运动控制器设计初探

摘　要：近几年来，运动控制器泛应用于数控机床，机器人，医疗设备等众多领域，在科技进步的同时，市场需求决定了高性能，低成本运动控制器将具有广阔的发展前景。本文结合控制功能要求，通过单片机与DSP的对比，选择了更具优势的控制系统，具有一定的现实意义。

关键词：运动控制器；设计目标；单片机；DSP
一、运动控制器概念
　　简单的说，运动控制器是通过对由电机驱动的执行机构进行运动控制，以实现预定运动轨迹目标的装置。可以说，只要有伺服电机应用的场合就离不开运动控制器，它以其特有的灵活性和优异的运动轨迹控制能力使许多工业生产设备焕发了生机。
二、运动控制器的设计目标
　　在进行系统设计前，需要先确定整个系统的功能、性能以及日后的可扩展性等问题，然后才能进行硬件和软件设计。我们所说的运动控制器，是负责直接对被控对象，即伺服电机、步进电机、编码器、各种开关的输入输出进行控制的装置，是整个数控系统中的一个核心部件。它的功能集中在运动控制这一方面，不提供人机操作界面，而是接受上位机的控制。在运动控制的功能和性能上，该运动控制器应满足下列要求:
控制器可独立运行，亦可通过串口与上位机连接，通过上位机发送控制命令并监测其运行情况;
尽管控制器可通过直接发送命令来控制电机，但仍需设计反馈回路，以方便系统的调试，并为将来通过CPLD将其集成做前期的准备工作，也可用于补偿，在必要的情况下可以形成闭环，以实现更复杂的控制形式:
能够实现多各种机械信号的处理，包括:原点信号、左右限位信号、能够实现多异常情况的处理，如急停信号处理，警告信号处理;
可提供若干路通用的输入输出1/0口，以备扩展其他功能时使用。
三、控制系统的确定
　　系统功能确定后，其实现是建立在硬件电路的基础上的，本章通过对几种控制方案优劣的比较，切合实际系统需求，选择将要采用的控制系统。
方案一:采用单片机加通用芯片构建系统
　　单片机可通过总线或串口与PC机进行通讯，接收PC机的控制指令，进行脉冲发送和检测现场开关量信号，如左右限位开关、原点开关等信号，并向PC机报告工作状态。以实现运动控制功能。这种方案的优点是成本较低，但扩展单片机的外围电路较复杂，并且底层控制软件工作量大。因为除了编写PC机的底层控制软件外，还要编写相应的单片机控制软件，其流程繁琐且因单片机各异，使用的语言以及环境也不尽相同可读性较差。
方案二:采用DSP+CPLD来搭建系统，与单片机相比，DSP器件具有较高的集成度，更快的速度，随着运动控制技术的发展，己经有很多厂商推出了专用于电机控制的DSP芯片，典型的有德州仪器公司TMs320系列和ADI公司的产品ADSP系列。芯片通常内置有波特率发生器和FIFO缓冲器。提供高速、同步串口和标准异步串口。有的片内集成了A/D和采样/保持电路，可提供PWM输出。在结构上采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据。内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使其具有高速的数据运算能力。此外，DSP器件提供JTAG接口，具有更先进的开发手段，开发工具等易于使用。结合CPLD即复杂可编程逻辑器件的特点，可以很方便的通过不同设置实现不同功能的控制，即只设计一个硬件配置，然后设计不同的软件来执行多样的控制功能，此方案灵活但研发周期较长。
　　PC或单片机十运动控制芯片与PC机+运动控制卡在工业控制中较多采用，采用专用运动控制芯片或运动控制卡的好处使得用户可以专注于系统管理，如用户的输入，系统工作状态的显示等，对于系统工作时的实时控制细节，像运动轨迹规划，脉冲发送，位置的检测则可以完全交给运动控制芯片或运动控制卡来完成，而且可以通过厂商提供的接口如总线方式等方便的与CPU进行通讯，故在研发周期较短，控制功能要求复杂的情况下采用这种控制方式比较合适，可以大大缩短开发周期。
　　例如专门为步进和交流伺服设计的DSP运动控制器PCL系列芯片，所有实时运动控制工作都可由PCL芯片处理，包括匀速和变速脉冲发射、升降速的控制、直线或圆弧插补、原点及限位开关管理、编码器计数，丢步检测等。
　　在使用此类芯片时，PCL芯片的作用和操作类似于普通可编程逻辑芯片的使用，像8259，8253等，与单片机或PC的通讯是靠读写总线上的几个地址来进行指令和数据的传输，软件开发变得简单易行，用户使用时只需搭建好系统，就可通过熟悉芯片的操作指令和各种内部寄存器，编写运动函数库，在主程序中调用运动函数即可执行十分复杂的运动控制，使得开发者可以将更多精力放在人机交互等系统管理功能的实现上。但这种方案的缺点在于虽然功能强大，工作稳定性好，精度高，但因为国内成熟产品不多，国外产品依靠其垄断地位大大抬高了此类产品价格，而且技术支持方面做得不够好，故在此不予选用。
　　综合以上分析，DSP资源丰富，并且运行速度快，稳定性也好，但与DSP强大功能对应的是系统控制复杂，不如单片机容易掌握，加上单片机价格低廉，种类丰富，而近几年单片机与DSP界限变得模糊，出现了一批新类型的具有DSP的快速运算功能单片机，将单片机和DSP的优点相结合，如Microchip公司推出了dsPlC，凌阳公司的SPCE061A，他们都结合了单片机的控制优点及数字信号处理器的高速运算特性，都具有单周期乘加指令的功能，以及灵活的重编程能力，类似单片机的开发平台也使得其开发简单易行，相信这将会是将来控制系统的主流趋势。
参考文献：
[1]舒志兵，杜永红，黄益群等.最新运动控制技术进展[J].电气时代，2005.8.
[2]张培仁，张志坚、高修峰.16位单片机微处理器原理及应用[M].清华大学出版社，2005.5.