基于DSP的雕刻机用直流伺服控制器硬件设计

　　引 言

　　运动控制器是数控系统的控制核心，其控制功能的强弱、控制性能的优劣直接关系着数控系统的加工质量与加工效率。国外先进的伺服运动控制器大都采用Tumizuka提出的零相位误差跟踪控制器(ZPETC)，同时，为了克服系统模型不确定和干扰引起的跟踪误差，引入了干扰观测器(DOB)，鉴于国内研发的直流伺服运动控制器尚没有广泛应用上述研究成果，本文针对雕刻机进行2维直流伺服控制器的硬件设计时，在吸收和消化国外技术的基础上，设计了一种结构简单、算法先进的2维直流伺服实时运动控制器，反复实验说明运动控制器具有运行稳定、跟踪精度高、加工速度快的特点，投人生产后将大幅提高国产雕刻机的性价比和市场竞争力。

　　1 雕刻机用直流伺服控制器硬件设计

　　1.1 直流伺服雕刻机系统结构

　　所研发的直流伺服雕刻机系统结构图如图1所示。上位机(根据插补算法的复杂程度选用相应的处理芯片，如51系列单片机或DSP)根据雕刻软件生成的轨迹坐标按照一定插补算法给出离散参考速度信号，并通过串口实时传送给直流伺服运动控制器。运动控制器根据给定的 轴和y轴参考速度信号(通过离散积分即可得到参考位移信号)，结合编码器反馈回的X轴和y轴实际位移输出，经ZPETC控制器、PD控制器和干扰观测器于一体的直流电动机伺服控制算法算出X轴和y轴两组PWM信号。这两组PWM信分别用来触发X轴和Y，轴电机的功率驱动模块(L6203)，控制雕刻机的X轴和Y轴电机运行来完成实际加工任务。

　　1.2 控制芯片选择

　　针对2维雕刻机加工平台的特点，上位机一次刻绘复杂图形轮廓经插补算法将生成数据总量达几十兆甚至更多兆的参考速度信号。如果运动控制器一次性接收完所有的参考速度信号再生成PWM信号后驱动电机开始雕刻加工，不但需要外扩相当容量的RAM来保存临时数据，而且也增加了系统硬件成本和复杂程度，同时，接收数据也会消耗数分钟甚至更长的时间，从而降低了系统的加工效率。

　　为了降低系统硬件成本，提高加工效率，运动控制芯片必须具备完成实时控制的能力，即在接收参考速度信号的同时就生成PWM信号驱动电机开始雕刻加工任务，这就要求控制芯片在完成复杂运动控制算法的同时还要有足够的时间来接收实时参考速度数据。本文选用TMS320C2812型32位定点DSP作为直流伺服运动控制器的控制芯片。该芯片主频高达150 MHz，内含的128 k×16位Flash存储器可用来存放运动控制程序。片内18 k×16位的SRAM可用来存放少量的实时参考速度信号和控制算法中需要的中问变量。如图1所示的片上异步串口通信(SCI)模块加上外扩的异步串口收发器(MAX3160)可用来实时接收上位机的参考速度信号，传输速率高达1 Mbps。