硕士学位论文-基于PCI的嵌入式运动控制系统的研究.doc

四川大学 硕士学位论文 题 目 基于FPGA的PCI接口运动控制卡的研究 作 者 完成日期 2006 年 5月 20日 四 川 大 学 副教授 控制理论与控制工程 计算机控制与管理 年 月 日 培 养 单 位指 导 老 师专 业研 究 方 向授予学位日期 四川大学硕士学位论文 基于FPGA的PCI接口运动控制卡的研究基于PCI的嵌入式运动控制系统的研究控制理论与控制工程专业研究生 覃琴 指导教师 雷勇制造业是一个国家工业的基础，而制造技术又是制造业的技术支柱，制造业水平的高低是衡量一个国家工业发达程度的重要标志。以传统机电工业为代表的制造业，正经历着深刻的变革。在这场革命中，大力发展先进的制造技术已成为各国最重要的几大技术战略之一，先进制造技术已经是国际竞争与产品革新的一种重要手段。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是先进制造技术的基础，是发展新兴高新技术产业和尖端工业的最基本的装备，是制造业现代化的重要基础，这个基础牢固与否将直接影响到国家的经济发展和综合国力，关系到国家的战略地位。运动控制器是以中央逻辑单元为核心，以传感器为信号敏感元件，以电机/动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。对于数控系统来说，最重要的是控制各个电机轴的运动，这是运动控制器接收并依照数控装置的指令来控制各个电机轴运动从而实现数控加工的，数据加工中的定位控制精度、速度调节的性能等重要指标都与运动控制器直接相关。目前对数控系统的研究都集中在插入PC的NC控制器的研究上，而其核心部分就是对步进、伺服电机进行控制的运动控制卡的研究。对PC-NC来说，运动控制卡的性能很大程度上决定了整个数控系统的性能，而微电子和数字信号处理技术的发展及其应用，使运动控制卡的性能得到了不断改进，集成度和可靠性大大提高。本课题通过对运动控制技术的深入研究，并针对国内运动控制技术的研究起步较晚的现状，结合当前嵌入式领域的具体需要，紧跟当前运动控制技术研究的发展趋势，吸收了数控技术和相关运动控制技术的最新成果，提出了基于PCI和FPGA的方案 ，研制了一款比较新颖的、功能强大的、具有很大柔性的四轴多功能运动控制卡。本课题的具体研究主要有以下几方面：首先，通过对运动控制卡及嵌入式系统等行业现状的全面调研，和对运动控制技术的深入学习，在比较了几种常用的运动控制方案的基础上，提出了基于FPGA 的运动控制设计方案，并规划了板卡的总体设计。其次，根据总体设计，规划了板卡的结构，详细划分并实现了FPGA各部分的功能；利用光电隔离原理设计了数字输入/输出电路。再次，利用FPGA的资源实现了PCI从设备接口，达到跟控制卡通信的目的，针对运动控制中的一些具体问题，如运动平稳性、实时控制以及多轴联动等，在FPGA上设计了四轴运动控制电路，定义了各个寄存器的具体功能，设计了功能齐全的加/减速控制电路、变频分配电路、倍频分频电路和三个功能各异的计数器电路等，自动降速点运动、A/B相编码器倍频计数电路等特殊功能。最后，进行了本运动控制卡的测试，实现了全数字测速在本运动控制卡中的应用，从测试和应用结果来看，该卡达到预期的要求。关键词：PCI 数控 运动控制卡 FPGAThe Research of Motion Control BoardBased on FPGACandidate：QinQin Supervisor： Lei YongMotion Controller (MC) is a control device that regards its central logic unit as the core, sensor as the sensitive component, and electromotor or executive unit as the controlled object. MC is very important in the ONCS, because it is the most important to control the movement of the motor of each axis in the NC system and the precision of position control and performance of velocity adjusting are directly related to MC. In the present, all of the researches of ONCS focus on that of the PC-based NC control device, whose key is the research of Motion Control Board (MCB) which is used to control stepping or servo motor. To PC-NC, in some