（机械电子工程专业论文）基于pci总线和mcx314的运动控制卡的研究和设计.pdf

摘要 全自动i c 芯片焊线机，是广东工业大学机电工程学院已研发出来的一套微电 子封装设备。焊线机的整个控制系统包括工业控制计算机、电动机控制模块、模拟 数字信号转换与处理模块、图像处理以及电源模块。上述各部分中，工业控制计算 机作为焊线机的核心控制单元，完成整个控制系统的管理、调度以及人机交互等功 能。电动机控制模块以运动控制卡的形式体现，对电动机发出脉冲，方向控制信号、 接收并处理各电动机轴上的限位开关信号。电动机控制模块与工业控制计算机之间 通过p c i 总线相连，其中，基于p c i 总线的运动控制卡的设计是本课题的重点。 本文针对全自动i c 芯片焊线机的电动机控制模块的功能原理及控制方法，从 硬件电路和软件设计两方面对运动控制卡进行了研究与设计，并对制作出的实验电 路板进行相关的硬件调试和实验参数的验证分析。 根据设计要求，文章确定了控制卡的总体实现方案，并对该方案进行了研究与 分析；重点针对基于p c i 总线接口的运动控制卡硬件电路进行了详细的分析与设计、 同时对运动控制卡的配置程序、驱动程序以及功能函数库的设计进行了试验和探讨。 最后，为运动控制卡搭建了硬件电路并做了相关硬件调试。 芯片选型部分，选取p l x 公司p c i 9 0 5 2 作为p c i 接口芯片，诺华公司m c x 3 1 4 作为运动轨迹控制芯片，a l t e r a 公司e p m 3 1 2 8 a t c l 0 0 作为逻辑器件控制芯片。 硬件电路设计部分，完成了p c i 总线接口模块、局部总线模块、电源模块、逻 辑控制模块、手动模式模块、连接器接口模块以及x 、y 、z 、u 轴等控制模块的设 计。同时完成了p c b 的设计，制作焊接出了实验电路板。 软件程序设计部分，主要对控制卡上的资源分配进行了配置程序的设计。 硬件调试部分，利用编写的配置程序及其它试验程序，对运动控制卡的硬件进 行了测试和验证，结果表明硬件达到了预期的设计目标。 关键字：焊线机、运动控制、p c i 总线、m c x 3 1 4 a bs t r a c t a u t o m a t i ci cc h i pw e l d i n gw i r em a c h i n e ，h o w e v e r ，i sas e to fm i c r o e l e c t r o n i c s p a c k a g i n ge q u i p m e n t sw h i c hh a sb e n nd e v e l o p e db yt h ec o l l e g eo fm e c h a n i c a la n d e l e c t r i c a le n g i n e e r i n gg u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m o fw e l d i n gw i r em a c h i n ec o n s i s t so fi n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r ，m o t o rc o n t r o lm o d u l e ， a n a l o g d i g i t a ls i g n a lc o n v e r s i o na n dp r o c e s s i n gm o d u l e ，i m a g ep r o c e s s i n ga n dp o w e r m o d u l e e a c ho ft h ea b o v ec o m p o n e n t s ，i n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e ra st h ec o r ew e l d i n g w i r em a c h i n ec o n t r o lu n i tw h i c ht oc o m p l e t et h ee n t i r ec o n t r o ls y s t e mm a n a g e m e n t ， s c h e d u l i n ga n dh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o nf u n c t i o n t h em o t i o nc o n t r o lc a r di st h e e m b o d i m e n to fm o t o rc o n t r o lm o d u l ew h i c hs e n d so u tp u l s e d i r e c t i o nc o n t r o ls i g n a l ， r e c e i v e sa n dp r o c e s s e st h em o t o rs h a f tl i m i ts w i t c hs i g n a l t h em o t o rc o n t r olm o d u l e c o u n e c t et oa ni n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e