南京信息工程大學(xué)

1、 南京信息工程大學(xué)DSP課程論文 課題：基于TMS320F2812 多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)姓名： 徐旭學(xué)號： 20132305046 專業(yè)： 濱江學(xué)院電子信息工程指導(dǎo)老師：周欣二 O一 六 五 月 二 十 九 日 目 錄摘要.2關(guān)鍵詞.21控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計.32基于TMS320F2812運(yùn)動控制器電路設(shè)計.32.1 TMS320F2812 最小系統(tǒng).4.2.2 CAN 通訊電路.42.3數(shù)據(jù)存儲電路52.4手操器按鍵處理電路.52.5控制電路.62.6脈沖發(fā)生器電路.62.7液晶控制電路.73多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計74實驗結(jié)果與分析.85結(jié)束語9參考文獻(xiàn).9致謝.10 1基于TMS320F28

2、12 多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)徐旭南京信息工程大學(xué)濱江學(xué)院，江蘇 南京 210044摘要：針對開放式多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢及要求，提出了一種以 TMS320F2812 為核心,CAN 總線為通信標(biāo)準(zhǔn)的分布式控制結(jié)構(gòu)詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的功能，硬件設(shè)計和軟件結(jié)構(gòu)圖該控制系統(tǒng)具有開放性，實時性和模塊化等優(yōu)點，并可應(yīng)用于切割機(jī)器人中在運(yùn)行過程中，控制系統(tǒng)運(yùn)行良好，達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)，具有廣闊的應(yīng)用前景關(guān)鍵詞：多軸運(yùn)動控制；TMS320F2812；位置控制；CAN 總線Abstract：Abstract: The multi-axis motion control system requires the devel

3、opment trend and open, we proposeDistributed control frame work, which requires TMS320F2812 as the core, CAN bus communication standard .SystemFeatures, hardware design and software architecture diagram is unique to her parents control systemOpen, real-time and modular, and has been applied in cutti

4、ng Robot. Operational control systemIt 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 bus2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計基于 DSP 的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)采用分布式控制結(jié)構(gòu)，整個控制系統(tǒng)分上位機(jī)和下位機(jī)2 大部分，上位機(jī)和下位機(jī)通過 CAN 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳

5、輸應(yīng)用于切割機(jī)器人的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示.上位機(jī)中硬件主要包括2 個部分： 工業(yè)級PC104 和CAN卡PC 機(jī)選用盛博科技的PC104 計算機(jī)，CAN 卡選用周立功公司的PC104CAN，主要完成路徑規(guī)劃和人機(jī)交互任務(wù)功能下位機(jī)DSP 多軸運(yùn)動控制器以模塊化方式擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲、按鍵處理、脈沖發(fā)生器、I/O 開關(guān)量、液晶顯示等功能，形成功能完整的控制系統(tǒng)在這種方式中，DSP 多軸運(yùn)動控制器獨(dú)立實現(xiàn)所有電機(jī)的同步運(yùn)動和管理功能圖多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖2基于TMS320F2812運(yùn)動控制器電路設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)的控制要求， 多軸運(yùn)動控制器具有以下一些主要功能：(1) 控制器負(fù)責(zé)各個模

6、塊的運(yùn)行管理、狀態(tài)反饋等(2) CAN 通訊模塊負(fù)責(zé)上下位機(jī)信息通訊，節(jié)點間命令傳送、數(shù)據(jù)傳送等3(3) 數(shù)據(jù)存儲模塊負(fù)責(zé)記錄上位機(jī)下發(fā)給各個節(jié)點的數(shù)據(jù)表，并在自動運(yùn)行時，按照一定順序讀出數(shù)據(jù)表，根據(jù)命令進(jìn)行執(zhí)行(4) 脈沖發(fā)生器模塊負(fù)責(zé)脈沖輸出，并將脈沖信號進(jìn)行放大、驅(qū)動處理，供給電機(jī)驅(qū)動器(5) 手操器按鍵處理模塊負(fù)責(zé)對遠(yuǎn)處手操器的信息進(jìn)行辨別，并啟動響應(yīng)處理程序(6) 液晶控制模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示(7) 檢測信號處理模塊負(fù)責(zé)檢測各軸運(yùn)動的極限位置，并進(jìn)行報警，或者檢測各軸運(yùn)動特定位置信息，進(jìn)行處理由圖2 多軸運(yùn)動控制器的原理框圖可知，整個多軸運(yùn)動控制器主要由TMS320F2812 最