degree, the performance of MCB decides that of the whole NC system, further more, the development and application of technology of macroelectronics and Digital Signal Processing continuously improve the performance of MCB and greatly increase the level of integration and dependability.During the research, through the overall survey of ONCS and deep study of Motion Control Technology (MCT), facing the behindhand actuality of research of domestic MCT, to meet the practical requirements of the laser carving field, following the developing trend of the present MCT, drawing on the new production of the present ONCS and relating MCT, bringing forward the solution based on FPGA, we have developed a four-axis multifunctional MCB which is very original, powerful and flexible.In the paper, there are the following major contents:Firstly, through the overall survey of ONCS, embedded system and MCB, and deep study of MCT, after comparing the common solutions of motion control, we brought forward the solution of motion control based on FPGA, and made out the whole design solution of board.Secondly, according to the whole design solution, we figured out the whole architecture of board, and plotted out and implemented the respective function of FPGA in detail. Further more, we designed digital input/output circuit according to the principle of photoelectricity isolation, four-channel analog output circuit by the priciple of DAC and put forward effective anti-jamming measures in allusion to common jamming phenomena.Thirdly, in allusion to some prcatical problems in the motion control, such as high speed, high precision, motion stabilization, real-time control and muti-axis contouring control, etc, we designed a four-axis MCB in the FPGA. We defined the functions of all of the registers in detail, designed perfect Acceleration/ Deceleration Control Circuit, Variable Frequency Divider Circuit, Multiplication Factor Frequency Divider Circuit and three different counter circuits, achieved special functions of the S-curve Acceleration/ Deceleration Control, Ramping-down Point Counter & Calculation Circuit and A/B encoder multi-frequency