rt h r o u g ht h ep c ib u s ，w h e r e i n , t h ed e s i g no f m o t i o nc o n t r o lc a r db a s e do np c ib u si st h ef o c u so ft h i st o p i c b a s e do nt h ef u n c t i o np r i n c i p l ea n dc o n t r o lm e t h o do fm o t o rc o n t r o lm o d u l eo f a u t o m a t i ci cc h i pw e l d i n gw i r em a c h i n e ，r e s e a r c h i n ga n dd e s i g n i n gt h em o t i o nc o n t r o l c a r dw i t ht w oa s p e c t sa sh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r e ，d e b u g g i n gt h em a n u f a c t u r e d p c ba n dg i v i n gav e r i f i c a t i o na n a l y s i st ot h ee x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t ，f i r s t ，t h i sp a p e rd e t e r m i n e st h ew h o l ec o n t r o l s c h e m e ，a n dt h e n , d e s i g na n da n a l y s i st h es c h e m e s e c o n d ，t h ep a p e rg i v e sap a r t i c u l a r d e s i g na n da n a l y s i sw i t ht h r e ea s p e c t sa st h ei m p l e m e n t so fi n t e r f a c eb e t w e e ni n d u s t r i a l c o n t r o lc o m p u t e ra n dm o t i o nc o n t r o lc a r db a s e do np c ib u s ，t h ed e s i g no fd r i v e rf o r m o t i o nc o n t r o lc a r da n dt h ed e s i g no ff u n c t i o nl i b r a r yo fm o t i o nc o n t r o lc a r d f i n a l l y ，t h e p a p e rg i v e sa ni n t r o d u c t i o nt ob u i l da n dd e b u gt h ep c bo fm o t i o nc o n t r o lc a r d a tt h es e c t i o no fc h i ps e l e c t i o n ，s e l e c tp l x sp c i 9 0 5 2a st h ep c ii n t e r f a c ec h i p ， n o v a r t i s sm c x 31 4a st h em o t i o nc o n t r o lc h i p ，a l t e r a se p m 31 2 8 a t c l 0 0a sl o g i c c o n t r olc h i p a tt h ed e s i g ns e c t i o no fh a r d w a r ec i r c u i t ，t h ep a p e r c o m p l e t e sp c ib u si n t e r f a c e m o d u l e ，l o c a lb u sm o d u l e ，p o w e rs u p p l ym o d u l e ，al o g i cc o n t r o lm o d u l e ，m a n u a lm o d e i i i 广东工业大学硕士学位论文 m o d u l e ，c o n n e c t o ri n t e r f a c em o d u l e ，a sw e l la sx y ，z ，ua x i sc o n t r o lm o d u l e a tt h e s a m et i m e ，c o m p l e t e st h ed e s i g na n df a b r i c a t i o no fm o t i o nc o n t r o lc a r d a tt h ed e s i g ns e c t i o no fs o f t w a r ep r o g r a m , t h ep a p e rm a i n l yp r o g r a m st h