（机械电子工程专业论文）四轴雕铣加工中心运动控制系统的研究.pdf

摘要 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。运动控制技术是数控技术的核心。随着电子技 术、计算机技术、传感器技术、控制技术的发展以及市场的需求，智能化、开放化、网 络化维护方便的运动控制器已经成为运动控制器发展的一个方向。 本论文以四轴雕铣加工中心运动控制系统的需要为基础，在调查研究了国内外运动 控制器的发展状况，根据目前市场上主流运动控制器特点，吸收借鉴国外先进运动控制 器的优点，提出了基于d s p 和f p g a 运动控制系统方案。采用数据处理能力强大的d s p 做为数据处理核心，d s p 编程灵活，芯片内部功能模块丰富，成熟的开发环境使得开放 和维护方便。f p g a 能够实现通过软件设计硬件电路，使得电路设计更加简单，设计成 本更低，修改更方便。本文设计了一款新型、功能强大、开放式、独立的、通用性好的、 可独立工作的四轴运动控制器，本文所设计的运动控制器即可独立工作也可与p c 机组 成“p c + 运动控制器”的系统，方式灵活。 本论文首先介绍了国内外数控技术的发展状况。研究了运动控制器的发展以及当前 市场上主流运动控制器的控制方案，在此基础上提出了本论文的运动控制方案基于 d s p 和f p g a 运动控制系统设计方案。根据运动控制方案设计了运动控制器的硬件系统。 包括主控芯片的配置电路、编码器反馈信号处理电路、输人和输出信号接口电路以及通 讯接口设计，尤其是设计了网络通讯接口，并对网络通讯接口进行了测试和验证。 其次，研究了数控插补算法，在对比了几种主要数控插补方案后采用数字积分法插 补，并进行了数字积分法插补流程设计。针对定点型d s p 的特点设计了定点数与浮点 数的转换程序，完成定点型d s p 的浮点运算。 最后，进行了p c 端设计，完成了信号检测和再现，验证了系统的可靠性。 关键词：运动控制；d s p ；f p g a ；数字积分插补算法； a b s t r a c t m o t i o nc o n t r o l l e ri sac o n t r o ld e v i c eo b j e c t ，w h i c hc e n t r a ll o g i cu n i ti sc o r e ，s e n s o ri s s i g n a l s e n s i t i v ee l e m e n t , m o t o r p o w e ru n i ti s i m p l e m e n t a t i o nu n i t m o t i o nc o n t r o l t e c h n o l o g yi st h ec o r eo fn u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g y a st h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g y , s e n s o rt e c h n o l o g y , c o n t r o lt e c h n o l o g ya n dm a r k e td e m a n d ， i n t e l l i g e n t , o p e n ，n e t w o r k , m a i n t e n a n c ea n dc o n v e n i e n tm o t i o nc o n t r o l l e rh a sb e e nt h eo n e d i r e c t i o no fm o t i o nc o n t r o l l e rd e v e l o p m e n t i nt h i st h e s i s ，b a s e do nt h en e e d so ff o u r - a x i se n g r a v i n gm a c h i n i n gc e n t e rm o t i o nc o n t r o l s y s t e m ，i n v e s t i g a t i n gt h em o t i o nc o n t r o l l e r sd e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a d ，a c c o r d i n gt o t h em a r k e tm a i n s t r e a mm o t i o nc o n t r o l l e r sf e a t u r e s ，b o r r o w i n ga d v a n c e dm o t i o nc o n t r o l l e r s a d v a n t a g e s ，w ep r o p o s ean e ws o l u t i o n sw h i c hb a s e do nd s pa n df p g a d s pi su s e df o r d a t a - p r o c e s s i n gc o r e ，t h a td s ph a sp o w e r f u ld a t a - p