circuit, etc.Finally, we made out the test of board and came true the application of full-digital measure on the board. The motion control board met anticipative demand according to the result of test and application.Keywords: FPGA, Numerical Control, Motion Control Board PCI74目 录1 绪论11.1 开放式数控及其发展11.1.1 开放式数控系统的基本特征21.1.2 国内外数控系统技术的发展21.1.3 现代数控技术的发展趋势41.2 运动控制器及其研究现状51.2.1 运动控制器的特点及发展现状51.2.2 常见运动控制系统上位控制方案61.2.3 基于PC机的运动控制卡常见解决方案71.2.4 基于单FPGA的方案111.3 本课题的意义及论文的主要内容112 系统总体方案设计132.1 运动系统的控制技术132.1.1 连续运动轨迹插补原理132.1.2 位置控制技术142.2 基于PCI的运动控制卡162.2.1 嵌入式系统概念163 运动控制卡硬件设计173.1 可编程逻辑器件简介17MPC07结构示意图18MPC07转接卡结构示意图19功能模块分析19模块119模块2193.4 外围电路设计193.4.1 光电隔离原理193.4.2 数字I/O信号的接线方法20可编程器件的程序设计22程序（或功能）模块1（PCI模块）25功能说明25流程图（C等）/方框图（FPGA）26PCI接口配置空间的实现304 基于FPGA的运动控制模块（MCM）324.1 MCM总体结构324.2 寄存器模块344.2.1 寄存器寻址344.2.2 参数寄存器344.2.3 命令和状态缓冲器364.3 速度模式模块404.3.1 倍率因子参数414.3.2 脉冲频率、414.3.3 加速、减速参数寄存器R4、R5424.3.4 S-曲线加速部分寄存器R14424.3.5 S-曲线减速部分寄存器R15424.3.6 加/减速时间434.3.7 自动降速点434.4 输出脉冲产生电路模块464.4.1 加/减速控制电路474.4.2 变频分配电路494.4.3 倍率分频电路504.5 编码器模块设计504.6 计数器模块电路524.6.1 预置计数器524.6.2 自动降速点计数器524.6.3 当前位置计数器544.7 操作模式模块544.7.1 连续模式554.7.2 预置模式564.7.3 回零模式565 基于PCI的嵌入式运动控制卡的系统测试595.1 PCI与CPLD的数据交换595.1.1 运动控制芯片内的地址空间595.1.2 PC机对寄存器的读写操作605.2 CPLD与FPGA的数据交换615.2.1 FPGA内运动控制模块的内部寄存器615.2.2 运动控制函数库615.2.3 运动控制卡功能测试645.3 全数字转速测量在本卡中的实现655.3.1 前言655.3.2 M/T转速测量法工作原理665.3.3 全数字转速测量电路675.3.4 运行结果与误差分析696 全文总结与展望706.1 全文总结706.2 研究展望70参考文献72声 明致 谢1 绪论制造业是国民经济的基础产业，其水平高低是衡量一个国家工业发达程度的重要标志1。大力发展先进的制造技术已成为世界各国最重要的几大技术战略之一。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是发展新兴高新技术产业和尖端工业的最基本的装备，是制造业现代化的重要基础 1。要发展先进制造技术，首先必须重视制造单元技术（数控技术、加工单元、柔性制造单元等）。计算机数控技术14（Computer Numerical Control，简称CNC）集传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电于一体，是现代制造技术的基础。它的广泛使用给机械制造业生产方式、产业结构、管理方式带来深刻的变化。数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，现代CAD/CAM、FMS、CIMS等也都是以数控技术为基础。因此数控技术水平的高低已成为衡量一个国家工业自动化的重要标志。数控系统是数控技术的核心，也是数控发展的关键技术，其功能强弱、性能优劣直接影响着数控设备的加工质量和效能发挥，对整个制造系统的集成控制、高效运行、更新发展都具有至关重要的影响3-4。因此，数控系统技术不仅作为数控发展的先导技术，而且作为制造业的基础性战略技术，越来越受到世界各国的重视和发展。1.1 开放式数控及其发展数字控制技术5（Numerical Control，简称NC），是近代发展起来的一种自动控制技术，是使用数字信号对机床的运动及加工过程进行控制的一种方法。