基于DSP的运动控制系统设计

摘要：为了满足CNC齿轮测量中心的测量精要求，针对定点数字信号处理器(DSP)TMS320LF2407A的特点，设计一种以DSP运动控制为核心的运动控制系统。该系统通过DSP内部集成的A／D转换模块对传感器电压值进行采样，由DSP控制给出指令，驱动电机运动，实现了位置控制，测量精度大大提高。并给出系统硬件电路设计。根据实际情况，给出CAMAC接口电路设计。
关键词：CNC；DSP；硬件组成；CAMAC；TMS320LF2407A

    随着工业中对运动控制的速度和精度要求越来越高，一般运动控制系统难以取得满意的控制效果。当前的数字电机控制系统中，大多采用单片机控制，由于单片机的结构和复杂的指令系统存在运算速度较慢，处理能力有限等问题。因此，单片机不能满足那些实时性和精度要求较高的控制场合。结合CNC齿轮测量中心，这里提出一种基于DSP的运动控制系统。该系统设计是以TMS320LF2407A型DSP为控制核心，采用“PC+CPLD+DSP”方案，实现电机的位置控制。

1 运动控制系统组成
    图l为基于CNC齿轮测量中心的运动控制系统原理框图，它主要由CAMAC接口电路、信号采集、DSP外围电路和电机驱动等4部分组成。

    上位机发送指令给以TMS320LF2407A型DSP为核心的控制系统，DSP以中断方式接收控制指令和参数，传感器信号反应测头与被测工件之间的位置偏差，该模拟信号经幅值变换电路后，作为控制信号送至DSP的A／D转换器。经片内控制器处理后，输出所接收到的控制指令和参数，经脉冲发生器和驱动放大电路送给步进电机，驱动电机执行相应动作。从而该运动控制系统能够精确测量被测工件。

2 系统硬件电路设计
2．1 DSP器件
    选用的TMS320LF2407A型定点DSP，采用高性能静态CMOS技术，供电电压为3．3 V，使得控制器功耗降低。片内集成有高达32 K字的Flash程序存储器，1．5 K字的数据／程序RAM，544字的双口RAM和2 K字的单口RAM。执行速度高达40 MI／s，提高控制器的实时控制能力。TMS3-20LF2407A具有2个时间管理模块EVA和EVB，每个事件管理器有2个16位通用定时器，8个16位脉宽调制(PWM)输出通道。该模块可实现同步A／D转换功能，高性能10位模数转换器的转换时间为375 ns，提供多达16路的模拟输入，具有自动排序功能，1个TMS320LF2407A控制器可控制多个电机。

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2．2 幅值变换电路
    在基于TMS320LF2407A的CNC齿轮测量中心的运动控制系统中，A／D转换器采集的信号是传感器的电压信号。传感器输出信号的范围为0～10 V，但TMS320LF2407A的A／D转换模块接收模拟信号为0～3．3 V的电压信号，为此，需对输入A／D转换器模块的传感器信号进行调理，转换成适合A／D转换模块0～3．3 V的电压信号，提供给DSP采样。图2为幅值转换电路。VIN为传感器输出经调理的O～10 V的电压信号；ACDI-N01为经过调理后输出的0～3．3 V电压信号(其中ACDIN01与DSP的ACDIN0l相连)。

2．3 JTAG边界接口电路
    在对DSP系统硬件仿真时，通过JTAG边界扫描接口在线监控DSP内部数据存储器、程序存储器和控制寄存器，能在TMS320LF2407A的开发环境CCS中下载程序到DSP器件中并进行硬件仿真。JTAG是一个14针的接口，与TI公司的仿真器相连。JTAG接口与TMS320LF2407A的连接如图3所示。其中EMU0和EMUl信号通过推荐的阻值为4．7 kΩ和10 kΩ的上拉电阻连接到3．3 V的电源，这样可保证信号上升时间小于10 μS。

2．4 CAMAC接口电路
    目前普遍采用微型或小型计算机及CPLD等作为CAMAC系统的控制元件，对于CAMAC，它是以仪器和接口为中心的系统组合，计算机和系统中的仪器设备都是通过接口挂在CAMAC总线上。它们之间无直接接口关系，当改换不同型号的计算机时，只需更换相应的接口即可，大大减少系统对计算机型号的依赖性和接口总数，使CAMAC测控系统易于实现与各种新型计算机的连接。
    CAMAC接口电路完成逻辑极性转换、接收总线信息，将N，A，F命令全译码，生成Q、L、X信号，并产生与总线相适应的输出。CAMAC命令在CPLD中进行设计完成，不同的N，A，F信号组合成不同的CAMAC命令，当使用已设计的CAMAC指令时便在相应的输出端产生高电平输出。此信号就可用于控制信号，CAMAC接口仿真如图4所示，从仿真图中看出，设计完成的CAMAC指令正确。

3 结束语
    本系统为CNC齿轮测量中的运动控制构造一个硬件平台，将基于DSP的硬件平台应用到CNC齿轮测量中心，通过DSP内部的控制算法提高齿轮测量中心的测量精度。DSP编写软件程序后，通过该平台控制步进电机的运动，最终达到对位置精确控制的目的。高性能的TMS320LF2407A器件实现控制系统中的复杂控制算法，大大提高控制系统的控制精度，在实时性和精度要求较高的场合具有广阔的应用前景。