7、小系統(tǒng)模塊、CAN通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、手操器按鍵處理模塊、邏輯控制模塊、脈沖發(fā)生器模塊和液晶控制模塊等組成以下簡單介紹各個模塊的電路設(shè)計.2.1TMS320F2812 最小系統(tǒng)系統(tǒng)采用TI 公司32 位定點TMS320F2812DSP作為運(yùn)動控制器的核心處器TMS320F2812 具有足夠的FLASH 程序存儲器容量，高速運(yùn)算速度，充足的I/O 接口，豐富的RAM 存儲空間，片內(nèi)ADC 以及CAN總線控制器等電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路和擴(kuò)展RAM、電路構(gòu)成了DSP 的最小系統(tǒng)TMS320F2812 內(nèi)核電壓為1.8V，I/O 電壓為3.3.V ，供電電源采用選擇 公司的專用電源芯片TPS

8、70151時鐘電路采用30MHZ晶振，經(jīng)內(nèi)部鎖相環(huán)5 倍頻后給 提供時鐘，使 工作頻率為150MHZDSP 正常工作時，不會產(chǎn)生復(fù)位信號，如果出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，則看門狗電路產(chǎn)生復(fù)位信號，DSP 被復(fù)位為了與TMS320F2812的I/O工作電壓相匹配，片外擴(kuò)展存儲器選用了ISSI 公司3.3V 供電的FLASHMEMORY IS61LV51216圖多軸運(yùn)動控制器原理框圖2.2 CAN 通訊電路CAN 總線是一種串行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，通訊速率可達(dá)1Mb/S，采用光導(dǎo)纖維作為通訊介質(zhì)，保證了通訊的速率與可靠性在整個多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)中，PC 機(jī)主控節(jié)點負(fù)責(zé)與控制器節(jié)4點通訊，對控制器進(jìn)行管理TMS320F2

9、812的eCAN模塊集成了CAN 控制器，提供了完整的CAN 協(xié)議，減少了CPU 的開銷，因此只需要外置收發(fā)裝置即可這里采用PHILIP 公司的PCA82C250 作為收發(fā)器，PCA82C250 是CAN 協(xié)議控制器和物理總線的接口，此器件對CAN 總線提供差分發(fā)送能力，對CAN 控制器提供差分接收能力收發(fā)器采用5V 供電，在收發(fā)器和TMS320F2812 之間加高速隔離6N137 芯片以實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，并使TMS320F2812 和CAN 總線隔離，達(dá)到保護(hù)DSP 芯片的作用 2.3數(shù)據(jù)存儲電路對于機(jī)器人系統(tǒng)，要求存儲的數(shù)據(jù)包括各運(yùn)動軸程控運(yùn)行時在每時刻的脈沖速度和脈沖步長數(shù)以及切割運(yùn)行理論數(shù)

10、據(jù)等考慮到數(shù)據(jù)份數(shù)較多，因此選用了 公司的AT45DB161D AT 45DB161D 支持 RapidS 串行接口，滿足于需要非常高速的應(yīng)用場合存儲容量為17 301 504bits，分為4096 頁，每一個邏輯頁包含512 或者528 BYTES除了主存儲器，AT45DB161D 還包含2 塊SRAM 緩沖區(qū)，每一塊緩沖區(qū)包含512/528BYTES系統(tǒng)編程中，通過片選引腳CS使能，通過1 個三線接口來訪問，包括串行輸入SI，串行輸出SO 和串行時鐘SCKDSP 操作存儲器只需要使用3個I/O來模擬相應(yīng)的SPI 時序即可2.4手操器按鍵處理電路為了方便操作，控制系統(tǒng)配有遙控裝置，用于微調(diào)、