数控系统（Numerical Control System）是一种控制系统，它能自动完成信息的输入、译码、运算，从而控制机床的运动和加工过程。数控系统一般包括数控装置、可编程控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）、伺服驱动系统及进给装置等部分。数控装置是数控机床的核心，它完成信息的输入、存储、变换、插补运算以及实现各种控制功能。伺服系统及进给装置接收数控装置的指令，驱动机床执行机构运动。1.1.1 开放式数控系统的基本特征根据国际电气和电子工程师协会（IEEE）关于开放式系统的定义：能够在多种不同的平台上运行，可以和其他系统的应用互操作，并能给用户提供一种一致风格的交互方式。开放式体系结构普遍采用模块化、层次化的结构，并通过各种形式向外提供统一的应用程序接口，具有可移植性、可扩展性、互操作性和可缩放性等特点，即系统组成的内部开放化和系统组成各部件之间的开放化。开放式系统具有以下基本特征：1. 开放性。提供标准化环境的基础平台，允许不同功能和不同开发商的软硬件模块介入。2. 可互操作性。通过提供标准化接口、通信和交互机制，使不同的功能模块与标准的应用程序接口运行于系统平台之上，并获得平等的相互操作能力，协调工作。3. 可移植性。系统的功能软件与设备无关，即应用统一的数据格式、交互模型、控制机理，使构成系统的各个功能模块可来源于不同的开发商提供的硬件平台之上。4. 可扩展性。CNC系统的功能、模块可以灵活设置，方便修改，既可以增加硬件或软件构成功能更强的系统，也可以裁减其功能以适应低端应用。5. 可互换性。不同性能、不同可靠性和不同能力的功能模块可以相互替代，而不影响系统的协调运行。1.1.2 国内外数控系统技术的发展数控技术从一诞生起就同其它技术紧密联系在一起，是机械、微电子、自动控制、计算机信息等技术交叉应用的产物。随着计算机技术，特别是微电子技术的发展，数控技术无论在硬件或软件方面发展都很快，数控系统已经历了四个发展阶段6-9：1. 1956年1974年，专用硬件NC时代这一阶段的数控系统，各种控制功能均由硬件逻辑完成，成为“硬件”数控，其功能简单，灵活性差，设计周期长，系统可靠性低，因而限制了其进一步发展和应用。2. 1975年1989年，专用计算机数控时代，即微处理器NC时代70年代末、80年代初，随着超大规模集成电路、大容量存储器、CRT的普及应用，CNC系统得到进一步发展。它虽然仍以微处理器为基础，但控制功能更为完备，具备了多功能的技术特征，尤其在软件技术方面发展更快，具有了交互式对话编程，三维图形动显示/校验，实时软件精度补偿等功能。在系统体系结构上，开始出现了柔性化、模块化的多处理机结构。数控系统产品也逐步实现了标准化、系列化。3. 1990年1995年，高速高精度CNC的开发与应用阶段32位CPU以其很强的数据处理能力在CNC中得到了应用，使CNC系统进入了面向高速、高精度的CNC的开发与应用阶段。总结上述数控系统的三个发展历程，NC装置存在着以下局限性：1) 不能自由地从信息网上选取信息；2) 体系结构不开放，用户接口不完善，机械厂家和用户不能自主地根据需要对数控系统进行裁剪，用户自身的技术诀窍不能方便地融入，创造出自己的名牌产品；3) 不能充分地利用已有的通用软件资源；4) 不能自由地获取外部的工况信息；5) 体系结构繁多，不利于批量生产、提高可靠性和降低成本，削弱了市场供应能力和竞争能力，同时限制了数控技术的发展。4. 1996年至今，开始全PC开放式智能化数控新阶段数控系统进入基于PC的CNC系统阶段。PC的引入，不仅为CNC提供十分坚实的硬件资源和极其丰富的软件资源，更为CNC的开放式提供了基础12-14。与国际先进水平相比，我国国内的数控技术和产业经过40多年的发展，从无到有，从引进消化到拥有自己独立的自主版权，取得了相当大的进步。但回顾这几十年的发展，可以看到我国在数控领域的进步主要还是按国外一些模式，按部就班地发展，真正创新的成分不多1。1.1.3 现代数控技术的发展趋势为更好满足市场和科学技术发展的需要，满足现代制造技术对数控技术提出的要求，当今数控技术呈现新的发展趋势，主要体现在以下几个方面：1. 加工控制的高速化、高精度化 15加工速度和加工精度可靠性是衡量CNC系统性能的主要指标。当今先进的CNC系统都已完成了由16位处理器向32位微处理器的过渡，大大提高了CNC的数据处理能力和程序执行速度。不少系统通过配置多微处理器实现分散处理，采用实时多任务操作系统进行并行处理的措施，进一步提高系统的数据处理速度，为高速高精度加工控制指标的实现创造了必要的条件，使得高速进给运动控制中的自适应平滑升降速控制、自由曲线加工的内部矢量精插补等复杂算法得以实现，系统的控制指标大幅度提高。2. 智能化、开放化、网络化1、柔性化和集成化1) 智能化15运用体现在数控系统中以下几个方面：I. 为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成；II. 