（机械电子工程专业论文）多轴联动数控精插补技术与fpga的实现.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 数控技术是机械、电子、控制及计算机科学为基础的一门综合性的应用 科学技术。是国家先进制造技术的重要基础。而插补算法是数控系统的核心。 论文来源于绵阳市科技创新项目经济型嵌入式数控系统研究和学校 机器人应用技术省重点实验室自选项目f p g a 精插补芯片设计，目标 是研究开发嵌入式数控系统配套的精插补芯片，推出有自主知识产权和核心 技术的数控系统新产品，适应加工产业发展的需求，普及数控技术应用。 论文不仅研究吸取了学校数字控制技术团队在现代计算机数控技术 上的经验和成果，提出了基于高性能嵌入式处理器( 如a r m 、n io s 2 ) 和低成 本f p g a ( 如a 1 t e r ac y c l o n e 系列) 的经济型数控系统硬件构成方案。在对基 于嵌入式技术的多功能数控系统的研究上，构造了一种基于f p g a 多轴联动 数控精插补芯片。对插补算法及其实现也进行了深入研究，尤其在数字积分 法等精插补算法的改进应用和工程实现上，做了较多的研究开发工作。论文 通过a 1 t e r a 公司的c y c l o n ei i 系统的f p g a 完成了精插补芯片的设计。 论文基于研究开发的f p g a 精插补芯片，做出了一个利用a r m + f p g a 的数 控系统来对普通工具机床进行数控改造的实例。在a r m 处理器与基于f p g a 的精插补器构建的数控系统硬件平台上，实现了网络通信、代码解释、粗插 补运算等功能。经测试，系统基本实现了预期指标。 关键词：精插补现场可编程门阵列插补算法运动控制器 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t n u m e r i c a lc o n t r o l t e c h n i ci sa na l l - r o u n da p p l i a n c et e c h n o l o g yw h i c h i n c l u d e sm e c h a n i s m ，e l e c t r o na n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，a n di st h em a i ne l e m e n t o fa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o lo g yi no u rc o u n t r y i n t e r p o l a t i o ni st h ek e r n e l 0 f c n c t h ed i s s e r t a t i o nc o m e sf r o m d i s q u i s i t i o no fe c o n o m i c a le m b e d d e dt y p e c n c o fm i a n y a n g st e c h n o l o g i c a li n n o v a t i v ei t e ma n d i n t e r p o l a t i o nc m o s d e s i g no ff p g a o fr o b o ta p p l i a n c et e c h n o l o g yl a b o r a t o r yi ns w u s t t h ea i m o ft h ed i s s e r t a t i o ni sn o to n l yt or e s e a r c ha n dd e v e l o pt h ei n t e r p o l a t i o nc m o s ， b u ta l s ot od e s i g nt h en e wp r o d u c t i o no fc n ct h a th a sk e r n e lt e c h n o l o g ya n d i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yo fi t so w n t h ed i s s e r t a t i o ne x t r a c t st h ef i n d i n g sr e s u l t i n gi nt h ee x p e r i e n c eo fc n cb y t h et e a mo fb i g i t a lc o n t r a ll a b o r a t o t y ，a d v a n c e sa ne c o n o m i c a lc n ch a r d w a r e s t r u c t u r es c h e m ei n c l u d i n ga r m ，n i o s 2a n df p g aa n dd e s i g n sa ni n t e r p o l a t i o n c m o su s e di nm u l t i a x e ss y n c h r o n o u s t h et h e s i sa l s os t u d i e sa r i t