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摘 要：基于DSP多轴运动控制系统硬件功能的全面性及易扩展性、软件的开放式结构使得本套系统可作为一套通用开放性的控制系统对多种智能控制系统，包括各种机器人、数控机床、木工机械、印刷机械、装配生产线、电子加工设备、激光加工设备、机载车载流动智能控制对象进行很好的控制。
关键词：DSP；运动控制系统；坐标变换
基于DSP 多轴运动控制系统控制自由度多、控制功能全、运算性能强、组合安装灵活的特点，不仅可以与PC机构成分布式模式进行控制，也可以作为独立的控制系统对智能装备进行控制。DSP 多轴运动控制系统在控制软件方面具有开放性的特点，用户可以通过系统提供的API和在库中加入自己的函数，方便地扩展特定的功能。
1. DSP多轴运动控制系统
在基于DSP 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，使系统具有可移植性、可扩展性、互操作性和可缩放性等特点，为各种智能装备的快速、方便加载提供良好的接口平台。在实现过程中，采用面向对象技术，首先编制实现基本控制功能的软件模块，并进行封装，建立自己的API函数库，提供良好的用户程序接口。然后针对常用智能装备的通用要求进行整体控制系统程序的编制，搭建出开放式控制系统的基本平台。在系统软件模块的开发中尽可能选用公用的接口，实现信息的交换与共享，模块尽可能多地重用，并且使要建立的系统尽可能利用已建立的系统或已建立的类，以它们为基础进行扩充。基于DSP 运动控制系统主控PC 机的基本功能模块包括：系统管理模块、坐标变换模块、通讯模块、插补模块、译码解释模块、显示模块和I/O状态监控模块等，对于机器人还包括姿态或步态的规划模块；基于DSP 多轴运动控制器所实现的基本功能模块为：位置控制模块、通讯模块、传感信息检测处理模块、参数调整接口模块，以及针对机器人的局部力控制模块等。内嵌的控制算法为：无冲击加、减速运动控制算法，前馈+ PID 控制算法，直线运动、圆弧运动控制算法，电子齿轮算法等。对于其它的随控制对象不同而需添加的模块，则由用户自己根据实际需要二次开发完成。
2.系统控制结构总体设计
2.1下位控制系统
由DSP伺服运动控制器和交流伺服电机驱动器组成。主要实现多轴系统电机的位置、速度、电流三闭环的数字控制。该系统以基于DSP与FPGA 的伺服运动控制器为控制中心， 实现多轴伺服PMSM的协调运动。DSP伺服运动控制器能实时接收上位监控子系统下传的控制参数， 并能对接收到的与电机轴固连的光电编码器的反馈脉冲进行处理， 得到多轴系统电机的实时位置和速度参数， 进行位置、速度双闭环控制。交流伺服电机驱动器主要实现对多轴系统电机的电流闭环控制。
2.2上位监控系统
由监控计算机组成。主要对系统进行实时的监视与控制。该系统具有友好的人机界面， 依据用户给定的电机有关参数信息， 进行逆向运动学运算、轨迹插补等操作， 计算出对应于每个电机的控制参数， 并下传至下位控制子系统。此外， 该子系统能实时接收下位子系统反馈的各电机位置信息， 有效地对系统进行实时监视操作。控制系统采用典型的两级控制方式， 可以有效地将系统的控制功能分离， 并使系统结构更具模块化， 大大增强系统的可靠性， 降低项目研发的风险。上、下位子系统之间可以通过网口通信， 并采用中断事件触发数据接收， 能实时地实现稳定可靠的高速数据交换。此外， 整个系统几乎都是全数字控制， 所以系统的控制精度和可靠性很高， 操作和维护也很方便。
3.DSP多轴运动控制器的硬件
3.1输入通道设计