为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；III. 简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等；IV. 智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修等。2) 数控系统体系结构开放性16-17主要是为了满足数控进线、联网、普及型个性化，多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求。3) 柔性化和集成化柔性化技术的重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓、完善，使CNC单机易于向高精度、高速度和高柔性方向发展，使数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS联网，向信息集成方向发展。1.2 运动控制器及其研究现状1.2.1 运动控制器的特点及发展现状运动控制器是以微处理器为核心，以传感器为信号敏感元件，以电机/动力装置和执行机构为运动控制对象，以实现预定运动轨迹目标的一种控制装置。随着自动化技术的进一步发展，运动控制器（步进、交流、直流）的应用已走出机械加工行业，越来越多地应用于其它工业自动化设备控制。主要数控技术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。与传统的数控装置相比，运动控制器具有以下特点：1. 技术更新，功能更加强大，可以实现多种运动轨迹的控制，是传统数控装置的换代产品；2. 结构形式模块化，可以方便地相互组合，建立适用不同场合、不同功能需求的控制系统；3. 操作简单，在PC机上经简单编程即可实现运动控制，而不一定需要专门的数控软件。以运动控制器作为独立的标准部件可以明显缩短新产品的研制开发周期，有利于使用者创造自己的品牌产品。目前，由于以DSP为代表的高速、高性能专用微处理器的出现和PC机的广泛普及，开放式运动控制器的发展趋势是以DSP芯片作运动控制处理器，以PC机作为信息处理平台，运动控制器以插卡形式嵌入PC机，即“PC+运动控制器”的模式。这样将PC机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合在一起，具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点。1. 国外广大的科技人员对基于DSP的运动控制器进行了深入研究，并取得了较好的成绩，主要研究成果 7-14有美国Delta Tau公司、NI（美国国家仪器）和德国MOVTEC公司的各种运动控制卡，其中，美国Delta Tau公司开发出基于DSP的PMAC运动控制卡，可完成插补运算，伺服控制， PLC控制等实时控制功能。具有S曲线加/减速功能，可以实现直线、圆弧、螺旋线等多种插补方式，提供全新的高性能数字控制技术和WINDOWS平台，并且可以方便地加入系统的硬件和软件，能够根据实际需要扩展功能，满足用户在自动控制各领域中的应用。 PMAC可同时控制18根轴，每秒可执行500个程序段，得到较为广泛的应用。2. 国内针对运动控制器的研究从近几年开始开展的比较多，但目前没有专门用于开放式体系结构的运动控制器，从现有的文献来看主要是各个高校或科研院所为自己设计的基于PC的数控系统的运动控制卡，并没有形成一种通用的、系列化供应于市场的产品。1.2.2 常见运动控制系统上位控制方案运动控制器是控制技术和运动系统相结合的产物。在现代电子技术的支持下，它通常以微处理器为核心，综合软件编程、运动轨迹设计、控制算法分析、各运动部件的实时驱动等功能，达到总体运动控制效果。在运动控制中，运动控制器还需对具体的运动速度、加速度、位置误差等进行实时监控，并对相关情况等作出反应。运动控制器是从主机接收控制指令，从位置传感器接收位置信息，向伺服电机功率驱动电路输出运动指令。对于伺服电机位置闭环系统来说，它们主要是完成了位置环作用，可称为数字伺服运动控制器，适用于一切交直流和步进电机的闭环控制。专用控制器的使用可把主机的轨迹插补与伺服闭环控制分离开来，减少了主机计算负担，且所有控制参数都可以由程序设定，系统硬件设计简单，位置环容易调整，有利于提高系统可靠性。运动控制系统的上位控制方案一般有以下几种18：1. 单片机系统采用单片机系统来实现运动控制，成本较低，但开发难度较大，周期长。这种方案适应于产品批量较大、控制系统功能简单、有单片机开发经验的用户。2. 专业运动控制PLC许多品牌的PLC都可选配定位控制模块，有些PLC的CPU单元本身就具有运动控制功能（如松下FP0）。这种方案一般适用于运动过程比较简单、运动轨迹固定的设备，如送料系统、自动焊机等。如果需要简单修改少量运动参数，如速度、位移等，可与工业人机界面配合使用。