h m e t i co f i n t e r p o l a t i o n ，p a r t i c u l a r l yd d a t h r o u g hc y c l o n ei io fa l t e r a ，t h ed i s s e r t a t i o n d e s i g n si n t e r p o l a t i o nc m o s b a s e do nt h ed e v e l o p e di n t e r p o l a t i o nc m o s ，t h ed i s s e r t a t i o ne x e m p l i f i e sa n o r d i n a r i l ym i l l i n gm a c h i n ew h o s en cs y s t e mi s r e c o n s t r u c t e dt h r o u g ht h e a p p l i c a t i o no fn cs y s t e mo fa r m + f p g a t h ec n cs y s t e mh a r d w a r em a d eb y a r m + f p g ac a na c h i e v en e tc o m m u n i c a t i o n s ，c o d ed e c i p h e ra n ds oo n t h et e s t p r o v e st h a tt h i ss y s t e mc a nm e e tr e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：f i n ei n t e r p o l a t i o n ；f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y s ；i n t e r p o l a t i o n a l g o r i t h m ；l o c o m o t i o nc o n t r o l l e r 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 数控技术是制造技术及其装备自动化的关键基础，是现代先进制造业的 核心和灵魂，其发展水平的高低是评价一个国家工业现代化水平的重要依 据。数控系统是指利用数控技术实现自动控制的系统，其技术不仅作为数控 发展的先导技术，而且作为制造行业的基础技术，越来越得到世界各个国家 的高度重视。以数控系统为核心的数控机床在进行各种工件的加工中，一般 都要用到插补功能。插补是加工程序与电机控制之间的纽带，在数控系统中 起着及其重要的作用。简而言之，插补技术是数控技术的核心问题，它的发 展水平以及算法的合理选择不仅直接影响着被加工工件的精度和加工过程 的效率，而且还关系到整个数控系统性能的好坏。 1 1选题目的及意义 新世纪世纪经济、政治正发生重大变革，而制造业仍然是发达国家以及 发展中国家的国家经济发展的重要支柱，也是提高一个国家综合国力的有效 途径。最近几年，随着信息技术以及计算机计算在制造业中的广泛应用，这 些技术与制造技术相结合而形成的先进制造技术越来越引起世界各国的高 度重视。许多国家制定了旨在推进先进制造技术的计划：美国的a m t ( 先 进制造技术) 计划，日本的i m s ( 智能制造技术) 计划等。而在世界新一轮 的国际产业结构调整中，我国正逐步成为世界最重要的制造业生产基地。作 为制造业赖以生存和发展的基础，先进制造技术将在我国全面建设小康社 会、走新型工业化道路上起着关键性的作用。中国机械工程学会董事长路甬 祥院士在2 0 0 2 年中国机械工程学会年会主旨报告中说：“制造业、特别是装 备制造业的整体能力和水平将决定各国的经济实力、国防实力、综合国力和 在全国经济中的竞争与合作能力，决定着一个国家、特别是发展中国家实行 现代化和民族复兴的进程。作为刚刚进入工业化中期的发展中国家，我们必 须清醒地认识到全面提高制造业、特别是装配制造业整体能力和综合竞争能 力对于自身发展的重要性。因此我们必须以坚忍不拔的精神，持之以恒地开 拓出一条通往制造强国之路。” 现代数控技术综合了机械加工技术、自动化控制技术、计算机和微电子 技术，是当今世界上机械制造业的高技术之一。现代制造技术的发展过程是 制造技术、自动化技术、信息技术和管理技术等相互渗透和发展的过程，而 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 数控技术以其高精度、高速度、高可靠性等特点已成为现代制造技术的技术 基础托1 。世界上各个工业发达国家都把发展数控技术作为机械制造技术的革 命的重点。 数控系统则是数控技术的核心，它影响着数控技术的发展。其功能的强 弱、性能的优劣直接影响着数控设备的加工精度与效率，对整个制造系统的 基础控制、有效运行、更新发展都起着至关重要的意义。因此，数控系统技 术不但是数控技术发展的先导技术，而且还是制造业的基础战略性技术，越 来越得到世界各国的重视。如何控制刀具或工件的运动的轨迹插补技术则是 数控技术的核心问题，它决定着数控系统的响应速度和控制精度。为不断发 展数控技术，提高数控系统的速度、精度，需要不断地改进插补控制器的性 能，并且不断地提出更好的控制算法以及解决方案。