输入通道由两部分组成：电机脉冲编码盘输入信号处理电路和各种模拟信号输入采样转换处理电路。电机脉冲编码盘输入信号处理电路：根据伺服电机同轴脉冲编码盘反馈的脉冲信号，通过四倍频、辨向电路及计数电路，得到电机实际转过的位置。四倍频辨向电路、计数电路都采用FPGA 实现。对于各种模拟信号，如机器人控制中的六维力/力矩、视觉等传感器信号的采样转换处理，通过输入通道的高速高精度A/D 器件实现。高速高精度A/D 对数字电路引入的噪声特别敏感，当其独立工作时，精度很高，但与数字系统连接后，精度明显降低，因此，首先采用独立的数字地和模拟地，数字电路和A/D 之间的信号传送通过光电隔离器件完成；其次，A/D 的采样时钟也很关键，它由数字电路产生，因此也要利用光电耦合器隔离后送到A/D转换器。
3.2输出通道设计
DSP多轴运动控制器输出通道由两部分构成： 三路DAC 模拟控制电压信号和使能开关量输出信号。为了使输出的电压信号在正确的通道输出，在DSP 和DAC 之间有输出选择逻辑开关电路，其逻辑由FPGA 实现。另，在DSP 输出到DAC 的信号还要通过高速光偶器件，一方面防止外部强电信号对DSP数字电路的窜扰，另一方面也起到+3.3V和+5V的电压转换的作用。开关量信号输出控制各电机使能信号的接通、关断，其通道选择、译码逻辑也由FPGA 实现。
4.结束语
随着先进制造装备、工业机器人、数控机床等智能控制机械的快速发展，这些装备的智能控制系统已经成为实现其性能、功能的关键。因此，在自动数字控制技术领域进行研究，开发出高精度、高性能、高可靠性的DSP 运动控制器，使其能够完成较为复杂的控制算法、实现多轴和多种类型电机控制，具有适应性广、易用性强，能够快速、有效、方便地应用于各种智能控制系统的特点，是目前智能控制机械的重点研究实现目标。我们所研究的运动控制器，选用了主频达150MHz的浮点DSP 处理器芯片，以高速高精度特性实现各种较为复杂的控制算法。
参考文献：
[1]龚小云，运动控制器的现状与发展[J].制造技术与机床，2012
[2]赵建东，五轴联动数控系统的开放化设计[J].组合机床与自动化加工技术， 2013
关键词：DSP；运动控制系统；坐标变换
基于DSP 多轴运动控制系统控制自由度多、控制功能全、运算性能强、组合安装灵活的特点，不仅可以与PC机构成分布式模式进行控制，也可以作为独立的控制系统对智能装备进行控制。DSP 多轴运动控制系统在控制软件方面具有开放性的特点，用户可以通过系统提供的API和在库中加入自己的函数，方便地扩展特定的功能。
1. DSP多轴运动控制系统
在基于DSP 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，使系统具有可移植性、可扩展性、互操作性和可缩放性等特点，为各种智能装备的快速、方便加载提供良好的接口平台。在实现过程中，采用面向对象技术，首先编制实现基本控制功能的软件模块，并进行封装，建立自己的API函数库，提供良好的用户程序接口。然后针对常用智能装备的通用要求进行整体控制系统程序的编制，搭建出开放式控制系统的基本平台。在系统软件模块的开发中尽可能选用公用的接口，实现信息的交换与共享，模块尽可能多地重用，并且使要建立的系统尽可能利用已建立的系统或已建立的类，以它们为基础进行扩充。基于DSP 运动控制系统主控PC 机的基本功能模块包括：系统管理模块、坐标变换模块、通讯模块、插补模块、译码解释模块、显示模块和I/O状态监控模块等，对于机器人还包括姿态或步态的规划模块；基于DSP 多轴运动控制器所实现的基本功能模块为：位置控制模块、通讯模块、传感信息检测处理模块、参数调整接口模块，以及针对机器人的局部力控制模块等。内嵌的控制算法为：无冲击加、减速运动控制算法，前馈+ PID 控制算法，直线运动、圆弧运动控制算法，电子齿轮算法等。对于其它的随控制对象不同而需添加的模块，则由用户自己根据实际需要二次开发完成。