11、點動以及實時的現(xiàn)場干預(yù)操作等由于設(shè)計的按鍵數(shù)多達(dá)38 個，如果直接使用DSP 上的I/O 口模擬鍵盤會占用DSP 的大量外設(shè)資源，影響系統(tǒng)其他功能因此選用了比高公司的HD7279 芯片圖鍵盤接口電路圖HD7279芯片是一種通用的可編程、鍵盤顯示接口芯片鍵盤部分提供的掃描方式，可以和具有64個觸點的鍵盤或者傳感器相連， 對鍵盤不斷掃描，自動消抖，自動識別按鍵，給出編碼，并向微處理器申請中斷按鍵接口電路如圖3 所示，HD7279 采用串行方式與TMS320F2812進(jìn)行通訊，數(shù)據(jù)從DATA引腳送入芯片，并有CLK同步當(dāng)片選信號CS低電平后，CLK的上升沿時，DATA數(shù)據(jù)被寫入HD727寄存器./K

12、EY為高電平，當(dāng)檢測到有效按鍵時此引腳會變?yōu)榈碗娖?.5 控制電路本系統(tǒng)采用了Altera公司的MAXII 系列LDEPM7064AEEPM7064AE 供電電壓為3.3V，帶有一個標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口，對CPLD 內(nèi)部資源的配置可通過此JTAG 口進(jìn)行，配置代碼下載采用了并口的BYTEBLASTERII 電纜系統(tǒng)設(shè)計對CPLD的需求主要來自于2 個方面：DSP 片外地址擴(kuò)展區(qū)域邏輯譯碼、系統(tǒng)I/O 功能擴(kuò)展以及其他擴(kuò)展備用功能CPLD 邏輯主要實現(xiàn)了以下功能芯片的邏輯譯碼：包括4 片定時器計數(shù)器芯片82C54，存儲器芯片和液晶顯示的片選譯碼系統(tǒng)中采用將TMS320F2812的XA 10 XA1

13、8地址線ZXCS2參與譯碼.圖脈沖發(fā)生電路圖2.6脈沖發(fā)生器電路脈沖發(fā)生電路的目的是精確地控制伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)考慮到系統(tǒng)設(shè)計的穩(wěn)定性、可靠性等要求，本系統(tǒng)中的脈沖控制采用三菱公司的82C54 芯片做脈沖發(fā)生器，同時采用SN7407 作為驅(qū)動芯片單路脈沖控制需要使用一片82C54 的2 個通道，分別工作在波特率發(fā)生器工作方式0 和計數(shù)結(jié)束產(chǎn)生中斷工作方式3兩個通道串聯(lián)脈沖發(fā)生電路如圖 所示，脈沖從計數(shù)器0（工作方式0）的CPx 引腳發(fā)出，經(jīng)過處理后送給電機(jī)驅(qū)動器，同時還將脈沖送到計數(shù)器1（工作方式3）的CLKx 引腳，當(dāng)所發(fā)送的一份的脈沖發(fā)完時，INTx 引腳變高電平，DSP檢測到這個跳變便認(rèn)