这无论是对数控系统性 能的提高还是对整个制造也得发展都具有十分重要的意义。 随着电子技术的不断发展和进步，电子系统的设计方法也发生了天翻地 覆的变化，基于e d a ( 电子设计自动化) 技术的芯片设计正成为电子系统 设计的主流。而f p g a ( 现场可编程逻辑阵列) 的出现使得e d a 技术对于 传统数控系统进行技术改造，实现高性能的硬件数控插补控制器，不仅符合 数控系统高速、高精度的发展趋势，而且大大的降低了控制系统的成本。其 对制造业的技术改造具有重要的影响。 本课题所研究的目的正是基于当前最新的f p g a 基础，借助于a l t e r a 公 司的q u a r t u si i 开发软件以及新一代低成本c y c l o n ei i 系列f p g a 芯片来设 计一种低成本、高性能的多轴联动精插补专用控制芯片。该设计方案可降低 控制系统的成本，解决运动控制中精度及其效率低下的问题，并且大大的提 高了系统的集成度。 1 2 课题相关背景介绍 1 2 1数控技术和数控系统 数控技术( n u m e r i c a lc o n t r o l ，n c ) 是一种借助数字、字符或其他符 号对某一工作过程( 如加工、测量、装配等) 进行可编程控制的自动化方法， 简称数控1 。数控技术综合运用了微电子、计算机、自动控制、精密检测、 机械设计和机械制造等技术的最新成果，通过程序来实现设备运行过程和先 后顺序的自动控制，位移和相对坐标的自动控制，速度、转速及各种辅助功 能的自动控制。 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 科学技术的快速进步以及各国对先进制造技术的不断深入发展，使得数 控技术的发展要有更高的要求：高精度、高速度等技术的要求，对数控机床 的数控系统、伺服系统性能、主轴驱动系统、机床机械机构等都提出了更高 的性能要求：f m s ( f l e x i b l em a n u f a c t u r es y s t e m ) 的迅速发展和c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ) 的不断完善，又将对数控机床 的稳定性、通信功能、智能化以及自适应控制等技术提出了更高的要求。随 着微电子和计算机技术的不断完善和进步，数控系统的性能也更加成熟完 善，数控技术的应用领域越来越广泛。当今数控机床正在不断采用最新技术， 朝着高速、高精度、多功能、智能化、模块化、系统化以及高可靠性等方向 发展。 在汽车、拖拉机等大量生产的工业部门中，大都采用自动机床、组合机 床和自动线。但这种设备的第一次投资费用大，生产准备时间长，这与改型 频繁、精度要求高、零件形状复杂的舰船和宇航以及其他国防工业的要求不 相适应。如果采用仿行机床，则要制造靠模，不仅生产周期长，精度亦受限 制。 第二次世界大战以后，美国为了加速飞机工业的发展，要求革新一种样 板加工的设备。1 9 4 8 年，美国帕森斯( p a r s o n s ) 公司在研制加工直升机叶 片轮廓检查用样板的机床时，提出了数控机床的初始设想| 4 1 。l9 5 2 年，美国 帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了世界上第一台数控机床。半个世纪以 来，数控技术不断向前发展，无论加工精度还是速度都得到了大幅度的提高。 发展到当今这个时代，数控机床已是集现代机械制造技术、计算机技术、通 信技术、控制技术、液压气动技术及光电技术为一体的，具有高精度、高效 率、高自动化和高柔性等特点的机械自动化设备。其品种覆盖范围不仅仅包 含了全部传统的切削加工机床，而且推广到了电加工机床、锻压机床、测量 机、焊接机等各个方面，在各个加t 行业中得到了广泛的应用。归结起来， 数控机床的发展至今已经经历了两个阶段和六代。 数控机床的发展是伴随着电子技术、信息的发展，其发展历程经历了硬 件数控( n c ) 阶段和计算机数控( c n c ) 阶段。 ( 1 ) n c 阶段： 。 1 9 5 2 年，麻省理工学院研制的三坐标联动，插补运算采用脉冲乘法器的 数控系统为第一代数控机床。 1 9 5 9 年，晶体管以其体积小，性能稳定取代以前的电子管，晶体管数控 机床为第二代。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 1 9 5 9 年3 月，美国k e a n ey t r e e k e rc o r p 公司发明了带有自动换刀 装置和刀库的数控机床，称为加工中心。 1 9 6 5 年，集成电路的出现，大大缩小了电路的体积，并且功耗低、可靠 性高，集成电路数控机床为第三代数控机床。 ( 2 ) c n c 阶段： 1 9 7 0 年，小型计算机取代硬件逻辑控制电路，小型计算机控制的数控机 床为第四代数控机床。 1 9 7 4 年前后，美国i n t e r 公司开发和使用了微处理器，微处理器数控机 床为第五代数控机床。 1 9 9 0 年后，基于p c 的数控机床为第六代数控机床。 我国从1 9 5 8 年开始研制数控机床，在研制和推广使用中取得了一定的成 绩和一系列的经验。由于引进了国外的数控系统和伺服系统的制造技术，使 我国数控机床无论是在品种、数量还是质量上都得到了迅速的发展。我国已 有几十家机床厂能够生产不同类型的数控机床和加工中心。