e c o n f i g u r a t i o ni n f o r m a t i o no ft h es e r i a le e p r o m a tt h ed e b u g g i n gs e c t i o no fh a r d w a r e ，t h ep a p e rg i v e sav e r i f i c a t i o na n a l y s i st ot h e e x p e r i m e n t a lp a r a m e t e ro f m o t i o nc o n t r o lc a r d ；t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g no f h a r d w a r ea c h i e v e st h ed e s i r e dd e s i g no b j e c t i v e s k e y w o r d s ：w e l d i n gw i r em a c h i n e ，m o t i o nc o n t r o l , p c ib u s ，m c x 3 14 c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) i i i c o n t e n t s ( e n g l i s h ) i i i c h a p t e rii n t r o d u c t i o n 3 1 1b a c k g r o u n do fr e s e a r c h 3 1 1 1t h eo v e r v i e wo fm o t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y 3 1 1 2t h ek e y t e c h n o l o g yo f m o t i o nc o n t r o l 3 1 21 2 t 1 1 ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fm o t i o nc o n t r o lc a r da th o m ea n da b o r a d 3 1 3s o u r c eo fr e s e a r c h 3 1 4t h ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h 3 1 5m a i nc o n t e n to ft h et h e s i s 3 c h a p t e r w h o l ed e s i g no fm o t i o nc o n t r o lc a r d 3 2 1p r o j e c t sd e s c r i p t i o na n ds e l e c t i o no fm o t i o nc o n t r o lc a r d 。3 2 1 1p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so fm o t i o nc o n t r o lc a r d 3 2 1 2p r o j e c t ss e l e c t i o no fm o t i o nc o n t r o lc a r d 3 2 1 3t h ew h o l es t r u c t u r eo fm o t i o nc o n t r o lc a r d 3 2 2c h i p ss e l e c t i o no fm o t i o nc o n t r o lc a r d 3 2 2 1c h i p ss e l e c t i o nf o ra s i c 3 2 2 1 1c h i p ss e l e c t i o n 3 2 2 1 2t h ei n t r o d u c t i o no fm c x 3 14 3 2 2 2s e l e c t i o no fp c ib u si n t e r f a c ec h i p 3 2 2 2 1t h eo v e r v i e wo fp c ib u s 3 2 2 2 2s e l e c t i o no fi n t e r f a c ec h i p 3 2 2 2 3i n t r o d u c t i o no fp c i 9 0 5 2 3 2 2 3s e l e c t i o no fc p l d 3 2 2 3 1t h eo v e r v i e wo fc p l d 3 i x 广东工业大学项士学位论文 2 2 3 2s e l e c t i o no fc p l d 3 2 2 3 3i n t r o d u c t i o no fe p m 312 8 a t cl0 0 - 1o n 。