基于DSP的四轴多功能运动控制卡的研究与设计

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3.0 林婧 2024-09-20 5 4 3.5MB 96 页 150积分

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上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论

基于 DSP 的四轴多功能运动控制卡的研究与设计

摘要

本文针对适于并联机构控制的新型运动控制卡的开发需求，密切结合上海***

公司的运动控制科研项目，以高速、轻型、低成本并联机械手为控制目标，运用计算

机技术、电子技术和控制理论，系统研究了研发运动控制卡的若干关键技术。主要工

作和成果可以概括为:

（1）在分析和借鉴国内外商用运动控制卡的基础上，提出了运动控制卡的软

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。

（2）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，包括 PCI 总线接口电路、编码器信号采集电路、D/A 输出电路、开关量信号输入输

出电路等，整个电路具有元器件少、结构简单以及成本低的特点。

（3）完成了运动控制卡的驱动程序设计。采用了 WinDriver 进行运动控制卡的

驱动程序开发，并详细介绍了驱动程序的开发流程。采用这种方法可以大大的缩短

开发周期，提高工作效率。并同时介绍了部分功能库函数的设计。

（4）完成了系统调试平台的搭建，然后对运动控制卡的控制性能进行了调试，

调试结果表明本文所开发的运动控制卡能够完成很好的控制效果。

本文研发的开放式运动控制卡，具有结构简单、成本低廉、应用灵活等特点，

如经过进一步完善和改进，可广泛应用于相关工业控制领域。

关键词:运动控制卡，DSP， PCI 接口，伺服电机驱动器，WDM 驱动程序

上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论

Study and Design of Four-Axis Motion Controller Based on DSP

Abstract

To meet with the requirement of the parallel kinematic mechanism, this dissertation is

based on SHANGHAI *** Company and investigates Controller systematically, the key

issues in the development of a novel Motion manipulator. With the aid a high-speed, light-

weighted and low cost parallel computer technology, electric technology and control

theory, the following creative work has been completed.

(1) Based on a thorough analysis of the architecture of commercial motion

controllers, the systematic scheme of the Motion Controller is proposed. The hardware is

separated into independent functional modules, and the functions of each module are

designed.

(2) It finishes the hardware design of the motion control card. Based on the study on

the DSP Processor (TMS320VC33) and PCI bus and some important chips, the hardware

is designed, including PCI bus interface circuit, encoder collection circuit, D/A output

circuit, input and output circuit of switch signal. It has the characteristics of less element,

simple structure and low cost.

(3) It finishes the driver design for the motion control card. It uses Windriver for the

driver design, and introduces the driver design step of the motion control card in detail.

This method can reduce developing time greatly and improve work efficiency.

(4)It builds the system debug platform, debugs the performance of motion control

card. It is approvd that this card can get the perfect control effects.

The motion control card has advantages of simple structure, low cost, good

application and so on. If improving this motion control card, it might be widely used in the

control field. It has made a good foundation for designing a commercial open control card.

Keywords: Motion Controller; DSP; PCI Interface: Motor Servo Driver; WMD

driver

上海交通大学工程硕士学位论文                                                      第一章   绪论
目录
摘要...................................................................1
Abstract...............................................................2
第一章 绪论............................................................7
1 课题的研究背景..................................................7
2 国内外运动控制系统的研究现状...................................10
3 开发运动控制卡的若干关键技术...................................14
4 本课题的研究对象和内容.........................................14
第二章 联动机构运动学.................................................15
1 联动控制的提出.................................................15
2 联动控制的硬件基础.............................................16
3 4 轴联动控制的原理和算法.......................................16
3.1 平动坐标..................................................17
3.2 转动坐标..................................................20
3.3 时间与参数关系............................................22
3.4 4 坐标轴联动原理..........................................23
4 伺服电机控制算法...............................................23
5 四轴运动控制系统关节调试.......................................26
第三章 系统总体设计方案...............................................31
1 四轴位置控制系统简介...........................................31
1.1 系统设计原则..............................................31
1.2 系统设计目标..............................................31
2 运动控制卡总体方案设计.........................................32
3 系统硬件设计...................................................33
4 系统软件设计...................................................34
第四章 系统硬件模块的设计.............................................36
1 DSP 控制模块...................................................36
1.1 芯片选型.................................................36
1.2 模块总体框图.............................................38
1.3 时钟基准..................................................38

上海交通大学工程硕士学位论文                                                      第一章   绪论
1.4 地址译码和读写控制........................................39
1.5 VC33 复位和仿真口.........................................41
1.6 FLASH 存储器..............................................42
1.7 数模转换器 DAC7725........................................43
2 CPLD 计数模块..................................................45
2.1 EPM7128介绍..............................................45
2.2 光电码盘原理.............................................47
2.3 光电码盘计数器...........................................48
3 PCI 总线接口模块...............................................50
3.1 芯片选型.................................................50
3.2 PCI 总线接口设计..........................................51
3.3 地址空间分配..............................................52
4 双口RAM 模块...................................................54
5 伺服接口板.....................................................56
5.1 光电码盘输入接口.............................................57
5.2 数子量输入输出...............................................57
6 控制系统电源模块...............................................58
7 本章小节.......................................................60
第五章 四轴运动控制系统软件设计.......................................61
1 WDM 驱动程序...................................................61
1.1 驱动程序框架.............................................61
1.2 DriverStudio驱动开发.....................................62
1.3 驱动程序的安装...........................................66
1.4 动态链接库（DLL）........................................68
1.5 应用程序访问板卡.........................................71
2 VC33 程序设计..................................................73
2.1 指令系统.................................................73
2.2 集成开发环境 CCS..........................................74
2.3 VC33 程序引导方法.........................................75
2.4 C 语言编程和定时中断......................................77
3 本章小节.......................................................80
第六章 运动控制系统的调试.............................................82
1 运动控制卡在机器人系统中的应用.................................82

上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论

6.2 运动控制系统单关节调试.........................................83

6.2 运动控制系统双关节调试.........................................86

6.3 本章小节.......................................................92

第七章结论与展望.....................................................93

参考文献..............................................................94

上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论

第一章绪论

1.1 课题的研究背景

90年代问世的并联构型装备(Para11e1 Machine Too1),具有模块化程度高、刚

度质量比大、动态性能好、速度快、可重构等优点，因而具有十分广阔的应用前景[1]。

二十世纪九十年代以来，国际学术界和工程界对开发这类新型装备给予了极大的热

忱与关注，纷纷投入大量的人力和物力竞相开发，并相继推出了结构形式多样的产

品[2][3]。如法国 Renault Automation 公司推出Urane SX 卧式加工中心，其外观如

图1-1 所示；德国 Mikromat 公司的 6X Hexa立式加工中心，其外观如图1-2 所示；

德国Herkert 机床公司推出结构独特的 SKM 400 型卧式加工中心，其外观如图1-3

所示。

图1-1 Urane SX 卧式加工中心

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上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论基于DSP的四轴多功能运动控制卡的研究与设计摘要本文针对适于并联机构控制的新型运动控制卡的开发需求，密切结合上海***公司的运动控制科研项目，以高速、轻型、低成本并联机械手为控制目标，运用计算机技术、电子技术和控制理论，系统研究了研发运动控制卡的若干关键技术。主要工作和成果可以概括为:（1）在分析和借鉴国内外商用运动控制卡的基础上，提出了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。（2）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...

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