随着工厂、企业 技术改造的不断深入，各行各业对数控机床的需求量也大幅度的增长，这也 不断地促使我们数控机床的不断发展和壮大。 而作为数控机床核心的数控系统也随着数控机床的不断更新换代而发 展。数控系统的发展直接影响到数控机床的应用和发展。随数控技术的不断 发展，数控系统的发展也已经经历了5 次更新换代。 第一代数控系统：从1 9 5 2 年到1 9 5 8 年，采用电子管元件，体积大、可 靠性低、价格高，因此主要用于军工生产，没有得到推广。 第二代数控系统：从1 9 5 9 年到1 9 6 4 年，采用晶体管元件，可靠性有所 提高，体积大为缩小，但可靠性还是很低，得不到广大用户的认可。 第三代数控系统：从1 9 6 5 年到1 9 6 9 年，采用集成电路，它不仅大大缩 小了数控系统的体积，可靠性也得到了实质性的提高，成为一般用户能够接 受的数控系统。 第四代数控系统：从1 9 7 0 年到19 7 4 年，采用大规模集成电路及小型通 用计算机，其性能大大提高，且价格有大幅度下降。 第五代数控系统：从1 9 7 5 年开始，采用微处理器或微型计算机，其可靠 性和自动化程度有了大幅度的提高。 根据技术复杂程度和应用水平以及市场中的利用范围，我国的数控系统 大概分为经济型、普及型和高级型这三大类。这其中应用最为广泛，性能完 善并且具有较高加工速度和精度，具有闭环反馈的数控系统属于普及型和高 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 级型的数控系统，这类型的数控系统也称为全功能数控系统或标准数控系 统。但是，此类数控系统的价格一般都比较昂贵，由加工精度和加工速度的 大小，其价格少则1 0 多万，多达近百万。这样的价格是一般中小企业所难 以承受的。但是由于国内较多中小型企业的存在，市场要求出现具有价格优 势，又能够实现一定的加工速度及精度的数控系统。则也是我们处于发展中 国家的基本国情所决定的。在这样的大环境下，各种各样的经济型数学系统 逐渐孕育而生。 经济型数控系统通常采用单片机( 8 位、1 6 位或3 2 位) 作控制器，驱动电 机较多采用步进电机，其多用开环控制。尽管与标准型数控系统有个明显的 性能差距，但是它具有经济实用、结构简单、操作方便、价格低廉的特点。 而近几年随着p c 机价格的不断下降、硬件配置的更加多元化、软件资源的 飞速发展，经济型数控系统正逐步向p c 化方向发展。 而经济型数控系统正是由于其具有较高的性价比，这些年越来越多的应 用于机床产品的升级换代和普通机床的技术改造上。通过数控机床的升级改 造，很多不能满足时代需求的老式机床可以重新投入到生产加工中去。这大 大的提高了机床的利用率，也很大程度上节约了中小型企业的生产成本。这 些经济型数控系统尽管与标准数控系统有较大的性能差距，但是同样具有适 用于多品种、小批量的自动化加工生产，而其具有的对产品适应性强，在普 通机床上加工的产品基本上都可以加工的特点，不但提高了产品的加工质 量，降低了产品的报废率，而且增强了企业的应变能力，提高了企业的竞争 力。这是如此，经济型数控机床在我国的机床市场已经占有较大的比重，成 为我国制造业不可或缺的一部分。其快速的发展，也有效地促进了我国数控 系统的不断创新和发展。 1 2 2 插补技术 所谓插补技术就是指在轮廓控制系统中，估计给定的进给速度和轮廓外 形，在已知数据点之间插入中间点的过程，即“数据密化”晦1 的过程。根据 加工零件的外形轮廓，插补功能不但可以实现直线、圆弧等基本线型的加工， 还能够实现抛物线等各种复杂的平面及空间轮廓曲线的j ht _ 。 伴随着计算机技术和电子技术的不断进步，插补技术也随之而不断发展。 对于早期的数控机床系统而言，其插补功能主要是由专用的硬件电路来实现 的。五十年代，数控系统的插补功能的实现主要经历了从电子管元件到晶体 管再到印制板的发展过程；到了六十年代，数控系统的插补功能开始逐步采 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 用一些小规模的集成电路来实现。尽管这些硬件电路能够很好的实现插补功 能，但是这些专用硬件插补电路不但体积庞大、可靠性不高，而且设计步骤 也相当复杂。 但是随着插补算法复杂程度的不断提高，使得传统的硬件逻辑来实现插 补功能的成本和难度不断加大。不过到七十年代，随着计算机技术的不断发 展，插补技术的发展又向前迈出了一大步。这个时候出现了主要由软件来实 现逻辑控制的计算机数控系统( c n c ) ，技术人员逐渐开始用软件编程的方法 来来设计插补硬件电路。这相对于传统的硬件插补电路来说性能不断更高， 而且灵活性也大大的增强了。 早期c n c 系统中处理器( c p u ) 的处理能力是很有限的，任何插补算法只 能通过使用c p u 的加减乘除指令才能够实现，这样能够实现的算法较为简 单。在计算机技术和微电子技术的快速发展下，c p u 的计算出来能力大大加 强，以前不能实现的数学运算便能够直接高速的计算出来。这个时候，插补 算法的研究与实现不再是只能靠加减乘除指令来实现了。因此，为新的插补 算法的研究以及实现创造很好的技术条件。正因为如此，产生了许多复杂曲 线，像b 样条曲线m 1 等。 虽然随着计算机技术的不断发展，使得插补算法的研究和发展不断的完 善和深化。但是使用纯软件的方式存在进行插补时处理速度不快，很难满足 当今数控系统高速插补性能的指标要求的缺点。