3 2 2 4c h i p ss e l e c t i o no fo t h e ro u t s i d ec i r c u i tm o d u l e 3 2 3s e l e c t i o nf o rt h ed e v e l o ps o f t w a r ee d a 3 2 4s u m m a r y 3 c h a p t e r t h eh a r d w a r ed e s i g no fm o t i o nc o n t r o lc a r d 3 3 1t h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no fm o i o nc o n t r o lc a r d 3 3 2t h ed e s i g no fc i r c u i ts c h e m a t i c 。3 ：；2 1 d e s i g no f p o w e rm o d u l e 3 ：；2 2d e s i g no fp c i b u sm o d u l e 3 3 2 3d e s i g no fl o c a lb u sm o d u l e 3 ：；2 4d e s i g no fl o g i cc o n t r o lm o d u l e 3 3 2 5d e s i g no fm a n u a lp a t t e r nm o d u l e 3 3 2 6d e s i g nf o rx 、y 、za n du - a x i sm o d u l e 3 3 2 6 1t h ep l u s eo m p m so f x - a x i s 3 3 2 6 2t h ef e e d b a c ki n p u t so fx a x i s 。3 3 2 6 3t h eg e n e r a li 0o fx a x i s 3 3 2 6 4t h ei n t e r f a c ec i r c u i to fm o t i o ns t a t u sd i s p l a y 3 3 2 7d e s i g no fc o n n e c t o r s 3 3 3d e s i g no fp c b 3 3 ：i 1i n t r o d u c t i o no f p c b 3 3 3 2d e s i g no fp c b 3 3 4s u m m a r y 3 c h a p t e r i vt h e s o f t w a r eo fm o t i o nc o n t ! c a r d 3 4 1t h ec o n f i g u r a t i o no fs e r i a le e p r o m 。3 4 1 1t h ea c c e s s e st h e o r yo fp c ib u st ol o c a lb u s 3 4 1 2t h ed e s c r i p t i o no fr e g i s t e ri m i d ep c i 9 0 5 2 3 4 1 3t h ec o n f i g u r a t i o no fs e r i a le e p r o m 3 4 2d e s i g nf o ro t h e rs o f t w a r e 3 4 2 1p r o g r a m m i n gf o rd r i v e r 3 x 4 2 1 1t h ei n t r o d u c t i o no fd r i v e r 3 4 2 2u s ew i n d r i v e rt od e v e l o pd r i v e r 3 4 2 2p r o g r a m m i n gf o rc p l d 3 4 2 3p r o g r a m m i n gf o rm o t i o nc o n t r o lf u n c t i o nl i b r a r y 3 4 2 3 1t h ed e s c r i p t i o no f r e g i s t e ri n s i d em c x 3 1 4 3 4 2 3 2d y n a m i cl i n kl i b r a r y 3 4 3s u m m a r y 3 c o n c l u s i o n sa n de x p e c t a t i o n s 3 ic o n c l u s i o n s 3 i ie x p e c t a t i o n s 3 r e f e r e n c e s 3 p u b l i s h e d p a p e r sd u r i n gc a n d i d a t ef o rm a s t e r 6 9 o r i g i n a lt h e s i ss t a t e m e n t 3 t h e s i ss t a t e m e n tc o p y r i g h tl i c e n s e 3 a c k n o w l e d g e m e n t 3 a p p e n d i x1 3 x i 1 i 课题背景 第一章绪论 焊线机包括金线机、铝线机，主要应用于大功率器件如发光二极管( l e d ) 、 激光管( 激光) 、中小型功率三极管、集成电路以及一些特殊半导体器件的内 引线焊接。 由广东工业大学机电工程学院自行研发的全自动i c 芯片焊线机又称超声波金 线邦定机【l l ，是一款利用超声波焊线技术，在压力和超声波能量的共同作用下，用 细小的金线连接i c 芯片电极与相应的焊盘1 2 】i ”，从而实现封装前的芯片( 硅片) 内部 引线焊接的机电一体化设备。