伺服电机PSDSP主从控制系统设计Word文档格式.doc
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在当今的数字化时代背景下，DSP己成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件。
业内人士预言，DSP将是未来集成电路中发展最快的电子产品，并成为电子产品更新换代的决定因素。
在DSP出现之前数字信号处理只能依靠MPU（微处理器）来完成。
但MPU较低的处理速度无法满足高速实时的要求。
因此，70年代有人提出了DSP的理论和算法基础。
而DSP仅仅停留在教科书上，即便是研制出来的DSP系统也是由分立组件组成的，其应用领域仅局限于军事、航空航大部门。
随着大规模集成电路技术的发展，1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。
这种DSP器件采用微米工艺NMOS技术制作，虽功耗和尺寸稍大，但运算速度却比MPU快了几十倍，尤其在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。
DSP芯片的问世标志着DSP应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。
随着CMOS技术的进步与发展，第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。
80年代后期，第三代DSP芯片问世，运算速度进一步提高，其应用于范围逐步扩大到通信、计算机领域。
90年代DSP发展最快，相继出现了第四代和第五代DSP器件。
现在的DSP属于第五代产品，它与第四代相比，系统集成度更高，将DSP芯核及外围组件综合集成在单一芯片上。
这种集成度极高的DSP芯片不仅在通信、计算机领域大显身手，而且逐渐渗透到人们日常消费领域，前景十分可观。
DSP产业在约40年的历程中经历了三个阶段：
第一阶段，DSP意味着数字信号处理，并作为一个新的理论体系广为流行。
随着这个时代的成熟，DSP进入了发展的第二阶段，在这个阶段，DSP代表数字信号处理器，这些DSP器件使我们生活的许多方面都发生了巨大的变化。
接下来又催生了第三阶段，这是一个赋能（enablement）的时期，我们将看到DSP理论和DSP架构都被嵌入到SoC类产品中。
”第一阶段，DSP意味着数字信号处理。
80年代开始了第二个阶段，DSP从概念走向了产品，TMS32010所实现的出色性能和特性备受业界关注。
方进先生在一篇文章中提到，新兴的DSP业务同时也承担着巨大的风险，究竟向哪里拓展是生死攸关的问题。
当设计师努力使DSP处理器每MIPS成本降到了适合于商用的低于10美元范围时，DSP在军事、工业和商业应用中不断获得成功。
到1991年，TI推出价格可与16位微处理器不相上下的DSP芯片，首次实现批量单价低于5美元，但所能提供的性能却是其5至10倍。
到90年代，多家公司跻身DSP领域与TI进行市场竞争。
TI首家提供可定制DSP——cDSP，cDSP基于内核DSP的设计可使DSP具有更高的系统集成度，大加速了产品的上市时间。
同时，TI瞄准DSP电子市场上成长速度最快的领域。
到90年代中期，这种可编程的DSP器件已广泛应用于数据通信、海量存储、语音处理、汽车电子、消费类音频和视频产品等等，其中最为辉煌的成就是在数字蜂窝电话中的成功。
这时，DSP业务也一跃成为TI最大的业务，这个阶段DSP每MIPS的价格已降到10美分到1美元的范围。
21世纪DSP发展进入第三个阶段，市场竞争更加激烈，TI及时调整DSP发展战略全局规划，并以全面的产品规划和完善的解决方案，加之全新的开发理念，深化产业化进程。
成就这一进展的前提就是DSP每MIPS价格目标已设定为几个美分或更低。
未来的DSP技术将更多的应用到我们的生活中，包括了数字信号处理器的内核结构进一步改善，多通道结构和单指令多重数据（SIMD）、特大指令字组（VLIM）将在新的高性能处理器中将占主导地位，如AnalogDevices的ADSP-2116x。
DSP和微处理器的融合：
微处理器是低成本的，主要执行智能定向控制任务的通用处理器能很好执行智能控制任务，但是数字信号处理功能很差。
而DSP的功能正好与之相反。
在许多应用中均需要同时具有智能控制和数字信号处理两种功能，如数字蜂窝电话就需要监测和声音处理功能。
因此，把DSP和微处理器结合起来，用单一芯片的处理器实现这两种功能，将加速个人通信机、智能电话、无线网络产品的开发，同时简化设计，减小PCB体积，降低功耗和整个系统的成本。