因此，孕育而生了二级插补 的插补方案。这个方案即插补开始时，先利用软件完成粗插补，再使用软件 或者硬件完成精插补。其具体做法是软件完成插补后将粗插补数据传输给二 级插补电路，二级插补电路接受数据后再完成精插补，最后发出输出脉冲。 这种二级插补的数控插补方案由于具有对硬件要求较低，并且有很好的实时 特性，因此现在被广泛使用。 1 2 3可编程逻辑设计技术简介 随着微电子设计技术及其制造工艺的不断发展，数字集成电路的发展经 历了电子管、晶体管、中小规模集成电路、超大规模集成电路等各个阶段。 发展到今天的专用集成电路( a s i c ) 已经能够实现可编程片上系统( s o p c ) 的功能了。a s i c 不但能够降低了产品的生产成本，提高了系统的可靠性， 缩小了设计的物理尺寸，而且推动了社会的数字化进程。但是a s i c 的不足 之处在于设计周期长，改版投资大，灵活性差等，这些缺陷制约着它的应用 范围。近几年出现工一种半定制电路，其灵活性好，并且在一些没有限制的 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 实验场所都能够设计和更换大规模的数字电路。这是可编程逻辑器件( p l d ) 。 可编程逻辑器( p l d ) 1 是上个世纪7 0 年代发展起来的一种新型逻辑器 件，是电路设计领域中最具活力和最具发展前途的一种器件。一般来说，p l d 器件是由用户配置以完成某种逻辑功能的电路。自从p l d 器件诞生以后，制 造工艺上采用t t l 、c m o s 、e c l 及静态r a m 技术，器件类型有p r o m 、e p r o m 、 f p l a 、p al 、g a l 、p m l 及l c a 等，p l d 在性能和规模上的发展，主要依赖于 制造工艺的不断改进，高密度p l d 是v l s i 集成工艺高度发展的产物。8 0 年 代后期，复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 和现场可编程逻辑门阵列器件( f p g a ) 导致p l d 领域发生了革命性的改变，这类器件采用e e c m o s 工艺，在达到高 度集成度的同时，还具有的应用灵活性和多组态功能的优点。这些优点都是 以往的l s i v l s i 电路无法比拟的。 到9 0 年代，c p l d f p g a 发展更为迅猛，器件具有了电擦除特性和边缘 扫描及在线编程等高级特性。另外，外围输入输出模块( i o ) 扩大了在系统 中的应用范围使器件具有更广的扩展性。国外的c p l d f p g a 生产厂商不断推 出新的技巧，较常用的有x i l i nx 公司的e p l d 和a l t e r a 及l a t t i c e 公司的 c p l d 。随着技术的日新月异，器件的集成度也越来越大，从9 0 年代的1 3 万门反正到了现在的几百万门得产品。 现如今，p l d 器件速度不断加快、集成度不断加大、功能不断增强，正 是由于其具有快速、高密度、灵活的特点，它的应用范围也越有越广，甚至 成为了一些专有集成电路的竞争对手。 电子产品的高度集成数字化是必由之路，我国的电子设计技术经过了 s s i 和m c u 阶段，现在又面临一次新突破即c p l d f p g a 在e d a 基础上的广 泛应用。如果说m c u 在逻辑的实现上是无限的话，那么c p l d f p g a 不但包 括了m c u 这一特点，而且可触及硅片电路的物理界限，并兼有串、并行工作 方式，高速、高可靠性以及宽口径适用性等诸多方面的特点。不但如此，随 着e d a 技术的发展和c p l d f p g a 在深亚微米领域的应用，它们与m c u 、m p u 、 d s p 、a d 、d a 、r a m 及r o m 等器件间物理与功能界限已日益模糊。特别是 软硬i p 芯核产业的迅速发展，嵌入式通用及标准f p g a 器件，片上系统 ( s o c ) ，1 9 9 9 年底已经上市。c p l d f p g a 以其不可替代的地位以及伴随而 来的具有经济特征的i p 芯核产业的崛起，j 下越来越受到业内人士的关注。 随着e d a 技术的不断深入，c p l d f p g a 与其他专有a s i c 芯片相比，其 优点越来越明显。专有a s i c 伸芯片的开发周期远远长于c p l d f p g a ，并且专 有a s i c 芯片的电路功能是不能够改变的；而c p l 9 f p g a 只需要改变配置文 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 件，就能够改变其实现的功能，并且c p l d f p g a 产品采用先进的j t a g - i s p 和在系统配制编程，这种编程方式对实现诸如红外、无线编程更加的便捷。 c p l d f p g a 一开始主要用于通信领域。但是其具有的开发周期段、灵活 性好、价格低廉的诸多优点使得它逐步适用于工控、智能仪器、军事等其他 各个行业。 1 3 论文研究的主要任务 论文研究的主要任务为： ( 1 ) 对运动控制系统进行研究，确定多轴运动控制器的设计方案； ( 2 ) 对各种插补算法进行研究，并且找出并改进适合于f p g a 实现的插 补算法； ( 3 ) 利用f p g a 来实现多轴联动硬插补芯片的设计。