该设备由精密机械结构、控制系统和计算机图像识别 系统三部分组成，而基于p c i 总线和m c x 3 1 4 的3 块四轴运动控制卡是该设备上的 运动控制中心，由它控制完成焊头的z 轴和x y 工作台、上下料以及焊接等功能部 件的运动。 1 1 1 运动控制技术概述 随着微计算机、集成电路、传感器、功率电子等技术的迅速发展，以步进或伺 服电动机为主要控制对象的运动控制技术在工业、办公和家庭等自动化方面得到了 日益广泛的应用；控制形式也由以机械提供动力驱动的简单启停控制，发展到对其 位置、速度、加速度、转矩等等的精确控制；原先的“电动机拖动”、“电气传动”已 经发展到“运动控制”的新阶段【4 】。 通常情况下，运动控制是指在复杂条件下，将预定的控制方案以及规划指令转 变成期望的机械运动。一般表现为直接对电动机的控制，使其完成位置、速度及加 速度等实时过程控制，使运动部件按照预期的轨迹和规定的运动参数完成相应的动 作。运动控制是以机械运动的驱动设备步进或伺服电动机作为控制对象，以控 制器为核心，以电力电子、功率变换装置为功率放大元件，在自动控制理论指导下 组成的电气传动控制系统【5 1 。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转 广东工业大学硕士学位论文 换为机械能，对被控机械实现精确的位置、速度、加速度、转矩或力控制，以及这 些被控量的综合控制【6 1 。 运动控制作为自动化技术的一个重要分支，在2 0 世纪末进入快速发展阶段。 在现代工业自动化技术中，运动控制技术代表着最广泛的用途，并承担着最复杂的 任务。虽然运动控制作为一个独立产业的发展历史并不悠久，但随着制造业对产品 加工速度和精度要求的不断提高，运动控制产品的市场需求增长很快，至此，运动 控制技术也随之得到了极为迅速的发展，产品种类和应用范围在不断扩大，尤其是 电子信息等高科技技术的发展，为运动控制提供了更大的发展空间和更加广阔的市 场。 1 1 2 运动控制的关键技术 运动控制的关键技术总的来说可以归纳分为6 个方面：伺服传动技术、精密机 械技术、传感器检测技术、自动控制技术、计算机与信息处理技术和系统总成技术。 1 ) 伺服传动技术。伺服传动技术是直接执行操作的技术，伺服系统是实现电 信号到机械动作的转换装置或部件，对系统的动态性能、控制质量和功能具有决定 性的影响。常用的伺服驱动方式有直流伺服电动机、交流伺服电动机等。由于变频 技术和伺服驱动技术的进步，为运动控制系统提供了高质量的伺服驱动装置，这大 大推动了伺服传动技术的进步。 2 ) 精密机械技术。机械技术是运动控制技术的基础，精密机械技术着眼于如 何与运动控制技术相适应方面的发展。 3 ) 传感器检测技术。传感与检测是系统的感受器官。检测传感是实现自动控 制、自动调节的关键环节，它的功能越强，系统的自动化程度就越高。检测传感的 关键元件是传感器，传感器性能的高低，直接影响到系统性能的好坏。 4 ) 自动控制技术。随着电子计算机技术和其他高技术的发展，自动控制技术 的水平越来越高，应用越来越广泛，作用越来越重要。尤其是在生产过程的自动化、 工厂自动化、机器人技术、综合管理工程、航天工程、军事技术等领域，自动控制 技术起到了关键作用。由于控制对象种类繁多，所以自动控制技术的内容极其丰富， 如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、模糊控制、自校正、最优控制等。 5 ) 计算机与信息处理技术。信息输入技术包括信息的输入、转换、存取、运 算、判断决策和输出等技术，它包括计算机及外围设备、微处理器、运动控制板或 2 第一辛绪论 可编程控制器、接口技术，因而和计算机技术紧密相关。计算机技术包括计算机硬 件和软件技术、网络与通信技术、数据技术等。在运动控制过程中，计算机信息处 理部分对整个系统的正常运行起着至关重要的作用，信息处理部分相当于人的大脑， 指挥着整个系统的运行。信息处理是否正确、及时，直接影响到系统工作的质量和 效率。 6 ) 系统总成技术。运动控制技术不是几种技术的简单叠加，而是通过系统总 成设计使它们形成一个有机的整体，系统总成技术就是以整体的概念来组织应用各 种相关技术。 1 2 运动控制卡的国内外发展现状 通用运动控制技术作为自动化的一个重要分支，在2 0 世纪9 0 年代，国际上发 达国家，例如美国进入快速发展的阶段。由于有强劲市场需求的推动，通用运动控 制技术发展迅速，应用广泛。近年来，随着通用运动控制技术的不断进步和完善， 通用运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品，已经被越来越多的产业领 域接受，并且它已经达到了一个引人瞩目的市场规模【7 1 。 目前市场上有较多种类的运动控制卡，国外的主流产品有： 1 ) 美国的m e i 运动控制卡以及p m a c 运动控制卡，前者的p c x d s p 带a d 系列控制卡有可控制一轴至十六轴等多种不同型号，此系列卡可执行各种复杂的多 轴插补运动，带双闭环和误差补偿功能，可控制数字交流伺服、模拟直流伺服、步 进电动机和液压传动等。