例如，有多个处理器的Motorola公司的DSP5665x，有协处理器功能的Massan公司FILU-200，把MCU功能扩展成DSP和MCU功能的TI公司的TMS320C27xx以及Hitachi公司的SH-DSP，都是DSP和MCU融合在一起的产品。
互联网和多媒体的应用需要将进一步加速这一融合过程。
DSP和高档CPU的融合：
大多数高档GPP如Pentium和PowerPC都是SIMD指令组的超标量结构，速度很快。
LSILogic公司的LSI401Z采用高档CPU的分支预示和动态缓冲技术，结构规范，利于编程，不用担心指令排队，使得性能大幅度提高。
Intel公司涉足数字信号处理器领域将会加速这种融合。
DSP和SOC的融合：
SOC（System-On-Chip）是指把一个系统集成在一块芯片上。
这个系统包括DSP和系统接口软件等。
比如Virata公司购买了LSILogic公司的ZSP400处理器内核使用许可证，将其与系统软件如USB、10BASET、以太网、UART、GPIO、HDLC等一起集成在芯片上，应用在xDSL上，得到了很好的经济效益。
因此，SOC芯片近几年销售很好，由1998年的1.6亿片猛增至1999年的3.45亿片。
1999年，约39%的SOC产品应用于通讯系统。
今后几年，SOC将以每年31%的平均速度增长，到2004年将达到13亿片。
毋庸置疑，SOC将成为市场中越来越耀眼的明星。
DSP和FPGA的融合：
FPGA是现场编程门阵列器件。
它和DSP集成在一块芯片上，可实现宽带信号处理，大大提高信号处理速度。
据报道，Xilinx公司的Virtex-IIFPGA对快速傅立叶变换（FFT）的处理可提高30倍以上。
它的芯片中有自由的FPGA可供编程。
Xilinx公司开发出一种称作Turbo卷积编译码器的高性能内核。
设计者可以在FPGA中集成一个或多个Turbo内核，它支持多路大数据流，以满足第三代（3G）WCDMA无线基站和手机的需要，同时大大节省开发时间，使功能的增加或性能的改善非常容易。
因此在无线通信、多媒体等领域将有广泛应用。
1.2伺服系统的历史发展概况
伺服系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。
又称随动系统。
在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。
伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。
伺服系统最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。
采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的：
①以小功率指令信号去控制大功率负载。
火炮控制和船舵控制就是典型的例子。
②在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动。
③使输出机械位移精确地跟踪电信号，如记录和指示仪表等。
衡量伺服系统性能的主要指标有频带宽度和精度。
频带宽度简称带宽，由系统频率响应特性来规定，反映伺服系统的跟踪的快速性。
带宽越大，快速性越好。
伺服系统的带宽主要受控制对象和执行机构的惯性的限制。
惯性越大，带宽越窄。
一般伺服系统的带宽小于15赫，大型设备伺服系统的带宽则在1～2赫以下。
自20世纪70年代以来，由于发展了力矩电机及高灵敏度测速机，使伺服系统实现了直接驱动，革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素，使带宽达到50赫，并成功应用在远程导弹、人造卫星、精密指挥仪等场所。
伺服系统的精度主要决定于所用的测量元件的精度。
因此，在伺服系统中必须采用高精度的测量元件，如精密电位器、自整角机、旋转变压器、光电编码器、光栅、磁栅和球栅等。
此外，也可采取附加措施来提高系统的精度，例如将测量元件（如自整角机）的测量轴通过减速器与转轴相连，使转轴的转角得到放大，来提高相对测量精度。
采用这种方案的伺服系统称为精测粗测系统或双通道系统。
通过减速器与转轴啮合的测角线路称精读数通道，直接取自转轴的测角线路称粗读数通道。
伺服系统按所用驱动元件的类型可分为机电伺服系统、液压伺服系统和气动伺服系统。
最基本的伺服系统包括伺服执行元件（电机、液压缸等）、反馈元件和伺服驱动器，但是要让这个系统运转起来还需要一个上位机构。
自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。