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 2各种运动控制器的构成方案及其研究 随着计算机技术和控制技术的飞速发展，现在市面上已经出现了各种各 样的运动控制器，这些控制器价格低廉，性能高效，越来越多的适用于各种 经济型数控系统中。本章节主要是介绍当今各种经济型数控系统的类型及其 特点，根据经济型数控系统追求高性价比的这一特点，来研究各种数控系统 的构成方案。并且对数控系统的运动控制器进行研究。 2 1 常见的运动控制器及其差别 在现代工业自动化、办公自动化、家庭自动化和国防自动化中，大量存 在对运动机构进行运动轨迹、速度等精确控制的需求。这其中最典型的应用 就是应用于数控系统中。这就是所谓的运动控制旧1 。简单地说，运动控制就 是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运 动轨迹和规定的运动参数进行运动。 运动控制是由伺服技术发展而来的，但是现代的运动控制的使用范围不 仅仅只是伺服了。典型的运动控制系统如图2 1 所示，这里边，控制器的属 于控制理论方面的知识领域，功率放大及转换属于电力电子与驱动技术，电 机方面属于电机原理，信号处理以及传感器数据的采集及处理则属于信号检 测和数据处理方面的知识。简而言之，现代运动控制己成为电机学、电力电 子技术、微电子技术、计算机控制技术、控制理论、信号检测与处理技术等 多门学科相互交叉的一门综合性学科。 图2 1典型的运动控制系统 f i g 2 1t y p i c ail o c o m o ti o nc o n t r o is y s t e m 运动控制的目的是使运动部件能按预期运动轨迹进行运动，并且要求运 动中的速度、加速度等参数能够达到预定的标准。一般来说，组成运动控制 西南科技大学硕士研究生学位论文第10 页 系统的主要要素包括了运动控制器、驱动器、执行机构、传动装置和被控运 动部件。 在运动控制系统中，如果按照机械运动轨迹来分类，大致可分为点位控 制、直线控制、轮廓控制这三大类。点位控制( p o s i t i o nc o n t r 0 1 ) 叫又称 为点到点控制( p t p ) ，这是一种当运动机构从某个位置向另一位置移动时，只 注重起点与终点坐标的位置，而不管中间过程的轨迹如何的一种控制方式。 由于对速度以及中间点的坐标没有严格要求，这种点到点的运动控制是一种 不严格的控制方式。直线控$ ! j ( s t r a i tc o n t r 0 1 ) 1 又称为平行控$ l j ( p a r a l l e l c o n t r 0 1 ) ，是必须保证两点问的移动轨迹是一条直线的运动方式。它相对于 点对点控制来说，对移动的速度也要进行比较严格的控制。轮廓控制 ( c o n t o u r i n gc o n t r 0 1 ) 称为连续轨迹控制( c o n t i n u o u sp a t hc o n t r 0 1 ) ，只 是最为复杂、控制轨迹最为精确的一种控制方式。由于能够对两个或两个以 上运动坐标及其速度进行相关的控制，因而可以进行曲线或曲面的运动。此 类控制方式如今广泛地适用于各种数控机床中。 当今的运动控制系统具备如下特征： ( 1 ) 在系统结构方面，现代的运动控制系统是具有传感和测量装置的、 能满足先进控制方面的闭环系统；并且可以对多种电机进行控制；同时还支 持一般开关量和模拟量的过程控制。 ( 2 ) 开放式的结构设计是现代运动控制系统最为常见的硬件组成方式。 当今最普遍的构成方案是利用d s p 与f p g a 相结合的设计方案，这种典型的 硬件组成方式具有处理性能强大、通信能力高以及具有高集成度、高稳定性 的优点。 ( 3 ) 开放式的设计方案不但应用于硬件组成中，还使用于软件结构中。 这种软件设计方式提供开放的软件接口，支持第三方软件模块，提供完整的 操作环境和开发环境，并能满足在多种操作系统上开发的需要。 典型的现代运动控制系统的硬件主要由p c 机、运动控制器、驱动器、电 动机、运动执行机构以及传感器检测装置等部分组成，主要构架如图2 2 所 示。 在运动控制系统中，运动控制器是核心部分，它是以中央逻辑控制单元 为核心，以传感器为信号敏感元件，以电机或其它动力装置和运动执行单元 为控制对象的一种控制装置。其主要任务是根据运动控制的要求和传感器件 的信号进行必要的逻辑运算，为电机或其它动力和运动执行装置提供正确的 控制信号，使其能按照指定的轨迹和速度进行运动。这就犹如是人体的大脑 西南科技大学硕士研究生学位论文第”页 一样，指挥着运动控制系统的其他部件相互工作， 图2 - 2典型的运动控制系统的硬件划分 f i g 2 - 2 h a r d w a r ep a r t i t i o no ft y p i c a ll o c o m o t i o nc o n t r o is y s t e m 运动控制器是在以高速数字信号处理器d s p 为代表的高性能、高速微处 理器及大规模可编程逻辑器件f p g a 的基础上发展而来的。基于p c 总线的开 放式运动控制器已成为当今自动控制领域应用最广泛、功能最完善的运动控 制器，并且在全球范围内得到了广泛的应用。