3. PC机和I/O卡用I/O卡通过PC机也可以输出脉冲和方向信号来控制步进或数字式伺服电机，但所发的脉冲只能由软件编程来实现，所以在运动时发脉冲将占用PC机CPU大量的时间；另外，软件发脉冲受到微机定时器的限制，最大脉冲频率一般在100KHz左右，在控制伺服电机时会有速度和精度的矛盾问题；再者，在Windows环境下由于其多任务的机制，若没有深入Windows内核进行底层编程来发脉冲，几乎不可能保证脉冲的均匀性。4. PC机和专业运动控制卡这种方案随着PC机的普及使用越来越多，将是运动控制系统的一个主要的发展趋势。这种方案可充分的利用计算机资源，可用于运动过程、运动轨迹都比较复杂，而且柔性要求高的设备。在这种方案中，运动控制卡只需要从微机接收控制命令，然后自己完成与运动有关的控制：发脉冲/方向信号、检测限位/原点等信号，几乎不占用微机CPU时间。这样微机可处理其它控制和检测任务：检测其它状态、处理键盘和显示消息、数据分析和计算等。大多数专用运动控制卡都提供了Windows环境下的动态链接库，使用非常方便，不仅大大缩短产品研制和开发周期，而且能够实现更完善的运动控制系统。1.2.3 基于PC机的运动控制卡常见解决方案从用户使用的角度来看，基于PC机的运动控制卡主要是功能上的差别：硬件接口（输入/输出信号的种类、性能）和软件接口（运动控制函数库的功能函数）。根据运动控制卡的主控芯片，一般有以下几种方案：1. 基于大规模集成电路，如8253、8254，利用其内部的计数器功能，可通过编码器改变其脉冲输出频率和脉冲输出数，实现步进电机的速度和位置控制。其硬件组成如图1.1。信号交换器电路控制总线、地址总线缓冲电路时钟电路输出锁存电路卡地址译码选择电路信号分频电路输出放大电路数据总线缓冲电路通道A输出通道B输出PC总线接口图1.1 基于8254的步进电机控制卡硬件组成框图2. 基于单片机，如8031、8098，这种方案比第一种要灵活的多，可通过硬件实现许多功能。以单片机为主控芯片，成本较低，外围电路较为复杂，要加上存储器、编码器信号处理及D/A转换电路等，其控制算法有事先编好的程序固化在存储器中。该方案采用在程序中靠延时来控制发脉冲，脉冲波形的质量和频率都受到限制，所以一般用于步进电机控制。图1.2是基于80C196的交流伺服电机控制卡的硬件结构框图19。/BB/AAINT1(IRQ11)INT0(IRQ10)ISA总线INT1INT0上位机数据缓冲器数据锁存器地址译码器80C196KCCPU位置控制部分光 电编码器差 分接收器光电隔离四倍频电路8254计数器图1.2基于80C196的交流伺服电机控制卡硬件结构框图数据线PC总线接口地址译码步进电机控制器缓冲器光隔离输出脉冲、方向信号输出中断选择译码控制器光隔离输入开关信号输入I/O模块TTL输出TTL输入地址线图1.3 步进电机控制卡硬件组成框图3. 基于专用运动控制芯片。该方案是将实现电机控制所需的各种逻辑功能做在一块专用集成电路内，并提供一些专用的控制指令，同时具有一些诸如限位、零位开关处理、电机使能、报警等必须的辅助功能，使用户的软件设计工作都减少到最小程度。集成度高，可靠性、实时性等较好；输出脉冲频率可达到几兆赫兹，能够满足对步进电机和数字式伺服电机的控制。其硬件组成如图1.3。4. 基于数字信号处理器（DSP）型。90年代以来，数字信号处理器（DSP）在运动控制中得到越来越广泛的应用，这主要是因为它的高速运算使得很多复杂的控制算法和功能得以实现，而且集成度高，可以实现高精度多轴伺服控制。成都步进机电有限公司研制的基于数字信号处理器（DSP）和现场可编程门阵列（FPGA）器件的MPC03型的运动控制卡，其速度高、性能好、精度高和平稳性好等优点在激光雕刻行业得到广泛应用。其硬件组成如图1.4。PCI局部总线PCI总线控制器(PCI_DP) PCI总线接口DSPFlashSRAMFPGADACEPROM四路模拟信号输出普通光耦高速光耦高速光耦编码器反馈信号外部机械信号输入输出脉冲方向信号图1.4 基于DSP和FPGA控制卡硬件组成框图201.2.4 基于单FPGA的方案通过运动控制卡的上位控制方案和常见基于PC的运动控制卡的用分析，它们基本具备以下特点：1、 采用专用芯片，价格昂贵2、 采用多块芯片，通信复杂基于上述的分析，本论文，设计一款基于FPGA实现运动控制功能的四轴运动控制卡。由于PCI总线解决了上述因素带来的局限性，因此本论文对嵌入式运动控制技术的发展具有一定的推动作用。1.3 本课题的意义及论文的主要内容本课题通过对开放式数控技术的全面调研和对运动控制技术的深入研究，并针对国内运动控制技术研究起步较晚的现状，结合电机控制应用领域的具体需要，紧跟当前运动控制技术的发展趋势，吸收了世界开放式数控技术和相关运动控制技术的最新成果，通过PCI总线并基于CPLD(Complex Programmable Logic Device)和FPGA(Field Programmable Gate Array)相结合的方案，研制了一款比较新颖的、功能强大的、具有很大柔性的四轴多功能运动控制卡。通过本课题全面深入的研究，提供了一套符合开放式数控系统要求的、采用PCI总线和基于FPGA的开放式运动控制的方案，为小型机械控制的工业现场提供了更新更优的控制方案，这必将为嵌入式控制系统的研究与开发提供有价值的参考与借鉴，对我国开放式数控系统的发展与应用起到推动作用。