到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。
整个伺服装置市场都转向了交流系统。
早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行。
到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。
典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。
1.3PC/DSP主从控制的特点
在DSP控制伺服系统的基础上，实现PC机对多个DSP的主从控制，要设计这个主从控制系统，不可避免的要遇到以下的问题，PC机与DSP之间的通信，控制命令的形式装换。
在主从控制系统中，主机要与各个从机进行通信，因此首先必须解决从机识别这个问题，这属于通信协议的范畴。
常常采用的方法是地址识别，即给从机分别设定地址信息，方法是在数据前加地址字段或者直接在数据传送之前先发送地址帧，主机通过不同的地址信息来识别数据源。
地址信息的识别过程如下：
首先，从机处于只接受地址帧的状态；
主机发送一帧地址信息；
从机接受到地址帧后，将本机地址与地址帧中的地址进行比较，如果地址相同，则准备接受数据，否则丢弃当前帧，任然处于只接收地址帧的状态；
主机发送数据帧，相应的从机接受数据，数据传输完毕后，从机继续回到只接受地址帧的状态。
这一过程中，其他从机不受影响；
当主机需要与其他从机进行数据传输时，可以再次发送地址帧呼叫从机，重复这一过程。
同样的当从机要向主机发送先进时也要进行数据的转换，进行从机与主机之间的通信后，将数据发送给主机。
PC机与DSP通过多串口卡连接起来，通过串行口进行通信，实现了再次控制，利用DSP来控制伺服电机可以类似于PLC控制电机，DSP相当于一个可控制器，将我们输入的速度方向等信号通过PWM传递给伺服（步进）驱动器，进而来控制电动机的转速和方向。
PC/DSP主从控制的特点在于信号的准确度，在PC机与DSP之间的通信时，将数据先打包后传送再进行转换得到数据，不仅节省了数据传送的空间，也大大加强了数据的实用性。
同样建立一个主从控制系统，采用DSP也比较经济实惠。
1.4本课题的研究意义
基于DSP对伺服系统的控制，在本课题中，采用三个DSP分别控制一个步进电机，一个伺服直流电机，一个交流伺服电机，可以通过一台主机来控制三个DSP进而控制3个不同的电机，实现了多点控制操作，在实际生产中可用于流水线生产，不节约了很多的条件，还可以提高生产的效率。
主从控制的优点在于系统较为简单，应用广泛，可以自行设计控制程序，在控制的精度上能够达到较高的要求。
通过编码器对执行元件的速度位移进行信号反馈也大大地提高了数据的准确性，也可以将这种控制系统应用于更加复杂的伺服系统中了。
我们在实际生产中对伺服系统的选择往往有很多种，比如运动控制卡进行控制、PLC进行控制、液压系统进行控制、DSP进行控制。
用DSP这种全数字化的来进行控制能够实现多种功能，并且在其控制优与其他控制方式。
1.5本课题的主要研究内容及创新点
本课题研究的主要内容是DSP对不同系统的控制，DSP是一个中间且是一个重要的过程，计算机发出的指令要是DSP的能够识别并将其发送给伺服电机，伺服电机又要通过反馈系统将信号反馈给DSP，实现比较完全的控制。
DSP与电机驱动器之间的是通过PWM进行数据传送，由于PWM不能直接输送给步进驱动器，故要实现PWM控制，需要加入一个光耦进行数据转换。
通过对反馈信号与输入信号的比较可以得出这个系统的准确度，同时通过反馈的信号将输入信号进行改善，更能够使这个系统完善。
通过PC机对多个DSP的主从控制来实现多个电机的运行，可以进一步扩展到对一整个生产线的主从控制，本课题的创新点在于对DSP控制伺服电机的伺服系统有一个较为完善的测试和监控，能够实时的控制输入信号，达到最理想的状态。
使用多串口卡也在整个系统中起到了很关键的作用，主从控制是通过这个多串口卡实现的，通过串口通信能够使控制信号完完整整的到达电机位置，电机完成我们所需要的动作（速度方向）。
第2章总体方案的选择
2.1基本原理
如图2.1所示，要实现伺服电机PC/DSP的主从控制，需要一个PC机对多个DSP进行控制，本课题中用到了3个DSP，分别控制3台电机。
图2.1整体方案框图
2.2方案需要的条件
根据整体方案框图的结构可以看出，需要3个DSP，3个驱动器，3个电机和3个编码器以及一些必要的连接设备等。
本方案中采用了3个不同电机，分别是伺服直流电机、伺服交流电机、步进电机。
设计可以按照试验台的形式做出来，可根据具体的方案选定型号，见表2.1.