后者d e l t at a u 公司推出的p m a c ( p r o g r a m m a b l e m u l t i a x i sc o n t r o l l e r ) 运动控制卡是基于p c 机和w i n d o w s 操作系统的多轴多通道 开放式运动控制器1 8 】。其最新的产品t u r b op m a c 可以控制3 2 轴，具有光纤通讯、 m a c r o 功能。其性能可靠，使用方便，在全世界享有较高的声誉，但价格较为昂 贵。 2 ) 以色列的a c s t e c h s 0 运动控制卡，1 9 9 9 年1 0 月，以色列a c s 公司和美国 t e c h 8 0 公司合并成为a c s t e c h 8 0 。a c s t e c h 8 0 先进的运动控制卡和控制模块提供 了高难度的多种运动控制，并且速度块、精度高、货期短。该系列卡主要应用对速 度要求高的i t 行业，如贴片、邦定等设备。从板卡式到独立工作，到包含内置数字 3 广东工业大学硕士学位论文 驱动，a c s t e c h 8 0 提供了全系列的运动控制解决方案。具体型号有s b 2 1 4 ，s p i i p l u s ， s p i i p l u s l f 以及s p i i p c i 等【9 1 。 3 ) 英国t r i o ( 翠欧) 公司的p c i 2 0 8 及e u r 0 2 0 5 x 运动控制卡，该公司成立于 1 9 8 7 年，是世界运动控制领域的顶尖公司，在运动控制方面拥有领先的各项技术及 产品，引领着运动控制技术的发展。p c i 2 0 8 是该公司的一款基于p c 机的p c i 总线 控制的数字运动控制卡，该控制卡采用了独立的1 2 0 m h z 的d s p 微处理器技术，有 着很高的电动机运动和计算处理的速度，而且可以控制1 8 个轴的伺服电动机或者 步进电动机抑或是二者的任意结合。而e u r 0 2 0 5 x 是一款欧式结构的数字运动控制 卡，最多可控制4 个伺服或步进电动机，此款控制卡可以添加一块t r i o 的功能子板， 实现对第5 轴的控制或者扩充出一个通信通道，支持由上位机配置和编写的多任务 程序，其中任务程序采用t r i ob a s i c 语言进行编掣1 0 l 。 国内在运动控制技术方面的研究起步较晚，国家科技部曾提出“优先重点发展的 高技术产业化重点领域”中包括“机器人新型开发式控制器的设计与研究”，而国内的 一些大学和研究机构在运动控制方面做了不少的研究【l l l 。随着在运动控制技术上的 不断创新进步，现在我们国家的运动控制产品已经由完全依赖国外进口向自给自足 的方向发展，国内运动控制技术呈现一片欣欣向荣的趋势【1 2 】l l3 1 。其中，不同种类的 运动控制器类产品也层出不穷，主要的代表公司及其相应的产品分别有f 1 4 】： 1 ) 台湾研华公司的p c i l 2 4 0 系列运动控制卡及凌华公司的p c i 8 1 6 4 控制卡， 研华公司于1 9 8 3 年创立，是全球电子平台服务的领导厂商，其p c i l 2 4 0 是一款基 于p c i 总线的步进脉冲型伺服电动机控制卡，该卡运用了智能n o v am c x 3 1 4 运 动a s i c 芯片，能够提供2 3 轴线性插补，2 轴圆弧插补，t s 曲线加减速等运动控 制功能专门应用与常规的精确运动，其中每轴有高达4 m p p s 的脉冲输出和i m h z 的编码器输入。凌华公司与1 9 9 5 年成立，是世界级通讯、嵌入式计算机平台、测量 与自动化设备制造领域的领导厂商，其p c i 8 1 6 4 同样是一款基于p c i 总线的步进 脉冲型电动机控制卡，较之p c i l 2 4 0 ，它最高可以输出高达6 5 5 m h z 的脉冲。 2 ) 深圳固高科技的g t 和g t s 以及g u 各系列控制器，固高科技( 深圳) 有限 公司自1 9 9 8 年成立以来，专注于运动控制技术及产品的研发、生产及服务，为我们 国家装备制造业提供着核心技术平台及培养了一大批运动控制技术应用人才。其 g t s 系列控制卡基于p c i 总线，可同时控制4 8 轴伺服步进电动机，具有对称及非 对称梯形曲线、s 型曲线、j o g 模式、p t ( 位置与时间) 、p v t ( 位置、速度与时 4 第一章绪论 间) 点位运动规划功能，还具有电子齿轮、电子凸轮同步运动规划功能、直线插补、 圆弧插补规划功能。此外，该系列运动控制卡可通过g o o g o l l i n k 总线扩展数字量及 模拟量输入输出模块【1 5 】。 3 ) 深圳雷塞科技的d m c 、a m c 系列控制卡，该公自1 9 9 7 年推出第一款运动 控制卡以来，到目前已拥有五个系列的运动控制卡、三个系列运动控制器和多款通 用i o 卡，公司产品广泛应用于电子、机械、光电、测量、激光、纺织、服务、印 刷、包装等行业。其a m c 8 4 0 0 是一款基于p c i 总线的可闭环控制4 轴伺服电动机 或开环控制4 轴步进电动机的高性能运动控制卡，有着p i d 参数自定义等高级功能， 为研发制造多轴精密工业自动化设备提供了优良的控制解决方案。 1 3 课题来源 图1 1 为全自动i c 芯片焊线机，本课题来源于广州科技计划项目全自动i c 芯片焊线机的关键技术研究与开发( 项目编号：2 0 0 6 2 3 d 9 0 7 1 ) 。 