14、為運(yùn)動軸運(yùn)動到預(yù)計位置，然后進(jìn)行下一步操作同時82C54 具有鎖存功能，在四軸的聯(lián)動時，可以及時地反讀當(dāng)前的脈沖發(fā)送狀態(tài)，使系統(tǒng)可以及時地調(diào)整脈沖發(fā)送速度，進(jìn)而改變運(yùn)動狀態(tài)，使運(yùn)動部分按設(shè)計軌跡運(yùn)動62.7液晶控制電路液晶屏選用北京青云創(chuàng)新科技發(fā)展有限公司的LCM320240，集顯示、控制驅(qū)動于一體的顯示器件，接口簡單同時具有功耗低、壽命長、可編程驅(qū)動且能提供豐富的顯示內(nèi)容等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種智能儀器中液晶控制電路非常簡單，TMS320F2812通過SN74ALVC164254 電平轉(zhuǎn)換芯片直接與液晶屏電路板連接DSP 與液晶屏接口方式為直接控制方式，液晶屏電路直接掛在系統(tǒng)總線上通過液晶屏

15、來實時顯示系統(tǒng)狀態(tài)，程序中采用自建字庫來實現(xiàn)顯示漢字和數(shù)字3多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計在基于TMS320F2812 多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，采用開放性體系結(jié)構(gòu)，以模塊化、層次化的結(jié)構(gòu)，通過各種形式向用戶提供應(yīng)用程序接口，使系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性、可移植性和互操作性等特點，為多種控制系統(tǒng)的快速加載提供良好的接口平臺1多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示圖多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)軟件設(shè)計包括2 部分：(1)上位機(jī)軟件設(shè)計主要包括人機(jī)接口、任務(wù)調(diào)度、界面管理、插補(bǔ)運(yùn)算、CAN 通訊、系統(tǒng)狀態(tài)顯示、機(jī)器人姿態(tài)或步態(tài)規(guī)劃等方面(2)下位機(jī)DSP 多軸運(yùn)動控制器中程序的設(shè)計主要包括：控制主程序、

16、位置控制、CAN 通訊、手操器控制、液晶顯示控制、信號檢測等方面系統(tǒng)中采用二次插補(bǔ)算法實現(xiàn)對多軸同步的控制插補(bǔ)分粗插補(bǔ)和精插補(bǔ)2 部份 .2上位機(jī)在保證一定精度范圍內(nèi)計算出一段直線或圓弧的一系列中間點的坐標(biāo)值，并逐次得到每一次各軸需運(yùn)動的步數(shù)及方向，完成粗插補(bǔ)運(yùn)算；再由多軸運(yùn)動控制器完成四軸的精插補(bǔ)，精插補(bǔ)采用實時控制，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)作的實時性和可靠性同時，為了保證在系統(tǒng)起動或停止時不產(chǎn)生沖擊、失步、超程或振蕩，在多軸運(yùn)動控制器程序中內(nèi)嵌了加減速控制算法試驗結(jié)果與分析研制的 型切割機(jī)器人采用文中設(shè)計的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)切割機(jī)器人為四軸運(yùn)動控制系統(tǒng)：旋轉(zhuǎn)軸、高度軸、半徑軸、槍擺軸系統(tǒng)中4 個電機(jī)均采用北京斯達(dá)特的步進(jìn)電機(jī)切割實驗選取加工參數(shù)為：外徑4000 、內(nèi)徑3920 、開孔直徑200 、偏心距1500 、留根位置25 一般規(guī)定直徑100 以上的孔，切割精度為±0.5 切割完成后選取36 個點進(jìn)行高度和半徑測量，與理論值比較計算絕對誤差值結(jié)果如圖6 所示，最大絕對誤差小于0.5 ，滿足精度要求機(jī)械誤差、火焰烽線的變化等原因都會給切割造成了一定的誤差實際切割成品如圖 所示，可見滿足表面光滑度和接口吻合度的要求圖上坡口高度和半徑方向誤差結(jié)果圖圖切割成品圖5結(jié)束語實驗結(jié)果表明，在整個切割運(yùn)動中，各軸運(yùn)動滿足要求系統(tǒng)運(yùn)動具有較高的準(zhǔn)確性，可靠性和實時性等特點XKK 切割