基于DSP的四轴多功能运动控制卡硬件设计
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基于 DSP 的四轴多功能运动控制卡硬件设计
摘要：针对适于并联机构控制的新型运动控制卡的开发需求,提出 4 轴运动控制卡的软硬件的总体结构，并按照结构化和模
块化的设计方法，确定了系统的各子模块的功能。完成了运动控制卡硬件电路部分的设计。在对 DSP 处理器 TMS320VC33 和
PCI 总线及一些重要芯片进行深入研究的基础上，实现了运动控制卡的硬件电路设计和驱动程序设计。
关键词：:运动控制卡，DSP， PCI 接口，伺服电机驱动器，WDM 驱动程序
0.联动控制的硬件基础
4 轴控制卡能够完成 4 轴合成运动控制，仅仅完成插补运算实现位置控制，是不能保证对复杂曲面
的加工精度和加工效率，必须要考虑 4 轴联动控制。传统的轴控制卡，可以通过插补实现两轴的联动，但
对于 3 轴以上的联动，需要设计专门的联动软件。由于受到微处理器运算速度和运算能力的限制，多轴联
动的速度和精度不能达到用户要求，因此传统轴控制卡也难以实现多轴控制。以 DSP 为核心微处理器的多
轴控制卡，因 DSP 采用精简指令结构和流水线技术，指令执行速度最高可达 40MIPS，单周期指令的执行
时间最快为 25nS，使得设计多轴联动轴控制卡成为可能。此外，在该轴卡上采用了双端口 RAM 作为 PC 的
CPU 和 DSP 之间的数据交换通道，这样可以解决在系统数据交换中容易形成的瓶颈堵塞现象，提高系统的
数据共享和处理能力，保证数据通道的畅通，充分发挥 DSP 的快速运算能力。
1. 运动控制卡总体方案设计
如图 1 所示，当前的运动控制卡大多采用 PCI+DSP+输入/输出控制接口的方式，控制卡通过控制电
机伺服驱动器实现对电机的控制。利用高速的 DSP 芯片实现系统控制处理和精插补算法，以循环的方式依
次对各轴电机进行处理，数控系统的状态和电机状态的采集和控制通过 I/0 接口完成。电机反馈信号通过
反馈接口处理送入系统，实现系统闭环。电机通常采用转速/转矩/位置控制方式，电机伺服驱动器提供电
机的当前转速和转矩反馈(模拟信号)。运动控制卡上的 DSP 芯片一般具有较快的处理速度和运算能力，在
笛卡尔坐标系下能够完成较好的控制功能。但在并联机构应用中，由于需要处理复杂的非线性运算，在高
速条件下实现多轴控制 4 轴以上时，控制器的运算处理速度不能满足需要。同时也不可能提供实现电机的
速度控制和复杂逻辑控制的条件。
图 1 运动控制卡总体方案设计
2.系统硬件设计
图 2 是整个运动控制系统硬件总体结构图，由工控机、DSP 运动控制卡、伺服接口板、伺服驱动器和伺
服电机等5 大部分组成，图中虚线框中是 DSP 伺服控制卡的部分，是硬件设计的主要部分。
运动控制卡的处理器选用 TI 公司的高性能浮点型 DSP TMS320VC33（后边简称VC33），控制卡上 6路
DA 转换器，DA 转换器的输出信号作为伺服驱动器的速度给定。每个伺服电机上装有一个16位精度的绝对
式光电码盘（经过伺服驱动器转换后可以作为相对式码盘使用），当光电码盘随伺服电机转动时，产生
正交脉冲输出，脉冲经过鉴相和倍频后，送给16位可逆计数器进行计数（鉴相、倍频和可逆计数器电路
均在 CPLD 中实现），VC33 读取可逆计数器中的值，形成当前位置值，和给定位置值做比较，信号之差作
为下一次控制的输入，形成了伺服电机的位置闭环系统。VC33 内部没有数字量输入输出单元，在伺服接口
板上设计数字量输入输出口扩展，并且数字量输入和输出单元与外界都采用了光耦进行隔离。 DSP 运动控
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基于DSP的四轴多功能运动控制卡硬件设计摘要：针对适于并联机构控制的新型运动控制卡的开发需求,提出4轴运动控制卡的软硬件的总体结构，并按照结构化和模块化的设计方法，确定了系统的各子模块的功能。完成了运动控制卡硬件电路部分的设计。在对DSP处理器TMS320VC33和PCI总线及一些重要芯片进行深入研究的基础上，实现了运动控制卡的硬件电路设计和驱动程序设计。关键词：:运动控制卡，DSP，PCI接口，伺服电机驱动器，WDM驱动程序0.联动控制的硬件基础4轴控制卡能够完成4轴合成运动控制，仅仅完成插补运算实现位置控制，是不能保证对复杂曲面的加工精度和加工效率，必须要考虑4轴联动控制。传统的轴控制卡，...
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