（精密仪器及机械专业论文）嵌入式智能多轴运动控制系统.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n t e c h n o l o g yf o rt h ed e g r e eo fm a s t e r t h ee m b e d i n t e l l i g e n tm u l t i - - a x i sm o t i o nc o n t r o ls y s t e m m a s t e rc a n d i d a t e ：s uy o n g f e n g s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gg u i t a n g m a y2 0 1 0 f a c u l t yo fin f o r m a t i o ne n g i n e e r in g g 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 g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a 。5 1 0 0 0 6 摘要 摘要 多轴运动控制器已经成为开放式数控系统的核心构件之一，广泛应用于运动 伺服控制。电子轴传动技术是大型印刷成套设备的发展方向，多轴运动控制器是 电子轴传动系统的核心，直接决定了整个装备的关键技术性能。 在详细论述嵌入式运动控制器的现状和发展趋势，对比各种运动控制方案的 优劣的基础上，提出了一种基于f p g a 实现多轴运动控制方案。该方案控制器集运 动控制和伺服驱动于一体，既可以独立运行，又可以和上位机联合控制，具有可 重构性。 分析了电子轴串行和并行两种同步控制方式，采用基于电子轴并行控制方式 来设计多轴运动控制器。通过对永磁同步电机的模型分析，运用空间电压矢量控 制方法s v p w m 设计伺服驱动器。采用了前馈复合控制方法进行位置环控制，设计 了p i 参数模糊自整定方法，实现对伺服控制器中电流环和速度环p i 控制器参数的 自适应修正；采用m a t l a b 对多轴控制器进行仿真，结果表明该控制方式可行，效 果良好。 选用x i l i n xf p g a 作为硬件平台，进行位置、速度环设计。应用f p g a 的s y s t e m g e n e r a t o r ( s o ) 、v e r i l o gh d l 硬件描述语言进行设计。开发了适合电子轴控制的 多轴运动控制器，并对其在印刷包装机械电子轴控制中的应用进行了测试分析， 结果表明该运动控制器性能良好。 关键词：印刷包装机械、三环控制、伺服控制、嵌入式、f p g a 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u s i m p r o v e m e n t a n dd e v e l o p m e n to fm o t i o nc o n t r o l t e c h n o l o g y s ，m o t i o nc o n t r o l l e r , b e i n gw i d e l yu s e di nv a r i o u si n d u s t r i e s ，h a sb e c o m e o n eo ft h ec o r ec o m p o n e n to ft h eo p e nc o m p u t e r i z e dn u m e r i c a lc o n t r o l ( c n c ) s y s t e m f i r s tt h i sp a p e rd e t a i l st h es t a t u sa n dt r e n d so fm o t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y ， c o m p a r e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fav a r i e t yo fm o t i o nc o n t r o lp r o g r a m s ，p r o p o s e sa b a s e do nf p g a ，m o t i o nc o n t r ola n ds e r v od r i v es e ti no n eo ft h ee m b e d d e dm u l t i a x i s m o t i o nc o n t r o lp r o g r a m sb a s e do nt h ec u r r e n tl a c ko fi m p l e m e n t a t i o n ，a n dt h i s p r o g r a m s ，r e c o n f i g u r a b l ye m b e d d e dw i t hi n t e l l i g e n tm u l t i - a x i sm o t i o nc o n t r o l l e ra n d a p p l i e dt oe - a x i sd r i v ec o n t r o ls y s t e mo f t h ep r i n t i n gp r e s s ，c a nr u ni n d e p e n d e n t l y ，a l s o c a na c h i e v ej o i n tc o n t r o lw i t hp c t h e n ，t h i sp a p e re l a b o r a t e so nt h ev e c t o rc o n t r o lo fp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r a n dm o t i o nc o n t r o l l e rm o d e ls t u d y t h r o u g ha n a l y s i so fp e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rm o d e l ，t h eu s eo fs p a c ev e c t o rc o n t r o ls e r v od r i v e d e s i g n e ds v p w m c o m b i n e dw i t hf e e d f o r w a r dc o n t r o lt h ec o m p l e t i o no f t h ep o s i t i o n l o o pc o n t r o l ，u s i n gf u z z ys e l f - t u n i n gp is e r v oc o n t r o l l e rt oa c h i e v et h ec u r