武跃 刘颖
（天津格特斯检测设备技术开发有限公司 天津 300380）
摘要：随着科学技术的发展进步，数控系统中的运动控制系统日益吸引更多的人去研究及实现。运动控制系统的运动控制效果主要由运动控制卡决定，虽然运动控制系统己经发展多年，目前市面上的运动控制系统种类繁多，但是运动控制卡的研究发展却还没有满足现代工业加工的要求。目前，很大部分运动控制卡基于DSP+FPGA实现，该类型的运动控制卡具有数据处理能力强、实时性好、可重构性强的特点。本文的研究内容就是设计实现基于DSP+FPGA的多轴运动控制器，该运动控制器能实现三轴联动，并且能够通过总线控制多个运动控制器实现来良好的分布式性能。该运动控制器具有以下四个功能：1、通过G代码解释模块能够解释运动控制命令；（2）、根据解释得到的运动学信息进行速度规划；（3）、依据速度规划在单个插补周期内的进给速度和插补周期进行轨迹规划；（4）、在整个运行过程中进行状态监测，并将速度和位置信息进行反馈。
关键词：分布式多轴运动控制器；设计；实现
引言
随着现代工业的进步，智能制造的趋势不可避免，机器人技术也在进行快速发展，无论是制造还是机器人技术，都离不开精确的运动控制。运动控制必须通过良好的运动控制系统实现。运动控制器是运动系统的核心部件，其研究自上个世纪九十年代初开始就得到了快速的发展目前市场上的运动控制器种类繁多，但是结构都比较复杂，并且拥有大量的硬件部分，没有能够充分利用计算机资源，仅功能简单的运动控制器便达到上千的价格。大多数运动控制器采用固化设计，不能进行及时更新，使得适用性降低并且很多运动控制器采用的是集中控制模式，只能工作于固定的操作系统上，不能做到裸机（没有操作系统支持）运行，使得运动控制器应用性和适应性降低。所以研究实现结构紧凑，能够进行快速更新，能够裸机运行的分布式运动控制器很有必要。分布式运动控制器后续还能通过EtherCAT主从站设计将目前的三轴协同运动扩展为n轴协同运动，进一步提升其工作性能，所以研究实现本文的分布式运动控制器具有很大的发展前景.
1布式多轴运动控制器整体架构设计和功能设计
现在比较常用的微处理芯片包括MCU，MPU和DSPoMCU即单片机，具有如下特点：1、适合实时控制和操作任务；2、执行周期可以预测；3、擅长中断处理，特别是外部异步时间；4、片上外设丰富。MCU具有通用性，适合不同信息源的多种数据的处理诊断和运算。MPU是微机中的中央处理器，是构成微机的核心部件，具有以下特点：1，MPU使用外部存储器提供程序和数据空间；2、采用哈佛总线结构；3、用户交互便捷。MPU是微型CPU，功能设计全面，适合需要功能需要较多的场合。DSP是数字信号处理器，具有以下特点：1、运算速度快；2、具有多总线结构，程序处理与数据空间分开；3、能够实现低开销甚至无开销.4、硬件方面支持循环及跳转；5、包含有专门的地址产生器，它能产生信号处理算法的特殊寻址。DSP数据运算能力强，能够做到快速实时的数据处理。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆运动控制器在进行速度规划和轨迹规划的时候需要进行大量的数据运算，并且还应该保证数据运算的实时性，所以综合三种微处理器芯片的特点和应用场合，选择DSP作为本文运动控制器的微处理芯片。
2运动控制器硬件电路架构