r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e sa n dp r o g r a m m i n g f l e x i b i l i t y , r i c hm o d u l e si nc h i p ，m a t u r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tf o ro p e na n de a s y m a i n t e n a n c e b yt h ef p g at e c h n o l o g y , h a r d w a r ec i r c u i tc a nb ea c h i e v e dt h r o u g hs o f t w a r e s o ，t h ec i r c u i td e s i g na r es i m p l e r , l o w e rc o s ta n dm o r ec o n v e n i e n tf o rc i r c u i tm o d i f i c a t i o n t h i sp a p e rd e s i g n e dan e wf o u r - a x i sm o t i o nc o n t r o l l e r , w h i c hi sp o w e r f u l ，o p e n ，i n d e p e n d e n t ， u n i v e r s a lg o o d ，a n dc a nw o r ki n d e p e n d e n t l y t h i sn e wc o n t r o l l e rc a nw o r ki n d e p e n d e n ta l s o c a nw o r kw i t ht h ep c f o r m e dt h e ”p c + m o t i o nc o n t r o l l e r ”s y s t e m t h i sc o n t r o l l e ri s f l e x i b l e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eh o m ea n da b r o a dd e v e l o p m e n to fc n ct e c h n o l o g y i n v e s t i g a t i n gt h ed e v e l o p m e n to fm o t i o nc o n t r o l l e ra n dt h es o l u t i o no fm a i n s t r e a mm o t i o n c o n t r o l l e r , w ep r o p o s e dt h i sp a p e r ss o l u t i o n ，w h i c hi sb a s e do nd s pa n df p g a a c c o r d i n gt o t h em o t i o nc o n t r o ls o l u t i o n ，w ed e s i g n e dt h em o t i o nc o n t r o l l e rh a r d w a r es y s t e m ，i n c l u d et h e c o n t r o l l e rc h i p sc o n f i g u r a t i o nc i r c u i t ，t h ee n c o d e rf e e d b a c ks i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t ，i n p u t o u t p u ts i g n a li n t e r f a c ec i r c u i t sa n dc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，e s p e c i a l l yd e s i g n e dt h en e t w o r k c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，t e s t e da n dv a l i d a t e dt h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e s e c o n d l y , s t u d yo ft h ec n ci n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ，c o n t r a s t e dw i t hs e v e r a lm a j o r n u m e r i c a li n t e r p o l a t i o na l g o r i t h ms c h e m e ，w eu s ed i g i t a li n t e g r a t i o na l g o r i t h mm e t h o d ，a n d d e s i g nt