相比较传统的数控装置，运动 控制器具有如下特点： ( 1 ) 技术新、功能强大，可以实现多种运动轨迹的控制，除了普通直 线和圆弧轨迹控制之外，现代的很多运动控制器还支持如螺旋线、样条曲线 甚至支持n u r b s 曲线2 1 和曲面运动轨迹控制； ( 2 ) 结构形式模块化，可以方便地组合、建立能够适用不同场合、不 同功能需求的控制模块； ( 3 ) 操作简单并且多和p c 密切结合，在p c 上经过简单编程就能够实 现运动控制； ( 4 ) 一块运动控制器可以完成多轴联动的伺服控制、反馈信息处理、 运动计算等多种过程； ( 5 ) 连接方便，连接方式灵活，具备多种接口形式； ( 6 ) 具备开放性，系统维护、扩展和升级方便。 正是由于运动控制器具有的诸多优点，其不但在传统的机械数控行业有 着广泛的应用，而且在新兴的电子制造和信息产品中也越来越起着十分重要 的作用。其不断发展的技术不但包含了传统意义上的运动控制技术，并且还 与应用系统的技术要求有着千丝万缕的联系。在伺服运动控制器的发展过程 中，国内外广大的科技人员对基于d s p 和f p g a 的运动控制系统进行了深入 研究，并取得了令人瞩目的成果。 根据运动控制的特点及其应用可将它分为以下三种：基于p c 总线的运动 控制器、软件型开放式运动控制器和嵌入式运动控制器引。 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 ( 1 ) 基于p c 总线的运动控制器 这种控制器具有开放式硬件结构，这中机构独立于计算机，但是又与计 算机进行有机的结合。这种运动控制器大都采用d s p 或微机处理器( a r m ) 作 为c p u ，可完成运动轨迹的规划、高速运动的插补运算、伺服滤波控制和伺 服驱动、外部i o 之间的标准化通用接口功能，而且它具有的开放的函数 库还可根据用户的不同需求，在d o s 或w i n d o w s 等p c 机操作系统的平台上 自行开发应用软件，根据实际的不同需要来组成各种控制系统。这种控制器 包括在国内外都要广泛地应用，比如美国d e l t at a 公司开发出基于d s p 的p m a c 运动控制卡和固高科技有限公司的g t4 0 0 通用型运动控制器。 ( 2 ) 软件型开放式运动控制器 这种控制器具有最大的灵活性，其特点表现为运动控制软件全部装在计 算机内部，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动装置和外部i o 之间的标准 化接口而已。这就好比是组装电脑时在计算机中组装不同性能的网卡、显卡 以及各式各样的应用程序一样。同样，用户使用计算机系统，以开放的运动 控制内核为根源，设计各种所需的控制功能，然后组成各种类型的运动控制 系统。这种方案能够为用户提供更加广泛的选择空间。在国外，这种基于软 件型开放式运动控制器开发的典型产品有德国p a ( p o w e ra u t o m a t i o n ) 公司 的p a 8 0 0 0 n t 、美国m d s i 公司的o p e nc n c 等。对于国内而言，近些年也在 这方面取得了可喜的进步，很多国内公司都开发出了具有高灵活性的运动控 制器，比如固高科技有限公司的g o 系列运动控制器产品等。 ( 3 ) 嵌入式运动控制器 近些年嵌入式技术在通讯、控制方向不断发展，已成为工业自动化应用 的一种趋势。而嵌入式运动控制器j 下是基于这一理念而发展起来的。这种运 动控制器是把p c 机嵌入到运动控制器中的一种产品，运动控制器和p c 机 是相互独立的，二者之间的通信主要靠的是计算机总线。由于这种产品采用 了更加可靠的总线连接方式( 采用针式连接器) ，因此这种方案更加适合于各 种工业设计中的应用。这种嵌入式的运动控制器不但能够配置u s b 驱动器， 甚至可以通过网络来进行远程控制。此类产品在国外有美国a d e p t 公司的 s m a r tc o n t r o ll e r 等，国内则有固高科技公司的g u c 系统八轴嵌入式运动 控制平台系列产品等。 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 2 2多轴联动运功控制器的方案设计 本课题在进行系统设计的时候，需要现对系统的功能需求进行必要的分 析。由于嵌入式数控系统所应用的资源以及性能都不能和标准型数控系统相 提并论，所实现的功能也与标准型数控系统有很大的差异。因此，我们先通 过对国内存在的各种嵌入式运动控制器5 1 进行有限的分析，然后概括出嵌入 式数控系统的特点。 目前国内的运动控制器生产厂商提供嵌入式数控系统大致可以分为三 类： ( 1 ) 以单片机( m c u ) 或微处理器作为核心的运动控制器。这类的运功控 制系统优点成本相对较低，但是由于受单片机性能所限制，其加工速度较慢， 精度也不高。并且受处理器出来速度的影响，它一般适用于低速、低精度的 一些运动控制场合。 ( 2 ) 以专用芯片( a s i c ) 作为核心处理器的运动控制器。这类运动控制 器硬件结构简单，但大多数只能输出脉冲信号而不具备反馈。这类控制器多 用于单轴低速的控制场合，而对于高速轨迹控制并且多轴协调控制的设备， 其就不能够实现运动控制了。除此之外，对于运动控制中最为重要的插补算 法来说，由于其硬件资源的约束，插补算法多采用逐点比较法来实现，而不 能采用二级插补的方案，这就造成了插补精度不高，从而对运动控制的精度 造成了影响。 ( 3 ) 基于p c 总线的以d s p 和f p g a 作为核心处理器的开放式运动控制 器。