从运动控制器的功能设计可以知道其工作流程如下：DSP根据给定的运动控制命令进行解释；速度规划通过解释得到的运动学初始信息和速度、位置反馈计算每个插补周期内的进给速度；轨迹规划利用位置反馈和当前插补周期的进给长度计算位置坐标。FPGA从DSP并行读取数据，根据得到的速度信息生成脉冲控制驱动器，进而控制电机的转动。同时，FPGA向DSP反馈位置信息和速度信息。所以本文运动控制器的硬件电路主要是DSP核心电路和FPGA辅助电路设计。对于数据读取，可以通过共用寄存器的方式实现。通过该种方式，FPGA就能从DSP读取数据，同时DSP也能获得FPGA中的反馈信息。并且DSP还可以控制总线对FPGA进行读写操作和复位操作。对于电源部分，提供了SV和3.3V直流电源。
3分布式多轴运动控制器轨迹实现模块设计与实现
3.1G代码解释模块
G代码解释模块主要负责解释上位机的运动控制命令，并将解释好的轨迹段添加到轨迹队列中，当进行加工的时候直接从轨迹队列中提取出来进行加工，运动控制命令包含：（1）需要执行的轨迹类型，这些轨迹类型有直线、圆弧、螺旋线和椭圆等；（2）轨迹所处的平面，如果是平面轨迹，可以是XY，XZ，YZ平面；如果轨迹是空间轨迹，那么也应该确定加工平面，可以选择三个平面的任意一个作为加工平面；（3）运动学初始信息，包括起始位置、起始速度、终点位置、速度上限、加速度上限以及对应轨迹段的ID号等信息。需要解释的G代码主要有轨迹G代码、平面选择G代码。
3.2轨迹规划算法实现原理
运动控制的过程中，运动轴每次能够运行的最小移动当量是一个脉冲。运动轴在整个运动过程中，其运动轨迹不是光滑曲线，只能使用折线进行逼近。运动轴不能严格沿着预设的理想轨迹进行加工，只能在运动过程中将轨迹离散成轨迹点，然后依次沿着每个轨迹点运行，使得轨迹由折线组成，这种用折线逼近，拟合成曲线的方式就叫“插补”。在插补的过程中，如果事先就计算出运动轴即将到达的轨迹点的坐标，那么运动轴就能按照预定的轨迹完成运动，在运动过程中事先计算出轨迹点坐标的过程就是“轨迹规划”。如果两个轨迹点之间的距离很近，那么运动过程中生成的折线就会非常接近理论曲线，更贴近预定轨迹。如果我们把加工轨阶段的整段时间分为许多相等的时间间隔，该间隔时间称为“插补周期”，所以插补周期大小和进给速度的大小决定了加工的精度，因此在插补之前就应该选择合理的插补周期和插补速度。运动控制器中专门有负责插补工作的部件，叫做“插补器”。根据插补器结构上的差异，插补器能够分为两类，即软件插补器和硬件插补器。软件插补器在微处理器中利用编程实现插补，具有灵活性好的特点，但是运算处理的速度较慢。硬件插补器一般由集成电路或分立元件组成，具有运算速度快的特点，不过灵活性差，设计完成后很难更改。基于DSP+FPGA设计实现的运动控制器的插补器采用了软、硬件插补器结合的方式，兼顾了二者的特点，具有灵活、运算速度快、精度高的特点。
结语
实际加工过程中，直线插补、圆弧插补和螺旋插补都能很好实现轨迹规划，线性加减速和梯形加减速也能很好实现速度规划。对于轨迹规划，选择不同插补周期会产生不同的误差。但是在误差范围内，对于直线插补，选择不同插补周期不会在直线加工中产生过大的影响；对于圆弧插补和螺旋插补，选择较小的插补周期可以使得误差较小。综合轨迹规划和速度规划，可以知道实际加工误差产生的原因有两个方面：1，数字增量插补是在每个插补周期内进行速度规划和轨迹规划。在实际加工时设定了固定加速度，但是在运行过程中的实际加速度没有达到设定值，使得速度不能达到设定值，产生误差；2、计算过程会有时间消耗，计算的时候电机保持原有运动不变，并且仿真数据是反馈数据，反馈数据具有延迟和类型选择带来的误差。
参考文献：
[1]液压挖掘机》编委会.液压挖掘机原理、结构、设计、计算下.武汉：华中科技大学出版社2011：775-776
论文作者:武跃,刘颖
论文发表刊物:《河南电力》2018年20期
论文发表时间:2019/4/30
标签：轨迹论文; 控制器论文; 速度论文; 周期论文; 数据论文; 加工论文; 分布式论文; 《河南电力》2018年20期论文;