h ei n t e r p o l a t i o np r o c e s sf o rd i g i t a li n t e g r a t i o ni n t e r p o l a t i o nm e t h o d d e s i g nt h ef i x e d p o i n ta n df l o a t i n g - - p o i n tc o n v e r s i o np r o c e s sf o rf i x e d p o i n tt y p ed s p , c o m p l e t i o nf l o a t i n g o p e r a t i o no ff i x e d - p o i n tt y p ed s e f i n a l l y , w ed e s i g n e dp c - s i d ep r o g r a m ，c o m p l e t e ds i g n a ld e t e c t i o na n dr e a p p e a r a n c e t h e r e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mh a sb e e nv a l i d a t e d k e yw o r d s ：m o t i o nc o n t r o l ；d s p ；f p g a ；d d a 长安大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 小型四轴雕铣加工中心是实现对小件物品进行精细加工而设计的，例如在尺寸较小 的物件上进行雕刻。小型四轴雕铣加工中心由于自身尺寸较小，传统的运动控制器( 即 “p c + 运动控制卡 ) 的体积大于四轴雕铣加工中心的体积，且造成p c 机大部分资源的 浪费。本文目的是设计开发出一款，适用于小型四轴雕铣加工中心的、可独立工作的、 开放性、智能化、高精度的通用四轴运动控制器。 1 2 运动控制器研究现状和发展趋势 目前，在市场上比较常见的运动控制器主要是基于p c 的运动控制卡，运动控制卡 通过p c i 总线与p c 机相连，再通过运动控制卡上设计的通讯接口与电机或其它执行机 构相连，借助于p c 机的强大处理数据功能，在p c 机上实现各种控制算法，运动卡主 要实现信号转换，和对部分外围设备信号处理为p c 机端的处理做准备。此类运动控制 系统将控制器与p c 机绑定在一起使用，利用p c 机强大的数据出来了功能和良好的人 机界面，使得运动控制器的使用和操作方便灵活。控制卡根据所选主控芯片功能的差异 而功能有所区别。随着技术的进步和对控制器需求的不断增加，控制器技术也不断向前 发展，国内外控制器的发展也呈现出新的趋势。 1 2 1 国外运动控制器发展状况 各国对运动控制技术的发展都很关注，投入了相当大的人力物力，发达国家相继推 出了各自的运动控制器发展计划，其中影响比较大的有【1 4 】： 美国19 8 7 年的n g c ( t h en e x tg e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n m a c h i n ec o n t r o l l e r ) 和o m a c ( o p e nm o d u a la r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) 计划，19 9 0 年欧洲o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r e f o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m ) 开放式体系结构计划，日本的o s e c ( o p e ns y s t e m e n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e 0 计划【8 - 9 1 。这些计划的产生都取得了显著的研究成果，并提出 了一些新的构建开放式数控系统的模式和方法和思想，总的来说这些体系结构都提出了 运动控制器的开放性，模块化、可维护性，具有高速、高精度、高可靠性和高安全性的 特点。在这些计划的指导下国外有很多公司开发出了性能优越的运动控制器，典型的产 品有：美国d e l t at a ud a t as y s t e m 公司的开发的可编程多轴运动控制器p w a c 1 第一章绪论 ( p r o g r a m m a b l em u l t i a x e sc o n t r o l l e r ) ，美国g a l i l 公司生产的g a l i l 运动控制器，英国 t r i o 公司得t r i o 运动控制器，这些国外品牌占据了运动控制器市场的大部分份额。 d e l t at a u 公司生产p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i a x e sc o n t r o l l e r ) 多轴运动控制卡，是 当前市场上的典型产品，p m a c 运动控制卡是世界上功能最强，计算速度最快，质量可 靠的运动控制产品【5 】。