名称
型号
数量
DSP
TMS320F240
3个
多串口卡
MOXACP-104UL
1个
转换芯片
MAX232
直流伺服驱动器
MCDC505
直流伺服电机
60WGD-03
1台
交流伺服驱动器
ACS1806
交流伺服电机
ACM604
步进电机驱动器
2D-6209-V2C
步进电机
29BYG250
光电编码器
BCE94A/K20
光耦
6N138
整流器
ZDA-100/36
2个
小型熔断器
JXC45N
交流电源
220V
小型电源
输出电压0-24V
外接线
若干
试验台
规格不一样
4个
计算机
表2.1方案所需元件明细表
第3章试验台工作元件介绍
3.1DSP的选择
选择的DSP是TI公司的TMS320F240。
tms320f240系列是美国ti公司于1997年推出的，专为数字电机控制和其它控制应用系统而设计的16位定点数字信号处理器。
它将数字信号处理的高速运算功能与面向电机的强大控制能力结合在一起，从而成为传统的多微处理器单元和多片设计系统的理想替代品。
f240片内外设包括双10位a/d转换器，带有锁相环pll时钟模块，带中断的看门狗定时器模块，串行通信接口sci及串行外设接口spi，另外，还集成了一个事件管理模块evm。
因此，tms320f240不仅具有高速数据处理能力，还具有控制和事件管理能力，可完成人机界面、与上位机进行串行通信等功能。
tms320f240串行通信接口（sci）是一个标准的通用异步接收/发送（uart）通信接口。
它的接收器和发送器都是双级缓冲的，有自己的使能和中断位，可以半双工或全双工工作。
为保证数据的完整性，串行通信接口对接收的数据进行间断检测、奇偶性、超时和帧错误的检查。
串行通信接口的波特率可高达64kbps。
tms320f240的sci串行通信接口包括scirxd/io（串行通信数据接收，也可作普通io）和scitxd（串行通信数据发送，也可作普通io）两个引脚，与之相关的寄存器包括控制类寄存器和数据类寄存器。
其中，控制类寄存器有7个，分别用来设置数据格式协议和通信模式（sciccr）、中断使能和内部时钟使能（scictl1和scictl2）、中断优先级（scipri）、波特率（scihband和scilband）、引脚控制功能（scipc2）以及反映通信状态（scixst）等；
数据类寄存器有3个，分别是数据发送缓冲寄存器scitxbuf、数据接受缓冲寄存器scirxbuf和仿真数据接收缓冲寄存器scirxemu。
tms320f240的串行通信接口（sci）模块提供了两种工作方式：
（1）空闲线方式。
通过空闲状态的长短区分信息帧，信息帧里前面的信息块是地址信息，后面是数据信息。
（2）地址位方式。
数据格式上增加1个地址/数据位，该位为1表示信息块为地址信息，否则为数据信息。
地址位方式适合于短信息的传送，空闲线方式适合于长信息的传送。
3.2多串口卡的选择
选择的多串口卡是杭州微浪科技有限公司的MOXACP-104UL。
如图3.1所示：
图3.1MOXACP-104UL示意图
简介：
MOXACP-104通用PCI系列可满足PC服务器制造商目前大量使用的新式PCI插槽标准。
此外，CP-104通用PCI串口卡可使用在3.3V和5V的插槽，这使得MOXA卡可实际应用在所有PC服务器上。
而具备4个RS-232串口的CP-104UL串口卡，可用来连接数据撷取设备或大部份串口设备到PC或兼容的系统上。
特点：
·
超过800Kbps数据吞吐量，效能全球第一
通用的PCI兼容3.3/5V的PCI和PCI-X
为小型PC提供MD1低挡板支架多串口通讯卡
支持Windows2003/XP/2000/98/ME、Linux、UNIX驱动
内建的LED显示灯让维修及软件管理变得容易
单一5VDC电源需求
串口通讯速率最高可达921.6Kbps
支持128byteFIFO驱动程序和内建软硬件流量控制
内建15KVESD突波保护
3.3转换芯片的选择
由于多串口卡的外端是RS232接口，故需要选用与之配套的芯片MAX232，MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。
图3.2MAX232引脚图
引脚介绍：
第一部分是电荷泵电路。
由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。
功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道。
由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。
8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。
TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入
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