基于dsp的多轴运动控制器软件系统的研究与开发

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1、上海交通大学硕士学位论文第一章绪论1.1课题来源本学位论文来源于广州数控信息科技有限公司“高档数控驱动系统设计”企业合作课题。1.2课题研究背景及意义运动控制技术作为一门多学科交叉的技术，综合了机械学、力学、自动控制技术、传感器技术、电力电子技术、微电子技术和计算机技术等的最新发展成就。其中，运动控制的核心部件是运动控制器。在美国，运动控制器产品的应用遍布多个领域，从数控机床、大规模集成电路焊接设备、磁盘驱动、包装机械、纺织机械，到木材加工设备。最著名的运动控制器制造商有DeltaTau，Galil，DMC，Aerotech和ACS-Tech80等。开放式运动控制器在美国被誉为新一代的工业控

2、制器。与国外相比，我国从事运动控制技术及产品的研究开发的单位为数不多，所以从国外进口大量的运动控制产品，而这些产品大多数和数控机床配套。另外，许多机床、机电一体化产品等的数控改造以及新型非标准机电产品的开发也需要运动控制器。因此，运动控制器产品在我国具有良好的应用前景[1]。目前由于以DSP为代表的高速高性能专用微处理器的出现和PC机的广泛普及，开放式运动控制器的发展趋势是以DSP芯片作运动控制处理器，以PC机作为主处理平台，运动控制器以插卡的形式嵌入PC机，即“PC+运动控制器”的模式。这样将PC机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机的结合在一起，具有信息处理能力

3、强、开放程度高、运动轨迹控制能力强、通用性好的特点。正是基于这个原因，开放式运动控制技术的研究近年来在国内外得到了迅速的发展，开放式运动控制器已广泛运用于各个工业领域，可以说只要有伺服电机应用的场合就离不开它，因此可以预测采用DSP作为控制核心的运动控制器将具有很大的发展前景。所以，对基于DSP的多轴运动控制器软件系统进行研究与开发，并在此基础上 搭建“PC+运动控制器”的数控插补实验平台，其意义主要体现在以下几个方面：(1)运动控制器的一个重要应用是面向制造装备的数控控制领域，其作为数控系 统的控制核心，在数控系统中起着十分重要的作用。因此，对多轴运动控制器进行 研究与开发是高端数控系统发

4、展的需要。(2)对于高端数控系统，将朝着高速、高精的方向发展，而其中基于现场总线（如第1页上海交通大学硕士学位论文CAN总线、PROFIBS-DP总线、SERCOS总线和1394总线等）的运动控制器以其高的实时性和可靠性，已成为研究的热点。因此，本课题的研究是开发带有现场总线接口的多轴运动控制器的先决条件。(3)以多轴运动控制器为核心的“PC+运动控制器”数控插补实验平台的搭建，为高速、高精度轮廓跟踪控制以及NURBS插补算法的研究提供了一个很好的实验及验证平台。在自主开发的底层代码基础上，可以在运动控制器中嵌入各种插补算法和先进的运动控制算法，具有很大的柔性。通过该平台可以实际验证各种算法

5、的控制精度和有效性，具有较好的应用价值。1.1开放式数控的概述随着经济全球化的发展，市场对适合中小批量加工、具有良好柔性和多功能的数控系统的需求已经远远超过对大型、单一功能的数控系统的需求，从而要求制造商和设计人员具有较强的市场应变能力。传统的数控系统一般采用封闭式的硬件结构，且控制软件的兼容性较差，用户无法对已有的数控功能进行修改以满足自己的特殊需求。在这种情况下，传统的数控系统已经不能满足现代工业和社会发展的需要，这便促成了一个新概念的产生，即模块化、可重构、可扩充的软硬件系统，也就是开放式数控系统。目前，开放式数控系统的发展已成为不可抗拒的潮流，它不仅能够快速、经济地适应新的加工需求，

6、而且为制造商提供了将其技术或产品与任何第三方的技术或产品进行集成的可能性。研究和开发具有开放式结构的高性能数控系统是数控技术的一个重要发展方向，并已得到世界各国学者的重视。对于开放式数控系统的定义和研究，不同的研究者和制造商有不同的看法：有的强调基于与PC兼容的硬件平台和对Windows图形接口的兼容性；有的强调软件开发的开放性和可扩展性；有的强调系统的可集成性，并配有通用的以太网接口以利于和上级系统的集成性。但综合来说，一般认为开放式数控系统应具备以下四个特点[2]：1．互操作性：通过提供标准化接口、通信和交互机制，使不同功能模块以标准的应用程序接口运行于系统平台之上，相互之间保持平等的互

7、操作能力，协调工作；2．可移植性：系统的功能软件与设备无关，即应用统一的数据格式、交互模型、控制机理，并且通过一致的设备接口，使各功能模块能运行于不同供应商提供的不同的硬件平台之上；3．可缩放性：系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改，用户可以根据特定需要，通过增加或裁减硬件或软件模块来实现增添或减少系统的功能；4．可互换性：不同厂商、不同开发人员可以用不同的方式实现功能相似的数控功能模块，在接口定义和外部表