p m a c 运动控制器采用m o t o r o l ad s p 作为控制卡主处理器 c p u ，p c ip c i 0 4v m e 总线形式与p c 机连接，支持r s 2 3 2 4 2 2 串口、u s b 及网口通讯， 3 6 位位置计数范围，1 6 1 8 位d a c 模拟量输出分辨率，2 0 4 0 m h z 编码器采集频率，可 控制交直流伺服电机有刷无刷力矩电机，和步进电机，最多可链接1 6 块p m a c 卡 实现1 2 8 轴的同步控制，具有点位，直线，圆弧，样条和p v t 插补功能，直线s 曲线加减 速，内置p i d 加n o t c h 滤波和前馈滤波，内置固定程序缓冲区和旋转缓冲区，适宜超大 程序的加工，内置p l c ，可选a d 采集功能，具有电子齿轮，随动功能，位置捕捉功 能。p m a c 卡按控制电机的控制信号来分，有1 型卡和2 型卡，l 型卡输出1 0 v 模拟 量。主要用速度方式控制伺服电机。2 型卡输出p w m 数字量信号。可直接变为 p u l s e + d i r 信号来控制步进电机和位置控制方式的伺服电。p m a c 卡按控制轴数来 分，有2 轴卡：m i n ip m a c 和m i n ip m a c 2 ；4 轴卡：p m a c 15 1 i r e 和p m a c 2 一l i t e p m a c 2 a p c10 4 ；8 轴卡：p m a c p c ，p m a c 2 p c 和p m a c 2 a p c i0 4 ；3 2 轴卡：t u r b o p m a c 和t u r b op m a c 2 ；p m a c 卡按通讯总线形式分，有：i s a 总线，p c i 总线，p c i 0 4 总线和v m e 总线。目前，p m a c 各种轴数的1 型和2 型卡，都有上述的计算机总线方式 供选择。p m a c 运动控制卡功能强大性能优越，广泛应用于工业控制领域。 t r i om c 2 0 6 控制器是英国t r i o 公司的产品，可独立安装，自带各种接线端子， 可控制伺服电机和步进电机( 步进和伺服可同时使用) ，最多到5 个轴，最大输出脉冲 5 0 0 k h z ，模拟量输出为1 6 位分辨率，通讯接口丰富，2 个r s 2 3 2 c ( 支持欧姆龙h o s t l i n k 协议) ，1 2 0 0 - 3 8 4 0 0 的波特率，1 个r s 4 8 5 ，1 个串口适配口，1 个1 2 m 的u s b 口，1 个在板的c a n 接口( 与d e v i c e n e t 兼容) ，一个e t h e m e t 口，可实现直线插补、圆弧插 补、螺旋线插补、电子凸轮、电子齿轮、同步跟随、运动仿真功能、虚拟轴设置、多 功能程序保护，多任务同时运行，p l c 和运动控制功能集于一身，支持多种开发语言 如t r i o b a s i c 编程，v b 、v c 、c c + + 等高级语言【6 】。 g a l i ld m c 2 1 x 3 控制器是美国g a l i l 公司推出的经济型以太网控制器，g a l i l d m c 2 1 x 3 控制器及驱动器针对低成本、少接线的多轴运动多轴驱动直接与控制器相连， 无需连接线缆，提供高速以太网通讯，控制器处理所有运动控制工作，减轻p c 编程的 2 长安大学硕士学位论文 复杂性与工作负担，成本远低于多个独立的单轴控制器和驱动器，可驱动高达5 0 0 w 功 率的步进电机，有刷及无刷伺服电机1 7 1 。g a l i l 经济型以太网控制驱动器d m c 2 1 x 3 ，低 成本，独立于p c 的紧凑封装提供了多轴控制的优秀性能，并且减少了控制器与驱动器 之间的接线。每个控制驱动器的核心是d m c 2 1 x 3 以太网运动控制器，该控制器可以处 理了所有轴上的全部运动控制功能。这样，无需通过主机就可以完成多轴的高速运动控 制。此外，控制器可以通过跳线来选择各个轴的开环或闭环控制。该控制器的最大优点 是驱动器与控制器的连接是通过9 6 p i n d i n 连接头插接在一起，无需连接线缆。另外一 个优势就是在价格上要远低于购买多个独立的单轴控制器和驱动器。一些型号还提供了 通过控制器对放大器进行设置和诊断的功能。g a l i l 运动控制卡d m c 2 1 4 3 的优点有： e t h e m e t ：1 0 b a s e t ，r s 2 3 2 高达1 9 2 k b ；e t h e m e t 支援多组主控装置及多组受控装置，并 支援t c p i p , u d p 及m o d b u s 协定；任一轴均可控制步进或伺服马达；编码器回馈频率： 1 2 m h z ；步进输出频率：3 m h z ( 脉冲及方向) ；p i d 补偿与速度a n 速度前馈功能，积 分极限，陷波滤波器，低通滤波器；运动模式：速度控制，点对点定位，线性及圆弧补间， 电子齿轮& 凸轮，连续路径运动特色：椭圆轴比例设定，过弯减速，无限线段进给，超驰 进给( f e e d r a t eo v e r r i d e ) ；提供2 0 0 多个指令，可执行条件式；事件驱动；程式，变数，阵列， 非挥发性记忆，可同时执行8 组程式；双e n c o d e r s 回馈，原点复归，正负极限；可编程 式i 0 11 4 轴使用8 组t t l 输入点及8 组输出点；5 8 轴使用1 6 组1 v r l 输入点及 1 6 组输出点；可选配8 路模拟输入和4 0 路数字i o ；各轴均配置高速位置捕捉及位 置比较输出功能；底盘按装选项：d i n r a i l ；输入电压+ 5 v 1 2 vd c ；使用9 6 p i nd i n 连接器直接与端子台结合( 不需缆线) ，且端子台提供d 型接头；支援l i n u x ，d o s ，所有 w i n d o w s 作业系统。 