本论文主要内容如下：1. 对上位控制、运动控制卡及其行业现状进行全面调研和深入研究。2. 在对运动系统的控制技术深入学习的基础上，比较几种常用的运动控制方案，确定采用基于FPGA 的PCI总线运动控制的设计方案，并规划板卡的总体结构。3. 基于总体结构设计控制卡的硬件电路。针对不同的情况和需要设计外围电路。根据光电隔离原理设计数字输入/输出电路；结合DAC原理设计四路模拟输出电路，以及设计PCI接口电路。4. 基于FPGA设计功能相互独立的四轴运动控制电路，规划并定义各个寄存器的具体功能，设计加/减速控制电路、变频分配电路、倍频分频电路和三个功能各异的计数器电路等，设计S-曲线升/降速运动、自动降速点运动、A/B相编码器倍频计数电路等。5. 对整个嵌入式运动控制系统进行系统测试。基于该卡设计全数字转速测量电路以验证该卡设计的可行性。6. 最后总结研制过程中的得失，并展望数控的发展趋势。2 系统总体方案设计2.1 运动系统的控制技术在运动控制系统中，按机械运动的轨迹分类，可分为点位、直线、轮廓控制等。点位控制(Position Control)又称为点到点控制(Point to Point Control)，是一种从某个位置向另一位置移动时，不管中间的移动轨迹如何，只要最后能到达目标位置的控制方式。这类控制在移动过程中，对两点间的移动速度及运动轨迹没有严格要求，可以先沿一个坐标移动完毕，再沿另一个坐标移动，也可以沿多个坐标同时移动。直线控制(Strait Control)又称为平行控制(Parallel Control)，这类运动除了控制点到点的准确位置外，还要保证两点之间移动的轨迹是一条直线，而且对移动的速度也要进行控制。轮廓控制(Contouring Control)又称为连续轨迹控制(Continuous Path Control)，这类运动能够对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制，因而可以进行曲线或曲面的运动21。在运动控制系统中，按执行部件的类型分类可分为开环、半闭环和闭环伺服系统。采用步进电机驱动的开环系统，没有位置反馈和校正系统，其位移精度取决于步进电机的步距角及传动机构的精度等。而闭环和半闭环伺服系统的位移测量和位置比较环节，这样可以达到比开环系统更高的精度与运行速度21。2.1.1 连续运动轨迹插补原理连续运动轨迹是诸如数控机床、机器人等机械的一种典型运动方式，这种控制在本质上属于伺服系统。插补是一个实时进行的数据密化的过程，不论是何种插补算法，运算原理基本相同，其作用都是根据给定的信息进行数值计算，不断计算出参与运动的各坐标轴的进给指令，然后分别驱动各自相应的执行部件产生协调运动，以使被控部件按理想的路线与速度移动，由此，轨迹插补与坐标轴位置伺服控制是运动控制系统的两个主要环节。插补运算是轨迹控制中最重要的计算任务，而插补计算又必须是实时的，即必须在有限的时间内完成计算任务。因此，除了要保证插补计算的精度外，还要求算法简单，一般采用迭代算法，这样可以避免三角函数计算，同时减少乘除及开方运算，它的运算精度直接影响运动系统的控制速度，而插补计算精度又影响整个运动系统的精度，人们一直在努力探求计算速度快同时计算精度又高的插补方法。目前普遍使用的插补算法分为两大类：基准脉冲插补和数据采样插补22。基准脉冲插补又称脉冲增量插补或行程标量插补，其特点是每插补运算一次，最多给每一运动坐标轴送出一个进给脉冲。每次插补结束，数控装置向每一轴输出基准脉冲序列，每个脉冲代表其最小位移量，脉冲序列的频率代表运动的速度，脉冲的数量表示其位移量。基准脉冲插补适用于步进电机为驱动装置的开环数控系统。数据采样插补又称为时间标量插补或数字增量插补。其特点是插补运算分粗插补和精插补两步完成。它是在给定起点和终点的曲线之间插入若干等分点，用若干条微小直线段来逼近给定的曲线。精插补是在粗插补算出的每一微小直线段的长度基础上再作“数据点的密化”工作，相当于对直线的脉冲增量插补。数据采样插补方法适用于闭环、半闭环以及直流和交流伺服电机为驱动装置的位置采样控制系统。2.1.2 位置控制技术位置控制是常被称之为伺服控制系统的运动控制系统的基本功能，它要求体现调速范围宽、负载特性硬、反应速度快、多轴联动响应一致等多方面的性能指标，其中的重要指标是跟追误差、定位精度及允许运动速度的高低等。因此，研究与开发高性能驱动系统及位置控制系统，一直是研究数控机床与机器人等的关键技术之一21。位置控制系统又分为开环和闭环两种，开环控制系统一般用于精度及速度要求不高、成本低的场合。而在要求高精度、高速度的场合，则采用直流伺服电机、交流伺服电机的闭环位置控制。位置控制的职能是精确地控制机械运动部件的坐标位置，例如数控计算机将插补计算得出的各轴位移量送入位置控制单元，而对闭环位置控制系统（又称为位置伺服系统）来说，位置控制单元根据位移量大小产生进给速度指令，并接收位置反馈修正速度指令值，实现快速而准确的跟追位置指令的运动。