这类开放式运动控制器是一方面利用p c 机来做信息处理的工作，另一 方面使用d s p 和f p g a 芯片作为运动控制器的核心处理器。这样的设计综合 了p c 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 的特点。因此这类运动控制器兼有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹 控制准确、通用性好的一系列特点。而且还充分利用了d s p 的高速数据处理 功能和f p g a 的超强逻辑处理能力。这种设计思路设计出来的运动控制器不 但功能完善而且性能优越。 以上第一类运动控制器由于受单片机性能的限制，此类运动控制器较 弱，而且使用范围较窄，因此在市场上所占份额较少，主要应用于一些单轴 简单运动的场合。第二类运动控制器因其结构简单、成本较低，占有一定的 市场份额。但由于a s i c 灵活性较差，而且性能与标准型数控系统具有较大 的差距，因此使用的范围也受到了很大的限制。第三类运动控制器由于其灵 西南科技大学硕士研究生学位论文第14 页 活性好，而且具有相当的性价比，目前在国内的使用较为广泛，目前不但国 外开放式运动控制器产品已经开始大量进入中国，而且越来越多的厂家也投 入到此类控制器的设计与研制中去。 尽管基于计算机标准总线的运动控制器现在和以后一段时间内仍然是 市场中运动控制器的主流产品。但是现在大多数的此类运动控制器主要是板 卡结构，采用的总线大都为i s a 、p c i 。而且由于它们的应用平台主要是依 附于通用p c 计算机平台，从工业控制的角度分析，此类运动控制器的有对 环境要求较高，造成p c 机的资源浪费等诸多缺陷。尽管有诸多的缺陷，但 是这些年随着片上系统( s o c ) 技术的快速发展，嵌入式p c 运动控制器也不断 的向i j 发展。通过p c 机，设计人员可以很方便的开发嵌入式运动控制器产 品，并且还具有不加改动就能够移植的优点。这种嵌入式运动控制器既提高 了整个系统的可靠性，而且使得系统的开发更加简洁和并且使系统具有高度 集成化。 通过认真分析和总结，本课题所设计的系统主要应该拥有以下一些特 点： ( 1 ) 系统必须具有功能强大的微处理器，使得嵌入式数控系统能够满 足高速运动控制时所需要的高速并且精确的算术运算和逻辑运算。 ( 2 ) 系统必须具有性能优良的运动控制部分。运动控制部分的设计不 但要功能完善，而且还得运行稳定，同时设计时必须要求具有速度快，精度 高的特性。 ( 3 ) 运动控制部分必须具有控制3 轴的以上的能力，并且能够实现多 轴的直线插补及圆弧插补等功能。 ( 4 ) 系统中还应具有多个计数器，能够对每轴实现位置计数功能，实 现对运动位置的精确控制。 尽管基于p c 总线的以d s p 和f p g a 作为核心处理器n 6 1 的开放式运动控制 器是当今一种极具性价比并广泛使用的运动控制器，但是由于d s p 在操作系 统移植和人机图形界面设计上存在的不便，放弃了最初的“d s p + f p g a 方案。 国内还有的厂家采用的方案是“嵌入式处理器( a r m ) + 运动控制芯片引， 其专用插补芯片比较常见的是m c x 3 1 4 引。尽管此方案能够很好满足嵌入式 数控系统的性能指标，但是由于这些专用的运动控制芯片价格昂贵。这样开 发出来的数控系统性价比也随之下降。因此，最终选用“a r m + f p g a ”的嵌入 式数控系统构成方案。其设计框图如图2 - 3 所示： 西南科技大学硕士研究生学位论文第15 页 图2 3嵌入式数控系统构成方案 fig 2 3s t r u c t u r eo fe m b e d d e dc n ct y p e 在如图2 3 所示的“a r m + f p g a 设计方案中，由于a r m 处理器具有很强 大的性能，使其能够完成系统的界面操作设计、显示器的显示以及管理、键 盘操作、程序管理、网络通信、i o 输入输出等功能。由于使用基于数据 采用插补的二级插补方式能够获得更好的控制性能，提高控制的准确性。在 这种二次插补方案中使用a r m 处理器来完成粗插补，而把f p g a 芯片设计为 一个专用硬插补器，接受a r m 芯片的粗插补脉冲数据，并且进行精插补运算， 最后发出经给脉冲到电机驱动系统。这样就形成了利用运动指令来控制伺服 电机运转，实现数控系统的多轴联动插补。这里面还需要注意的就是由于 f p g a 芯片自身的特点，我们需要把实现精插补功能的程序通过配置芯片固 化或加一个c p l d 用来进行固化。这样，就得到了多轴联动硬插补专用芯片 了。 2 3本章总结 本章节在对当今的运动控制器进行了介绍和分析，并且比较各自特点， 为论文所设计到的运动控制器的设计提供了理论参考。然后在此基础上提出 了a r m + f p g a 的多轴联动运动控制器的设计方案。 西南科技大学硕士研究生学位论文第16 页 3 插补技术及各种插补算法的研究 在机床的实际加工中，被加工工件的轮廓形状千变万化，各式各样。严 格说来，为了满足不同几何尺寸精度的要求，加工零件的轮廓外形是生成刀 具轨迹的唯一依据。尽管数控系统能够很轻松的实现简单的曲线轨迹引，但 是对于比较复杂的外形轨迹，要是单纯的以直线来构成，不但造成算法异常 复杂，还加大了对计算机的计算能力提出了很大的要求，这甚至是不可能实 现的。但是