1 2 2 我国运动控制器发展状况 近几年我国在不断学习国外先进控制技术经验和研究运动控制器发展状况的过程 中，我国的控制器发展水平也得到很大提高，涌现出一批运动控制器品牌，如乐创，固 高，众为兴等，m p c 2 8 1 0 是乐创自动化技术有限公司开发的一款高性能四轴运动控制 器，基于p c 机p c i 总线，配备功能强大、内容丰富的运动函数库，为用户提供基于p c 的通用运动控制开发平台。m p c 2 8 1 0 提供强大的功能函数，实现高速轨迹连续插补以 及速度平滑处理，使整套机构运行更加平稳，适用于多种工业应用场合。m p c 2 8 1 0 是 一款高性价比通用控制器，以i b m p c 及其兼容机为主机，提供标准的p c i 总线接口。 第一章绪论 它与p c 机构成主从式控制结构，m p c 2 8 1 0 控制器完成运动控制的所有细节，包括脉冲 和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等。g t - 4 0 0 s x 通用 型运动控制器是固高科技有限公司自主开发的一类通用型运动控制器，采用高性能d s p 和f p g a 技术 每块卡可控制4 个伺服步进轴，可编程伺服采样周期，四轴最小插补周期为2 0 0 微秒，单轴点位运动最小控制周期为2 5 微秒，四轴联动，2 - - 4 轴直线插补，任意2 轴 圆弧插补。 现阶段国内运动控制器大概可以分为以下几类8 9 j ： 1 单片机作为核心。此类运动控制器由于单片机性能相对较低的影响，其运算速度 慢，数据处理精度低。一般应用在一些低速点位运动控制以及一些对轨迹求不高的轮廓 运动控制场合。 2 专用运动控制芯片作为核心。此类运动控制器一般由专用的运动芯片完成速度曲 线规划、控制算法、信号的处理，响应速度快、集成度高、使用元器件少、可靠性好。 但是结构相对比较简单，一般只能输出脉冲信号，开环控制方式。对于单轴点位控制的 要求是基本满足的，但对于要求多轴协调运动和高速轨迹插补控制的设备不能满足要 求。由于芯片的资源限制，对于一些复杂控制算法的引入比较困难，系统开发的灵活性 也相对较小，作为专用芯片它的价格相对较高。 3 数字信号处理器( d s p ) 作为核心。此类运动控制器是利用d s p 来完成复杂运动 轨迹规划、多轴协调控制、实时插补算法以及伺服控制等运算和控制。，p c 机完成人机 界面、输入输出诊断等辅助功能。具有精度高、速度快、集成度高、体积小、灵活性好 等优点，是目前国内运动控制器产品的主流控制方案。 4 基于p c 机的以d s p 和f p g a 为核心，近年来，f p g a 技术迅速速发展，推动了 控制技术的发展。这类控制器在利用d s p 高速数据处理能力的基础上，引入硬件电路 设计能力强大的f p g a 技术，提高了运动控制器的性能。f p g a 技术能够很好的实现通 过软件修改硬件，采用f p g a 技术可实现通过构架硬件电路处理逻辑控制，比软件控制 速度更快，更可靠。这类运动控制器，通过p c 机的总线将运动控制器与p c 机连接， 以p c 机为数据处理平台，可利用p c 机的操作系统，因此成本较低且通用性强。 以上几类运动控制器各有特点，应用的范围也不同，以单片机为核心的运动控制器， 由于单片机本身数据处理能力相对教弱，因此，这一类运动控制器只能应用于低端控制 领域，以专用控制芯片为核心的运动控制器，其结构简单，但由于是专用控制芯片所以 4 长安大学硕士学位论文 功能受到限制，开发灵活性小，因此市场份额较小。以d s p 为核心的运动控制器和基 于p c 总线以d s p 和f p g a 为核心的运动控制器是目前市场上的主流运动控制器，这两 类开发灵活，功能强大，便于二次开发通用性强。这种基于p c 机的运动控制器硬件组 成简单，把运动控制卡插入p c 机总线，连接信号线就可组成系统，可以使用p c 机已 经具有的软件进行开发，运动控制软件代码的通用性和可移植性较好，但也存在缺点， 采用板卡结构的运动控制器采用金手指连接，单边固定，在一些工作环境恶劣的工业现 场，如振动、粉尘、油污严重等不适宜长期工作。由于必须和p c 机一起使用，所以在 一些工作空间较小的环境受到限制，这类运动控制器只需要部分p c 机资源对未被使用 的p c 机资源造成浪费，整体可靠性难以保证，由于p c 的选择可以是工控机，也可以 是商用机。所以系统集成后，可靠性差异很大，这些是运动控制器不能保证的。 1 2 3 运动控制器的发展趋势 运动控制器的发展受到各国广泛关注和重视，国外发达国家相继推出了各自的运动 控制器的开发计划。运动控制器计划的推出，代表了运动控制器发展的一种趋势，将推 动运动控制器向一个更高层次发展。