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基于PCI总线的主从式多轴控制器开发

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资料介绍

针对运动控制的高精度要求,介绍了一种基于PCI(Peripheral Component Interconnect)总线的实时多轴控制系统.为了在执行复杂任务时,减少主机的工作量以及充分利用数字信号处理器(DSP,Digital Signal Processor)的数字处理能力,多轴控制器采用了主从控制结构.这种控制器还可以根据用户的需要使用串行通讯控制来代替PCI总线控制.控制器硬件的研发主要集中在多轴控制器、PCI总线接口电路和PCI局部总线的控制逻辑电路上,这些是设计控制器的关键技术.通过一个三自由度机器人沿一个空间螺旋轨迹运动的实例验证,所研发的多轴控制器可以实现具有准实时性能的高精度协调运动控制.

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2008

V01．34 No．1

January

2008年

1月

北京航空航天大学学报

Journal

of Aeronautics and Astronautics

第34卷第1期

Beijing University

基于PCI总线的主从式多轴控制器开发

翔

吴星明

陈伟海

于守谦

李

(北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100083)

In—

摘

要：针对运动控制的高精度要求，介绍了一种基于PCI(Peripheral Component

tereonneet)总线的实时多轴控制系统．为了在执行复杂任务时，减少主机的工作量以及充分利

Signal Processor)的数字处理能力，多轴控制器采用了主从控

用数字信号处理器(DSP，Digital

制结构．这种控制器还可以根据用户的需要使用串行通讯控制来代替PCI总线控制．控制器硬

件的研发主要集中在多轴控制器、PCI总线接口电路和PCI局部总线的控制逻辑电路上，这些

是设计控制器的关键技术．通过一个三自由度机器人沿一个空间螺旋轨迹运动的实例验证，所

研发的多轴控制器可以实现具有准实时性能的高精度协调运动控制．

关键词：总线驱动器；控制器；机器人应用

中图分类号：TP

文献标识码：A

文章编号：1001-5965(2008)014)112Ⅲ5

multi· axis controller

PCI-based

Development

Chen Weihai Yu

Xiang

Xingming

Shouqian

of Automation Science and Electrical

characteristics of

of Aeronautics and

(School

University

Astronautics，Beijing 100083，China)

multi—axis real· time

interconnect)-based

Enginecdng，Beijing

PCI(peripheral component

Abstract：The

from host

motion control were introduced．To reduce the workload

for devel·

complex task，the

control

for

system

realizing high—accuracy

and utilize the

computer

controller was

intelligence

DSP(digital signal processor)efficiently

with master· slave structure．The controller

also

serial communication

was

hardware

development

oped

designed

control instead of PCI bus to

to some

satisfy users’requirements

applications．The

PCI bus

local

are

technol-

focused on multi-axis

bus control

logic，and

controller，PCI

design；these parts

key

for

PCI—based controller

test in which a 3一DOF

wasused to follow

spa-

ogies

design．Through

manipulator

multi-axis controller can realize near-real-time

high—ac·

tial screw

was

that the

developed

proved

trajectory，it

contr01．

coordinated motion

curacy

words：bus

facilities；robot

applications

Key

driver；control

基于计算机的运动控制方案有中央控制方式

和总线控制方式2种¨ 。。．中央控制方式依赖计

算机的处理能力，通过操作系统向控制器发送运

动控制命令．由于操作系统更新运动控制命令的

最短时间为20 ms，所以准实时的高精度协调运

动控制和较高的控制频率是不能通过这一途径实

现的．总线控制方式所使用的运动控制板具有相

当的独立智能控制能力．由于运动命令的处理是

由控制板上的嵌入式处理器完成的，因此准实时

的高精度协调运动控制和较高的控制频率就可以

实现了．在这种控制系统中，主机处理器主要完成

异步命令发送以及状态反馈等任务¨ 。1．

很多运动控制器是采用总线控制方式设计

的，例如PMAC控制器、Galil控制器等等．这些控

制器已经较普遍地应用于运动控制，而且被现代

制造系统所采用．这种控制器只需要主机去执行

一些高级和深层次的计算任务(比如复杂运动的

规划)[6-8】．

收稿日期：2006．11-27

基金项目：国家863基金资助项且(2006AA042218)；国家自然科学基金资助项目(60775059)

