两轴运动控制卡软件体系研究

李然

摘要：数控技术产生于20世纪50年代，随着半导体电子器件和软件技术的迅猛发展，数控技术已从最早的电子管时代变身为当前的微处理器时代。本课题通过CCS软件写入程序，实现DSP芯片与计算机的数据互联，通过此电路完成对电机的控制。

天津天筑建材有限公司作为目前国内规模最大、设备最先进的砂加气制品生产企业与研发基地，其三条加气混凝土生产线全部引进德国威翰公司的机械设备及数控系统。在软件应用体系中，TMS320F2812DSP芯片因其高性能、低功耗的显著特点而被广泛应用于数控编程中，通过编写程序实现对电机及设备的控制。本课题的主要工作是对两轴运动控制卡进行软件设计。设计的软件系统的目的是通过编写程序控制直流电机的运转。本实验可以实现电机的转速逐级递减，并且改变电机的转向。

为了验证软件系统的有效性，本课题使用F2812开发板进行实验，在此基础上实现了直流电机的有效控制。

关键词：运动控制卡；数控；开放式；建材设备；软件系统设计

第一章绪论

1.1课题的研究背景

1.1.1数控技术简介

数控技术，简称数控（NumericalControl），即采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现，其技术范围覆盖有：机械制造技术，信息处理、加工、传输技术，自动控制技术，伺服驱动技术，传感器技术，软件技术等。

1.1.2数控技术的发展趋势

随着科学技术的不断发展，数控技术的发展越来越快，数控机床朝着高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方向发展。但最主要的发展趋势就是采用“PC＋运动控制器”的开放式数控系统，它不仅具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制精确、通用性好等特点，而且还从很大程度上提高了现有加工制造的精度、柔性和应付市场需求的能力。美国将其称为新一代的工业控制器，日本称其将带来第三次工业革命。

1.2本论文的主要研究内容

1.2.1研究内容及特点

（1）、运动控制卡的构成：

DSP模块、电源模块、SRAM模块、DA模块。

（2）、运动控制卡的主要特点：

最高频率150MHz、数模两种接口、主核心模块和接口模块分离。

1.2.2本文主要内容概括

（1）、本课题的研究内容为两轴运动控制卡的程序设计，本文主要侧重于软件系统的设计及研究。

（2）、对两轴运动控制卡的软件体系进行整体的概括和描述，对该体系进行初步概览。

（3）、以软件系统设计为主，对实验中的各个模块逐一进行介绍，包括设计思路，实验流程，以及具体的程序描述。

（4）、详细描述整个实验的操作流程，在实际操作中发现问题并加以解决。

（5）、对本文所研究的课题进行总结和展望。

第二章软件系统设计

2.1芯片初始化程序介绍

DSP开发有专门的开发工具和开发环境，系统中采用的DSP芯片型号是TMS320F2812，其开发环境是CCS3.3软件。CCS（CodeComposerStudio）是TI公司推出的针对于开发DSP芯片的集成开发环境，采用Windows风格界面，集编辑、编译、连接、软件仿真、硬件调试及实施跟踪等功能与一体，功能强大，操作方便。

2.2软件系统设计

2.3主程序设计

2.3.1主程序通过使用DSP内部的定时器0来实现PWM输出的控制，软件流程如下：

（1）、初始化系统

（2）、关中断

（3）、初始化PIE

（4）、初始化PIE中断矢量表

（5）、EALLOW保护

（6）、初始化外部RAM，在RAM中写入数据

（7）、初始化EV

（8）、初始化外设

（9）、设置定时器0

（10）、开中断

（11）、剔看门狗

2.3.2中断程序设计

中断程序的具体流程如下：

（1）响应中断寄存器清除，写1清0，进而才能接收下一外围中断；

（2）通过对比较方式控制寄存器的配置使电机反转；

（3）占空比越小，转得越快。

第三章实验原理及实验步骤

3.1实验原理

3.1.1、TMS320F2812内部有三个32位通用定时器（TIMER0/1/2），定时器1和2被保留给实时操作系统（DSPBIOS）用，只有定时器0可以提供给用户使用。

3.1.2、中断响应过程

（1）接受中断请求。必须由软件中断（从程序代码）或硬件中断（从一个引脚或一个基于芯片的设备）提出请求去暂停当前主程序的执行。

（2）响应中断。必须能够响应中断请求。如果中断是可屏蔽的，则必须满足一定的条件，按照一定的顺序去执行。而对于非可屏蔽中断和软件中断，会立即做出响应。

（3）准备执行中断服务程序并保存寄存器的值。

（4）执行中断服务子程序。调用相应的中断服务程序ISR，进入预先规定的向量地址，并且执行已写好的ISR。

3.1.3、本实验演示2812通过片内的事件管理器，产生两路PWM波形，通过H电桥，驱动直流电机运转。

3.2实验步骤

3.2.1、将直流电机连接到F2812开发板，连接F2812开发板和TIDSP仿真器，再将两者分别连接于电脑。如图3.1所示。打开开发板开关。

图3.5中，read0显示了向SRAM中写入的数据值，read1显示了占空比的数值，counter显示了调速的次数。

3.3实验结果

在实验运行中产生中断，说明定时器0正常运行；在中断过程中，电机的速度逐渐减慢，说明通过占空比调节电机的运行速度成功，进而证明SRAM读写正常；电机转速和转向的改变，是通过改变占空比和相应寄存器的配置而实现的，说明事件管理器产生的两路PWM波形驱动了直流电机的运转。

结束语

本文介绍了两轴运动控制卡软件系统的设计原理及设计方法，并通过DSP硬件进行具体实现。通过仿真及实验验证，表明所设计的软件系统可实现电机的运转、减速及停止，并可通过更改程序实现电机运转速度和运转方向的改变。该软件系统可应用于建材生产线中的多个自动化机械设备，如切割机、翻转机、掰板机等，具有接口丰富、性能强、运行可靠等优点，同时既可以与上位机联机使用，也可以独立运行，从而具有更广阔的应用空间。

参考文献：

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[4]TexasInstrumentsIncorporated著、张卫宁编译.TMS320C28x系列DSP的CPU与外设[M].清华大学出版社，2004

[5]张连军，何春俐.开放式数控系统的发展现状[J].机械管理开发，2010，25（1）：15-16

作者简介：

李然/女，1990年出生，助理工程师，天津天筑建材有限公司，从事设备管理工作。