在这些计划中影响较大的有 1 0 q 1 1 ： 美国的o m a c ( o p e nm o d u l a r a r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) 计划，1 9 9 4 年美国通用、福特、 克莱斯勒三大汽车公司在n g c ( n e x tg e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n m a c h i n ec o n t r o l l e r ) 指导下， 提出了“开放式模块化体系结构控制器 ( o m a c ) 的开发计划。提出了系统基础框架， 信息库管理、任务调度、人机接口、运动控制、传感器接口等构造了控制系统功能体系 结构。该计划的目的是使系统制造厂、机床厂和最终用户分别从缩短开发周期、降低开 发费用、便于系统集成和二次开发、简化系统使用和维护等方面受益。o m a c 是一种 概念而不是标准。o m a c 对开放控制的定义是开放的、模块化的、可派生的、经济的和 可维护的。 欧洲德、法、意、西等国于1 9 9 0 年也联合举行了“主动化体系中绽放式体系布局 o s a c a ( o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m s ) ”的计划。欧盟的 o s a c a 计划是以德国机床制造联合会为主，联合欧盟2 0 多家厂商及科研机构于1 9 9 0 年共同发起的。o s a c a 发起了一个“分层的体系平台+ 布局作用单位”的布局。体系平台 由体系硬件和体系软件构成，体系软件包括有体系的核心局部，如支配体系、通讯体系 和可选的应用步骤如数据库、图形体系之类。体系平台议决a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e r f a c c e ) 对外提供办事( s e r v i c e ) o s a c a 的三个重要构成局部为通讯体系 5 第一章绪论 ( c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，参考体系布局( r e f e r e n c ea r c h i t e c t u r e ) ，配置装备摆设体系 ( c o r t f i g u r a t i o n s y s t e m ) 。 o s e c 计划，1 9 9 4 年，日本的东芝机械、半田工机、山崎、日本i b m 、三菱电机、 s m l 等六家公司发起成立了o s e ( o p e n s y s t e m e n v i r o n - m e r i t ，开放系统环境) 研究会，并 开始实施o s e c i ( o s e 控制器，1 0 版) 研究计划；1 9 9 5 年9 月，通过互联网公布了o s e c - i ， 并利用两套验证系统及c a d c a m 工作站进行公开验证活动。1 9 9 5 年1 2 月，该研究会 公开吸纳新成员，成为由1 8 家企业与1 个研究所构成的团体，继而开始实施o s e c 1 研究计划；1 9 9 6 年8 月公布了o s e c i ，并公开进行验证o s e c 研究的重点集中在n c 本 身和分布式控f 翱j ( d n c ) 系统上。 由发达国家所倡导的运动控制器开放理念和，所提出的运动控制器构架，可以看出 未来运动控制器的发展趋势将是开放性，智能化，网络化，可维护性，高精度和高可靠 性。 开放性：开放性运动控制器是指系统的硬件和软件有高的互换性，可根据功能需要 采用不同供应商提供的硬件或软件而不影响系统的性能；运动控制器的功能可根据控制 系统的规模增减功能模块；运动控制器的功能软件不受硬件设备影响可在不同平台的模 块中运行；用户可以将自己的软件集成到运动控制器的控制系统中形成自己的控制系 统。运动控制器通过标准化接口，使不同的功能模块通过标准的应用程序接口在系统平 台上运行，协调工作。 智能化：智能化主要是指运动控制器操作的智能化，如智能化的操作界面，和智能 化故障诊断，和监控，使用户操作维修方便。 可维护性：运动控制器的可维护性是指运动控制器使一方面用者能根据运动控制器 自身提供的诊断系统找到故障模块，更换损坏模块，达到快速修复系统，第二方面是指 系统有良好的升级更新基础，开发者可根据技术发展和功能需求在原有系统结构的基础 上对系统进行升级更新或增减功能模块。 高精度和高可靠性：高精度和高可靠性是新型运动控制器的所需基础功能，运动控 制器可以在各种工作环境中可靠的运行，这对系统的控制算法，硬件的性能以及设备的 封装都有很高的要求。 我国作为世界上最大的制造业国家，发展最快的国家，对运动控制器的需求不断增 大，运动控制器的产品的更新换代速度也非常迅速。我们应当加快步伐缩小与发达国家 的技术差距，研制出具有自主知识产权的高性能，高质量的运动控制器。 6 长安大学硕士学位论文 1 3 本文研究目的及研究内容 1 3 1 研究目的 针对于我国的运动控制器设计、研发以及生产相对于发达国家还比较落后，没有专 门用于小型控制系统的运动控制器的现状。以设计开发具有自主知识产权，开放性，智 能化，方便维护的适用于小型控制系统的运动控制器为目标。