图1 1 全自动i c 芯片焊线机 f i g u r e l 1i cc h i pa u t o m a t i cw i r eb o n d e r s 广东工业大学硕士学位论文 1 4 课题研究实际意义 运动控制卡是伺服步进电动机控制系统的核心，而伺服系统是数控机床的必备 部件，数控机床在整个现代制造系统中处于基础性的、核心的地位。它既是高新技 术产业不可缺少的基础装备，又是传统产业更新换代的重要手段，其对解决复杂零 件的加工制造，提高产品加工效率和质量，增强企业竞争能力意义重大【1 6 1 。 制造业是国民经济的基础产业，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。大力发展先进的制造技术已成为世界各国最重要的极大技术战略之 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，因此培养和造就掌 握数控技术、具有数字化制造能力和创新精神的多工程应用人才对提升制造能力、 打造制造强国具有极其重要的现实意义及战略意义【1 7 】。 金丝球焊线机是i c 封装过程中的重要设备，目前国内i c 封装设备仍然主要依 赖昂贵的进口设备，而且英国、日本、美国、韩国等国家和地区的厂家只对我国开 放低端技术，阻止高端关键技术向中国转移，这种趋势很容易造成国内核心技术边 缘化、空心化【1 8 】。全自动i c 芯片焊线机为广州科技公关项目，本课题所研究的便 是其中运动控制模块的关键技术，因而基于此的运动控制卡的正确设计与否能在很 大程度上决定此公关项目的完成与否。在设计完成并制作出了此焊线机之后，通过 验收，已经在多次国内乃至国际上的科技展览会上展览。可以说，该焊线机上的各 部分成熟的关键技术及整体样机，尤其是运动控制模块部分，将会为珠三角地区的 各i c 封装设备制造生产企业带来巨大的正面参考意义，并且对推动珠三角地区乃至 全国的i c 封装设备设计技术的发展做出重大贡献。 1 5 课题研究主要内容 本文研究开发基于p c i 总线和m c x 3 1 4 的运动控制卡，其整个开发过程包括两 方面内容，分别是硬件设计和软件设计。 1 ) 硬件设计 硬件设计包括运动控制卡的电路原理图和p c b ( 印制电路板) 的设计，电路原 理图的设计主要体现在p c i 总线接口的设计、局部总线接口的设计以及运动控制芯 6 片m c x 3 1 4 外围电路的设计三方面；p c b 设计主要体现在叠层的设计、元器件布局 及布线两方面。 2 ) 软件设计 主要对控制卡上的资源分配进行了配置程序的设计，另外，简单的介绍了驱动 程序、可编程逻辑器件及运动控制函数库的编程【1 9 】。 7 g - 章运动控制卡的总体方案设计 第二章运动控制卡的总体方案设计 2 1 运动控制卡的方案描述及方案选型 运动控制技术已经由传统的低集成度向现在的智能高集成度的方向发展，目 前，实现p c i 总线接口电路设计的方案有两种：采用可编程逻辑器件和专用接口芯 片实现；而在运动轨迹控制方面，大体有d s p 算法控制和专用运动控制芯片两种方 式。由此而得的基于p c i 总线的运动控制卡的设计便有“f p g a + d s p 专用运动控制 芯片和“p c i 接口芯片+ d s p 专用运动控制芯片等方案【2 们。 2 1 1 运动控制卡的性能要求 运动控制卡作为全自动i c 芯片焊线机上的运动控制中心，需控制完成焊线机 的焊头z 轴、x y 工作台、上下料等功能部件的运动。对于控制卡的性能要求有： 四轴运动控制；良好的电动机控制性能；较高的脉冲输出频率；控制信号采取差分 输入输出；抗干扰性要好。 通过定量分析，确定本运动控制卡的技术性能指标如下： 1 控制功能 1 ) 4 路c w c c w 或者p u l s e d i r 类型脉冲输出，可通过软件设置输出脉冲类型 控制信号； 2 ) 6 路增量式光电编码器反馈脉冲信号输入，可通过软件设置为积分脉冲信号； 2 i o ( 输入输出) 接口 1 ) 4 轴1 6 路通用i o 输出信号，可由用户自行定义； 2 ) 4 轴1 6 路光电隔离输入信号，部分用作原点输入信号； 3 ) 4 轴限位输入信号，4 轴到位输入信号，4 轴报警输入信号； 3 总线接口 标准的p c i 总线接口，3 2 位数据地址分时复用，实现上位机与下位运动控制 卡之间的数据信息交换，并且要求传输延时小、传输速率高，使系统具有很好的实 时性； 9 广东工业大学硕士学位论文 4 电源 1 ) + 5 v内部电源，由p c 机插槽提供； 2 ) + 3 3 v 内部电源，由+ 5 v 电源转换而来； 3 ) + 2 4 v 外部电源，用于光电隔离i 0 接口； 2 1 2 运动控制卡的方案选型 实现p c i 总线接口电路设计的两种方法中，采用可编程逻辑器件的好处是编程 比较灵活，只需要开发要使用的功能，而不必开发符合协议的所有功能，而且这种 方法实现起来成本比较低廉，但由于p c i 总线通信的实现比较复杂，所以实现起来 难度较大，并且设计周期长。采用专用接口芯片可以降低开发的难度，而且使用方 便可靠，开发周期短，适用于较大批量生产【2 l l 。 运动轨迹控制的两种方案中，d s p 控制开放性好、速度和精度高、连续插补及 圆弧插补功能良好，但价格较高，二次开发比较复杂，而且需要复杂的控制算法。 采用专