双CPU伺服运动控制器设计解析

　1　引　言
　　近年来，随着制造业的不断进步，现代制造业对精密化、精确化、高速化、自动化发展的要求越来越高，传统的运动控制器大部分采用8051系列的8位单片机，这种单片机虽然节省了开发周期，但缺乏灵活性，且运算能力有限，难以胜任高要求运作设备［ 1 ］ .DSP的数据运算和处理功能十分强大，即使在很复杂的控制系统中，其采样周期也可以取得很小，控制效果可以接近于连续系统。 把DSP与单片机各自优势相结合将是高性能数控系统的发展趋势。 本文针对数控系统的要求，开发了以TI公司的高性能浮点DSP和ATMEL公司的AT89C51为主控芯片的运动控制器。 它以嵌入式工业PC作为基本平台，通过PCI接口与嵌入式工业PC协调并进行数据交换，并以DSP高速运动控制卡作细插补和伺服控制的核心，来对永磁同步电动机的运动进行控制，取得了良好的应用效果。
　　2　HANUC CNC2000 i系统
　　HANUC CNC2000 i系统控制框图如图1所示，系统主要包括嵌入式PC、操作面板、运动控制模块、彩显、输入/输出模块、数控键盘、DNC模块几部分。为实现高速、高精确度曲面轮廓精加工，必须提高微段轮廓线的解释执行能力和伺服驱动特性，为了保证零件程序的传送、插补、加减速控制等的连续处理， CNC应具备足够高的数据处理能力。 但普通的PC机在工业现场控制中，存在体积大、功耗高、可靠性差等缺点。 基于这种情况， 嵌入式工业微机———PCl04总线模块应运而生。
　　
　　图1 HANUC CNC2000i数控系统结构框图
　　本系统的嵌入式PC采用Intel80486处理器，内置32M缓存，MS - DOS操作系统。 与传统的工业PC相比，其32M缓存保证了数控系统加工时的快速性和精确性。 因为，在加工的时候，缓存内的数据段直接和后续的译码程序相关联，所以缓存的容量越大，所存储的程序越多，执行起来也越快，并且还能进行小线段插补，充分保证了加工的精确度。 与其相连的DNC模块可通过RS232接口与上位机通信，使得整个系统具有良好的开放性。运动控制模块是本系统的核心，它以智能功率模块为开关器件，以TMSLF2407 +AT89C51为硬件控制核心，采用空间矢量控制方法。 它发出控制命令给伺服放大器，伺服放大器得到信号后发出指令控制交流永磁伺服电机，编码器将实际工作情况通过伺服放大器返回给运动控制模块，这种闭环控制模式充分保证了加工精确度。 通过正、负限位开关防止“飞车”、失控等危险事故发生。 交流伺服驱动系统的结构如图2所示。
　　
　　图2 交流伺服驱动系统结构图
　　TMSLF2407是用来实现电流环、速度环、SVP2WM信号发生、故障检测、保护、信号处理及实时性比较高的矢量控制和闭环控制。 用单片机完成实时性要求比较低的管理任务，如I/O接口管理、键盘处理、显示、串行通讯等。 FPGA 用于AT89C51与DSP之间的数据交换。 且系统可支持模拟速度输入、数字速度输入、脉冲输入及通过上位机进行控制等功能。