通过研究国内外运动控制 器的发展状况，以小型四轴雕铣加工中心运动控制系统为基础，针对小型控制系统的特 点，设计了运动控制器的硬件结构和控制算法。 d s p ( 数字信号处理器) 具有强大的数据处理能力和丰富的内置功能模块，运算速度 快广泛应用于控制领域。f p g a ( 现场可编程门阵列) 具强大的数字电路设计能力，是 目前数字电路设计的重要工具。本文设计开发一款基于d s p 和f p g a 的独立的运动控 ，制器，利用d s p 强大的数据处理功能，和通讯能力，将d s p 芯片作为数据处理核心， 采用w 5 1 0 0 芯片增加了网络通讯功能，增强了控制器的通讯能力，采用f p g a 技术通 过软件编写硬件电路设计了编码器反馈信号处理电路。本文所设计的运动控制器既可以 通过所设计的通讯接口与p c 机相连形成“p c + 运动控制器”的控制系统，也可以作为 独立的运动控制器独立工作。 1 3 2 研究内容 本文的研究目的是根据小型四轴雕铣加工中心控制系统的需要，设计开发一款能够 脱离p c 机独立工作的小型运动控制器，采用d s p 和f p g a 为核心，能够控制4 个轴的 电机工作，实现任意两轴的插补，在基本的r s 2 3 2 通讯接口、c a n 接口又设计了网络 通讯接口，使控制器能够通过网络通讯实现远程对控制器的控制。 研究内容包括： lt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 工作原理及其开发环境c c s ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 与外设的通讯， 2f p g a 工作原理，f p g a 开发环境q u r t u si i ，实现通过软件编写硬件电路。 3w 5 1 0 0 0 网络接口芯片的配置，t c p i p 协议，s o c k e t 编程。 4c a n 通讯协议，r s 2 3 2 通讯协议。 5 数控插补算法。 6 步进电机和伺服电机的控制方法。 7c 拌语言网络编程，和图形界面处理。 本文分为六章，各章内容安排如下： 7 第一章绪论 第一章：绪论。介绍国内外运动控制器技术的发展。简述本文研究的目的和内容。 第二章：系统总体方案。数控系统的功能要求确定系统的总体设计方案。 第三章：控制器硬件电路设计。供电电路设计、d s p 硬件电路设计、f p g a 硬件电 路设计、数据通讯接口设计、数字量输入输出接口、脉冲输出接口以及模拟量输出电路 设计等。 第四章：软件设计。首先，介绍了定点型d s p 如何实现浮点运算，并编写浮点数 的定点化运算程序。接着主要对几种数控插补算法进行了分析比较，选择了数字积分法 插补( d i g i t a ld i f f e r e n t i a la n a l y z e r ) ，进行了d d a 插补算法软件编程；并介绍了定点型 d s p 如何实现浮点运算。 第五章：p c 端设计。本章是在前面几章完成了控制器软硬件设计的基础上，根据 所设计的运动控制器的特点设计了系统p c 端处理系统，p c 端处理系统是在p c 端对控 制器信号的检测，完成对系统的验证。 第六章：总结与展望，对论文的工作进行总结，对后续工作分析展望。 8 长安大学硕上学位论文 第二章系统总体方案 系统控制方案的确定是整个运动控制系统开发的基础，系统方案的优略决定着所开 放的设备性能的好坏。本章在分析了国内外运动控制器功能及发展趋势的基础上提出了 本系统的控制方案一基于d s p 和f p g a 的运动控制系统。 2 1 系统总体结构与功能 2 1 1 系统总体结构 在调查研究了目前市场上国内外主流运动控制器功能的基础上，我们根据本系统的 实际需要设计系统结构如图2 1 ： 1 可控轴数为四轴，四轴脉冲输出； 2 四路编码器反馈信号输入； 3 四轴模拟量输出，输出范围+ 1 0 v 1 0 v ； 41 6 个数字量输入，1 6 个数字量输出； 58 路p w m 波输出； 6r s 一2 3 2 通讯接口，c a n 通讯接口，网络通讯接口，s d 卡接口； 图2 1 系统结构框图 2 1 2 主控单元 本系统采用d s p 和f p g a 作为主控制单元。d s p 为主处理器，主要实现运动控制 算法、插补运算、脉宽调制、通讯、诊断和保护等功能。d s p 具有的强大数据处理能力 是其他控制芯片所难以达到的，d s p 芯片采用哈佛结构，程序存储器和数据存储器相互 9 第二章系统总体方案 分开，各占独立的存储空间，允许取指和执令行指令全部重叠进行，可以直接在程序和 数据空间之间进行信息传送，减少访问冲突，从而获得高速运算能力，采用流水线技术， 取指令、译码和执行指令等操作可以重叠进行，在每一时钟周期中执行多个操作，d s p 的每一条指令都是自动安排空间、编址和取数，支持硬件乘法器，使得乘法能用单周期 指令完成，这样可以提高执行速度，具有专门的硬件支持复杂的d s p 编址，特殊的d s p 指令，面向寄存器和累加器。d s p 所使用的是专用的寄存器，许多d s p 还有大的累加 器，可在异常情况下对数据溢出进行处理。f p g a 作为协处理器，主要实现编码器反馈 信号的处理和各种i o 接口信号的处理。f p g a 芯片可实现软件对硬件的修改，具有可 擦除、可反复编写、修改方便设计周期短等优点，是数字电路设计的首选。