD 逻辑主要实现了以下功能芯片的逻辑译码:包括4 片定时器,计数器芯片82C54，存储器芯片和液晶显示的片选译码(系统中采用将TMS320F2812的XA 10 ,XA18地址线ZXCS2参与译码. 图, 脉冲发生电路图 2.6 脉冲发生器电路 脉冲发生电路的目的是精确地控制伺服电机和步进电机(考虑到系统设计的稳定性、可靠性等要求，本系统中的脉冲控制采用三菱公司的82C54 芯片做脉冲发生器，同时采用SN7407 作为驱动芯片(单路脉冲控制需要使用一片82C54 的2 个通道，分别工作在波特率发生器工作方式0 和计数结束产生中断工作方式3两个通道串联(脉冲发生电路如图, 所示，脉冲从计数器0(工作方式0)的CPx 引脚发出，经过处理后送给电机驱动器，同时还将脉冲送到计数器1(工作方式3)的CLKx 引脚，当所发送的一份的脉冲发完时，INTx 引脚变高电平，DSP检测到这个跳变便认为运动轴运动到预计位置，然后进行下一步操作(同时82C54 具 有锁存功能，在四轴的联动时，可以及时地反读当前的脉冲发送状态，使系统可以及时地调整脉冲发送速度，进而改变运动状态，使运动部分按设计轨迹运动( 6 2.7 液晶控制电路 液晶屏选用北京青云创新科技发展有限公司的LCM320240，集显示、控制驱动于一体的显示器件，接口简单(同时具有功耗低、寿命长、可编程驱动且能提供丰富的显示内容等优点，被广泛应用于各种智能仪器中(液晶控制电路非常简单，TMS320F2812通过SN74ALVC164254 电平转换芯片直接与液晶屏电路板连接(DSP 与液晶屏接口方式为直接控制方式，液晶屏电路直接挂在系统总线上(通过液晶屏来实时显示系统状态，程序中采用自建字库来实现显示汉字和数字( 3 多轴运动控制系统软件设计 在基于TMS320F2812 多轴运动控制系统的软件设计中，采用开放性体系结构，以模块化、层次化的结构，通过各种形式向用户提供应用程序接口，使系统具有可扩展性、可移植性和互操作性等特点，为多种控制系统的快速加载提供良好的接口平台[1](多轴运动控制系统的软件结构图如图5 所示( 图, 多轴运动控制系统的软件结构图 系统软件设计包括2 部分: (1)上位机软件设计主要包括人机接口、任务调度、界面管理、插补运算、CAN 通讯、系统状态显示、机器人姿态或步态规划等方面((2)下位机DSP 多轴运动控制器中程序的设计 主要包括:控制主程序、位置控制、CAN 通讯、手操器控制、液晶显示控制、信号检测等方面(系统中采用二次插补算法实现对多轴同步的控制(插补分粗插补和精插补2 部份 .[2]上位机在保证一定精度范围内计算出一段直线或圆弧的一系列中间点的坐标值，并逐次得到 每一次各轴需运动的步数及方向，完成粗插补运算;再由多轴运动控制器完成四轴的精插补，精插补采用实时控制，大大提高了系统运作的实时性和可靠性(同时，为了保证在系统起动或停止时不产生冲击、失步、超程或振荡，在多轴运动控制器程序中内嵌了加减速控制算法, , 试验结果与分析 研制的,,, 型切割机器人采用文中设计的多轴运动控制系统(切割机器人为四轴运动控 个电机均采用北京斯达特的步进电机(切制系统:旋转轴、高度轴、半径轴、枪摆轴(系统中4 割实验选取加工参数为:外径4000 ,,、内径3920 ,,、开孔直径200 ,,、偏心距1500 ,,、留根位置25 ,,(一般规定直径100,, 以上的孔，切割精度为?0.5 ,,(切割完成后选取36 个点进行高度和半径测量，与理论值比较计算绝对误差值(结果如图6 所示，最大绝对误差小于0.5 ,,，满足精度要求(机械误差、火焰烽线的变化等原因都会给切割造成了一定的误差(实际切割成品如图, 所示，可见满足表面光滑度和接口吻合度的要求( 图, 上坡口高度和半径方向误差结果图 图, 切割成品图 5 结束语 实验结果表明，在整个切割运动中，各轴运动满足要求(系统运动具有较高的准确性，可靠性和实时性等特点(XKK 切割机器人的研究解决了切割小直径立体投影圆孔的技术难题，制造的XKK切割机器人已经成功应用于我国的船舶建造中, 参考文献 [1]帅梅，杨向东，陈恳(基于,,, 多轴运动控制系统的研究实现,J,(制造业自动化， 2005,27 (6): 34-37( [2] 党钊，黄大贵，张军， 等(基于智能运动控制器的开放式多轴联动数控系统,J,(机械，2001， 28(4): 57-59( 9 致谢 本人由衷感谢我的指导老师周欣老师,周老师在理论上和实际操作上的细心指导,使我在学习中和设计中提高了我的知识水平和理论水平,同时增长了我的设计经验。周老师严谨的工作作风和治学态度,使我受益匪浅。 10 书中横卧着整个过去的灵魂——卡莱尔 人的影响短暂而微弱，书的影响则广泛而深远——普希金 人离开了书，如同离开空气一样不能生活——科洛廖夫 书不仅是生活，而且是现在、过去和未来文化生活的源泉 ——库法耶夫 书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者———史美尔斯 书籍便是这种改造灵魂的工具。人类所需要的，是富有启发性的养料。而阅读，则正是这种养料———雨果