1. 步进电机运动系统的有关控制技术步进电机是一种增量运动的电磁执行元件，这种元件是将数字脉冲输入转换为旋转或直线增量运动的一种装置，当采用适当的控制时，步进电机的输出步数总是和输入指令的电脉冲相等，因此它可以作为开环位置系统工作。在增量运动方面，步进电机可以用作具有迅速加速、减速和停机功能的起停运动控制器。步进电机以具有转子惯量、无漂移和无累积误差为特征，而且其控制路线经济简单，不需反馈编码器和相应的电子线路，特别是近年来微机方面的发展，使步进电机的控制性能大为改善，所以在很多位置和速度控制的应用中都是比较理想的。步进电机运动系统主要是由步进控制器、功率放大器及步进电机组成。纯硬件的步进电机控制器由脉冲发生器、环形分配器、控制逻辑等组成。它的作用就是能把代表转速的脉冲串分配给步进电机的各个绕组，让步进电机按既定的方向和转速旋转。若采用微机技术，以软件与硬件相结合的方式改造上述步进控制器，则不仅可在硬件上简化电路，降低成本，而且可靠性也会大为提高。2. 伺服电机运动系统的位置闭环控制采用伺服电机的闭环系统主要由执行元件（如交直流伺服电机、液压马达等）、反馈检测元件、比较环节、驱动线路和机械运动机构五部分组成。其中，比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动控制执行元件带动机械位移，直到跟随误差为零。根据比较环节组成的闭环位置控制方式，伺服系统也有多种形式。随着微处理器及控制技术的介入和完善，由硬件组成的比较环节将由软件实现的位置控制环取代，即由模拟式向数字化方向过渡，以适应更高速度与精度的需要，而且系统中的电流环、速度环和位置环的反馈控制全部数字化，全部伺服的控制模型均由高速微处理器及其控制软件进行实时处理，采样周期只有零点几毫秒，采样前馈与反馈结合的复合控制可以实现高精度和高速度，近年来又出现了学习控制这一智能型伺服控制，在周期性的高速度、高精度跟踪中，几乎可以消除第一个周期以外的全部伺服误差，数字化的软件伺服是当今的发展趋势。2.2 基于PCI的运动控制卡根据我国加工业快速发展的需要，发展符合中、低端数控设备需求的开放式数控系统，有其广阔的市场前景。这类系统必须具有嵌入式特征和较低廉的价格。因此，本论文提出一种基于PCI的开放式数控系统解决方案。为此，有必要先介绍一下嵌入式系统和嵌入式计算机及其应用。2.2.1 嵌入式系统概念嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中，即系统的应用软件与系统硬件一体化。具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点。特别适合于要求实时的和多任务的体系。嵌入式系统通常是面向特定应用的，它是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。在模块化设计出现以前，主要有两种嵌入式微机系统的设计方法：基于芯片和基于模块的设计方法。前者是指设计全部从芯片开始，它可以有针对性的满足用户系统要求，产品成本也较低。但缺点是开发费用高，研发周期长，因而满足不了当今竞争激烈的市场环境。后者是指用市场上销售的总线模块板来组建自己的微机系统，它能大大缩短产品的开发周期，但产品往往成本高、体积大、灵活性差，限制了其在嵌入式系统中的应用，如国内的STD总线工控机。随着芯片集成度的提高、功能的加强、价格的下降、PCB板制作工艺的改进、元器件封装和安装技术的发展，出现了模块化设计，并逐渐成为嵌入式微机系统的设计趋势。所谓“模块”是指一种体积较小的多集成块组件，通常是一块12906452mm2的电路板，多个模块可以采用插针和插座的方式连接，也可以象安装集成块那样将模块插入用户专用底板上。3 运动控制卡硬件设计3.1 可编程逻辑器件简介随着半导体技术、集成电路技术和计算机技术的发展，电子系统的设计方法和设计手段发生了很大的变化，传统的设计方法逐渐退出历史舞台，而基于EDA(Electronics Design Automation)技术的芯片设计方法正成为电子系统设计的主流25。大规模可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)和FPGA是当今应用最广泛的两类可编程专用集成电路ASIC（Application Specified Integrate Circuit）。电子设计工程师利用它可以在办公室或实验室里设计出所需要的专用集成电路，从而大大缩短了产品上市时间，降低了开发成本。此外，可编程逻辑器件还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以象软件一样通过编程来修改，这样就极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性25。可编程逻辑器件，主要是指CPLD和FPGA。由于以EEPROM、SRAM或FLASH为基础，用户可以通过计算机对芯片进行编程，大大降低成本和缩短