根据功能需 要，经过性能对比和价格分析，本系统选用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是一款1 6 位的控制芯片，主频最高4 0 m h z ，尽管在t i 公司的d s p 系 列中t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 属于低端产品，但其良好的性能和低廉的价格使其被众多控制方案 采用，广泛应用于工业自动化等自动控制领域。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 具有一下特剧1 2 4 1 ： l 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降到3 3 v ，减小了控制器的功耗。 2 执行速度为4 0 m i p s ，具有很高的实时控制能力。 3 片内集成有高达3 2 k 字的f l a s h ，约2 5 k 字的数据程序r a m ，包括5 4 4 字的 双口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) 。 4 两个事件管理器模块e v a 和e v b 。每个事件管理器有两个1 6 位通用定时器，8 个1 6 位脉宽调制通道，一组片内光电编码器接口电路。 5 可扩展1 9 2 k 字的外部存储器。包括6 4 k 字数据存储空间、6 4 k 字程序存储空间 和6 4 k 字的i o 寻址空间。 6 一个c a n 模块、一个s c i 模块和一个1 6 位串行外设( s p i ) 接口。 7 4 1 个通用i o 口( 其中4 0 个可与其他功能复用) 和5 个外部中断。 f p g a 采用了逻辑单元阵列l c a ( l o g i cc e l la r r a y ) 概念，内部包括可配置逻辑模 块c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) 、输出输入模块l o b ( i n p u to u t p u tb l o c k ) 和内部连 线( i n t e r c o n n e c t ) 三个部分。f p g a 的基本特点主要有： 1 采用f p g a 设计a s i c 电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 2f p g a 可做其它全定制或半定制a s i c 电路的中试样片。 3f p g a 内部有丰富的触发器和i o 引脚。 1 0 长安大学硕士学位论文 4f p g a 是a s i c 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 5f p g a 采用高速c h m o s 工艺，功耗低，可以与c m o s 、订l 电平兼容。 目前，f p g a 芯片主要有a l t e r a 和x i l i n x 两大品牌，分析和比较之后我们选用 a l t e r a 公司的c y c l o n ei i 系列f p g a e p 2 c 5 t 1 4 4 芯片。e p 2 c 5 t 1 4 4 芯片是a l t e r a 公司低端的f p g a 芯片，核电压为1 2 v ，i o 口电压为3 3 v ，薄四向扁平封装1 4 4 引脚， 通用i o 口8 9 个。e p 2 c 5 t 1 4 4 芯片价格相对较低但性能完全满足本设计的需要。 2 1 3 通讯接口 本系统设计为一脱离p c 机能够独立工作的运动控制器。因此，它必须有强大可靠 且丰富的通讯功能。本系统设计了丰富的通讯接口以保证独立运动控制器的信息交换以 及用户的各种通讯要求。包括r s 2 3 2 通讯接口，c a n 通讯接口，网络通讯接口，s d 卡接口。r s 2 3 2 接口通过d s p 芯片的s p i 通讯接口扩展出来，c a n 通讯接口是直接利 用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片内部的c a n 模块，s d 卡接口是利用d s p 芯片内部的s p i 通讯 接口扩展出来。 2 1 4 网络通讯 网络通讯接口是本文设计的特色之一，网络通讯是采用w 5 1 0 0 芯片来实现的， w 5 1 0 0 是一款多功能的单片网络接口芯片，内部集成有1 0 1 0 0 以太网控制器，主要应 用于高集成、高稳定、高性能和低成本的嵌入式系统中。使用w 5 1 0 0 可以实现没有操 作系统的i n t e m e t 连接。w 5 1 0 0 内部集成了全硬件的、且经过多年市场验证的t c p p 协 议栈、以太网介质传输层( m a c ) 和物理层( p h y ) 。w 5 1 0 0 内部还集成有1 6 k b 存 储器用于数据传输。使用w 5 1 0 0 不需要考虑以太网的控制，只需要进行简单的端口 、( s o c k e t ) 编程。丰富的通讯接口能够保证运动控制器可在广阔的平台下工作，这使得 用户可以面对不同的控制对象使用相同的控制器，方便了用户操作。 2 1 5 通用i o 接口 本文根据运动控制器的功能需求，考虑用户扩展需要，设计了1 6