2.系统控制结构总体设计
2.1下位控制系统
由DSP伺服运动控制器和交流伺服电机驱动器组成。主要实现多轴系统电机的位置、速度、电流三闭环的数字控制。该系统以基于DSP与FPGA 的伺服运动控制器为控制中心， 实现多轴伺服PMSM的协调运动。DSP伺服运动控制器能实时接收上位监控子系统下传的控制参数， 并能对接收到的与电机轴固连的光电编码器的反馈脉冲进行处理， 得到多轴系统电机的实时位置和速度参数， 进行位置、速度双闭环控制。交流伺服电机驱动器主要实现对多轴系统电机的电流闭环控制。
2.2上位监控系统
由监控计算机组成。主要对系统进行实时的监视与控制。该系统具有友好的人机界面， 依据用户给定的电机有关参数信息， 进行逆向运动学运算、轨迹插补等操作， 计算出对应于每个电机的控制参数， 并下传至下位控制子系统。此外， 该子系统能实时接收下位子系统反馈的各电机位置信息， 有效地对系统进行实时监视操作。控制系统采用典型的两级控制方式， 可以有效地将系统的控制功能分离， 并使系统结构更具模块化， 大大增强系统的可靠性， 降低项目研发的风险。上、下位子系统之间可以通过网口通信， 并采用中断事件触发数据接收， 能实时地实现稳定可靠的高速数据交换。此外， 整个系统几乎都是全数字控制， 所以系统的控制精度和可靠性很高， 操作和维护也很方便。
3.DSP多轴运动控制器的硬件
3.1输入通道设计
输入通道由两部分组成：电机脉冲编码盘输入信号处理电路和各种模拟信号输入采样转换处理电路。电机脉冲编码盘输入信号处理电路：根据伺服电机同轴脉冲编码盘反馈的脉冲信号，通过四倍频、辨向电路及计数电路，得到电机实际转过的位置。四倍频辨向电路、计数电路都采用FPGA 实现。对于各种模拟信号，如机器人控制中的六维力/力矩、视觉等传感器信号的采样转换处理，通过输入通道的高速高精度A/D 器件实现。高速高精度A/D 对数字电路引入的噪声特别敏感，当其独立工作时，精度很高，但与数字系统连接后，精度明显降低，因此，首先采用独立的数字地和模拟地，数字电路和A/D 之间的信号传送通过光电隔离器件完成；其次，A/D 的采样时钟也很关键，它由数字电路产生，因此也要利用光电耦合器隔离后送到A/D转换器。
3.2输出通道设计
DSP多轴运动控制器输出通道由两部分构成： 三路DAC 模拟控制电压信号和使能开关量输出信号。为了使输出的电压信号在正确的通道输出，在DSP 和DAC 之间有输出选择逻辑开关电路，其逻辑由FPGA 实现。另，在DSP 输出到DAC 的信号还要通过高速光偶器件，一方面防止外部强电信号对DSP数字电路的窜扰，另一方面也起到+3.3V和+5V的电压转换的作用。开关量信号输出控制各电机使能信号的接通、关断，其通道选择、译码逻辑也由FPGA 实现。
4.结束语
随着先进制造装备、工业机器人、数控机床等智能控制机械的快速发展，这些装备的智能控制系统已经成为实现其性能、功能的关键。因此，在自动数字控制技术领域进行研究，开发出高精度、高性能、高可靠性的DSP 运动控制器，使其能够完成较为复杂的控制算法、实现多轴和多种类型电机控制，具有适应性广、易用性强，能够快速、有效、方便地应用于各种智能控制系统的特点，是目前智能控制机械的重点研究实现目标。我们所研究的运动控制器，选用了主频达150MHz的浮点DSP 处理器芯片，以高速高精度特性实现各种较为复杂的控制算法。
参考文献：
[1]龚小云，运动控制器的现状与发展[J].制造技术与机床，2012
[2]赵建东，五轴联动数控系统的开放化设计[J].组合机床与自动化加工技术， 2013