作者简介：吴星明(1962一)男，浙江义乌人，副教授，．oom．

万方数据

第1期

吴星骥等：基予PCI惑线鲍圭驮茂多辘控裁器舞发

113

在制造行业中，步进运动控制系统是最普遍

硬件设计

和最具成本效益的解决方案．然而，竞争激烈的全

球纯常场要求这蹩系统撬蹇噫应速度、灵活缝鞠

运动性能去满足时刻变化的制造需求．而引入智

能控制器的意义就是可以提供具有成本效益的解

决方案，以魏实现基予诗舞橇的步透运动控裁系

统‘91．

系统的硬件部分包括多轴控麓器、PCI总线

接口电路和PCI局部总线的控制逻辑电路．图2

所示的是一个基于PCI总线的四轴主从控制器的

实物露。

Com．

本文首先介绍一个基予PCI(Peripheral

ponent Interconnect)总线豹具有圭簌维构霸能独

立于PCI总线而Eli串行通讯控制的四轴运动控制

器的控制结构，其特点是兼顾串并行总线通信方

式，便予用于多种对象控剃研究；接着详细分绍了

基于PCI总线的控制系统的软硬件设计；提出了

一个使步进电机在低功耗下运行的微步进控制瞧

路；最磊，用一个三自由度槐器人来进行实验，以

验证所研发的控制器对于实际应用的有效性．

图2基于PCI的主从控制器

主从控制器豹工作过程如下：在主机的控制

下，由MC2540 CP和MC2540 I／O组成的DSP同

步地肉各个控制器发送4个电机的驱动控制信

号．网时DSP将控制系统的实对状态数据保存弼

1控制系统的结构

分布式控制系统可以有效地利用离性能的数

字信号处理器(DSP，Digital Signal Processor)襁襁

应底层命令来减少系统的运算时间，提高智能水

平和工作效率哺一』．它可以分为3个部分：主控制

系统、熏控翩器和从控制器．主控裁系统的作用主

要是将作业任务传达给下级的主控制器，监控和

协调级别捃同的童控制爨的工作；从控制器刚由

其相应的主控裁器控制．在设计中，4个轴用1个

控制器芯片控制，可以认为是一个主从控制器．

如黧1赝示，主控剩系统以含有多个PCI撬

槽的工控机和WINDOWS操作系统为平台．它支

持多任务管理、任务之间的同步通讯和对传感器

信号的处理．主从控潮器以一个适合控裁电枫速

度和位鬣的专用DSP为平台．每个主从控制器通

过PCI总线直接与主机通讯．为了实现脱离PCI

总线的控裁方式，系统还设嚣了RS232／485串褥

接口．

DPRAM

IDT709379中，主机通过读取DPRAM里

的实时数据就可完成对系统的伺服控制，主从控

制器结构如图3所示．PCI总线搂疆电路的核心

是PCI接口芯片PCD030，而PCI局部总线的控

制逻辍电路是使瘸CPLD芯片EMP7128SLC84舞

发的．

蚕3主获控利器酶结梅漤

2。1伺服多轴控制器

懈服多轴控裁器的核心是专嚣DSP．它专门

为控制电机运动而设计：支持同步串口和8 bit或

16bit并行通讯方式，能产生S形、梯形位置控制

秘匀速控裁等运凌控铡蓝线；支持16 bil并行反

馈编码及高达5 Mbit／s的增量编码反馈；非常适

合精密的位置控制。

2。1．1同步蛰谲

燕从控制器之间的同步控制实质上是控制器

图1控制系统的结构图

之间的协调控制及其主从地位的实时转换．在每

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