r e n tl o o p a n ds p e e dl o o pp ic o n t r o l l e rp a r a m e t e r so ft h ea d a p t i v ec o r r e c t i o n u s i n gm a t l a b s i m u l a t i o noft h ec o n t r ol l e rd e s i g ni d e a s i ta c h i e v et h ef u n c t i o n so f t h r e e r i n gc l o s e d - l o o pc o n t r o li nt h ef p g ab a s e do n t h i sd e s i g ni d e a s t h i sm o t i o nc o n t r o l l e r vh a v eb e t t e rc o n t r o le f f e c tf o ru s i n gx i l i n x f p g ah a r d w a r ec i r c u i tf o rp o s i t i o n ，v e l o c i t yl o o pd e s i g n s o p ct e c h n o l o g y ，n a m e l ys y s t e mo n - c h i pp r o g r a m m i n g ，p u tt h ew h o l es y s t e m i na p i e c eo fs i l i c o nb yu s i n gp r o g r a m m a b l el o g i ct e c h n o l o g y i ti st h ef l e x i b i l i t yi nt h e a p p l i c a t i o na n dt h ep r i c eh a sg r e a ta d v a n t a g e s ，c o m b i n e dw i t hi t sp o w e r f u lf e a t u r e s ，t o u s ei t ss c a l a b l e ，e x t e n s i b l e ，e a s yu p g r a d e ，e n a b l i n gam o r eo p e ns t r u c t u r ea n dh i g h e r p e r f o r m a n c ec o n t r o l l e r u a b s t r a c t f i n a l l yas u m m a r ya n do u t l o o ki sa tt h ee n do ft h i sp a p e r , a n dt h ea u t o rm a k e s o m es u g g e s t i o n sf o rf u r t h e rw o r k k e y w o r d s ：p a c k a g ep r i n t i n gm a c h i n e r y ；t h r e e - l o o pc o n t r o l ；s e r v oc o n t r o l ；e m b e d d e d ； f p g a i 一 一- - 一 目录 目录 摘要”i a b s t r a c t - - i i 目录v c o n t e n t s ”v i i i 第一章绪论1 1 1 引言l 1 2 电子轴传动印刷设备发展现状”2 1 2 1 电子轴传动概念2 1 2 2 电子轴传动印刷现状3 1 3 运动控制器的发展现状和趋势4 1 3 1 运动控制器的分类4 1 3 2 运动控制器的发展现状及趋势6 1 4 课题研究意义7 1 5 本文研究主要内容及章节安排7 第二章电子轴同步控制技术9 2 1 电子轴同步控制策略9 2 2 电子轴控制方式l l 2 2 1 串行控制方式1 2 2 2 2 并行控制方式“1 2 2 3 本论文的方案1 3 第三章永磁交流电机矢量控制原理1 5 3 1 永磁同步电机的数学模式l5 3 1 1 永磁同步电机的特点1 5 3 1 2 永磁同步电机的数学模型1 5 3 1 3p m s m 的电压等效电路1 8 v 学硕士学位论文 “1 9 ”19 ”2 1 2 2 ”2 3 “2 5 ”2 5 ”2 6 ”2 6 2 8 4 3m a t l a b 仿真研究分析3 0 4 3 1 速度环的仿真3 1 4 3 2 位置环的仿真3 2 4 3 3m 测速法仿真3 3 第五章f p g a 闭环控制的实现3 6 5 1 基于f p g a 设计方法和特点”3 6 5 2f p g a 实现闭环控制3 8 5 2 1 模块控制流方法3 8 5 2 2 速度测量模块3 9 5 2 3 电流检测与电流闭环控制“4 0 5 2 4 位置速度双闭环控制”4 2 第六章嵌入式多轴控制器测试分析及应用“4 3 6 1 嵌入式智能多轴控制器平台搭建4 3 6 2 测试分析及应用4 5 6 2 1 测试与分析- 4 5 6 2 2 多轴控制器电子轴应用4 7 总结展望4 9 参考文献5 0 v 1 目 录 攻读学位期间发表论文及科研成果5 3 独创性声明5 4 致谢5 5 v 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t co n t e n t s c o n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1i n t r o d u c t i o n l 1 2t h ed e v e l o p m e n to f e a x i sd r i v eo f p r i n t i n ge q u i p m e n t 2 1 2 1t h ec o n c e p to fe a x i sd r i v e 2 1 2 2t h ea c t u a l f f yo f e - a x i sd r i v eo f p r i n t i n g 3 1 3t h ed e v e l o p m e n t sa n dt r e n d so f m o t i o nc o n t r o l l e r 4 1 3 1t h ec l a s s i f i c a t i o no f m o t i o nc o n t r o l l e r 4 1 3 2t h ed e v e l o p m e n t sa n dt r e n d so f m o t i o nc o n t r o l l e r 6 1 4s i g n i f i c a n c eo fi s s u e s 7 c h a p t e r 2e - a x i ss y n c h r o n o u sc o n t r o lt e c h n o l o g y9 2 1e - a x i ss y n c h r o n o u sc o n t r o ls t r a t e g y 9 2 2t l 伦m e t h o do fe a x i sc o n t r o l ”l l 2 2 1s e r i a lc o n t r o lm o d e l2 2 2 2p a r a l l e lc o n t r o lm o d e 1 2 2 3t h ep r o g r a mo f t h i st h e s i s - 1 3 c h a p t e r 3t h ep r i n c i p l eo fp e r m a n e n tm a g n e ta cm o t o rc o n t r o l 3 1t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h ep m s m 一l5 3 1 1t l l ef e a t u r eo ft h ep m s m l5 3 1 2t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ep m s m 15 3 1 3t h ev o l t a g ee q u i v a l e n tc i r c u i to fp m s m 18 3 2t h es p a c ev e c t o rc o n t r o lo f t h ep m s m 一1 9 3 2 1t h ep r i n c i p l eo f t h ev o l t a g es p a c ev e c t o rc o n t r o l 19 3 2 2s p a c ec o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n 2 1 v h i c o n t e n t s 3 2 3t h ev e c t o rc o n t r o lo fp m s m ”2 2 3 2 4t h eb l o c kd i a g r a mo f t h ev e c t o rc o n t r o lo fp m s m 2 3 c h a p t e r4t h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no ft h es e r v o - i o o pc o n t r o l 2 5 4 1 i h ei n t r o d u c t i o no f m a t l a b s i m u l i n k 2 5 4 2t h em o d e l i n go f t h es e r v o - l o o pc o n t r o l 2 6 4 2 1d e s i g n i n gt h em o d e lo f t h es e r v o - l o o pc o n t r o l 2 6 4 2 2t h es u b m o d u l eo fs e l v oc o n t r o 2 8 4 3t h ea n a l y s i so fm a t l a bs i m u l a t i o n 3 0 4 3 1t h ev e l o c i t y 31 4 3 2t l l ep o s i t i o na c c u r a c y 3 2 4 3 3t h es i m u l a t i o no fm v e l o c i m e t r ya p p l i c a t i o n 3 3 c h a p t e r 5t h er e a l i z a t i o no ff p g a c l o s e d - l o o pc o n t r o l 3 6 5 1m e t h o d sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fb a s e do nf p g a d e s i g n 3 6 5 2r e a l i z a t i o no f c l o s e d - l o o pc o n t r o lb yf p g a 3 8 5 2 1m o d u l ec o n t r o lf l o w 3 8 5 2 2d y n a m i cd e t e c t i o no fd i s p l a c e m e n tr a t e 3 9 5 2 3c o n t r o lo f c u r r e n tl o o pd e t e c t i o n 4 0 5 2 4d i s p l a c e m e n tr a t eo ft h ed o u b l e l o o pc o n t r o l 4 2 c h a p t e r6a n a l y s i sa n da p p l i c a t i o no ft h ee m b e d d e dm u l t i - a x i sc o n t r o l l e r 4 3 6 1t h ep l a t f o r mb u i l d i n go f t h ee m b e d d e dm u l t i a x i sc o n t r o l l e r 4 3 6 2t e s t i n ga n a l y s i sa n da p p l i c a t i o n 4 5 6 2 1t e s t i n ga n da n a l y s i s 4 5 6 2 2t h ea p p l i c a t i o no fm u l t i - a x i sc o n t r o l l e ri ne - a x i s 4 7 c o n c l u t i o n r e f e r e n c e p u b l i s h e dp a p e r ss t u d y i n ga n dr e s e a r c ha w a r d s a n n o u n c eo fo r i g i n a lc r e a t i o n a c k n o w l e d g e m e n t i x 4 9 5 0 5 3 5 4 5 5 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着运动伺服控制技术的发展，多轴运动控制器已经成为开放式数控系统的 核心构件之一，广泛应用于各个行业之中，其中一个典型例子就是多轴控制器在 印刷机械中的应用一电子轴( 无轴) 传动技术。传统的印刷机，主传动轴由一个 主电机带动，通过机械传动部件传递到各印刷机组，各印刷机组的同步运转，通 过机械传动实现。 无轴传动印刷机，就是各机组之间，分别采用伺服电机单独驱动，甚至每个 滚筒或辊子的动力都是相互独立的，通过伺服驱动技术实现同步运转，省去了传 递运动和动力的机械长轴。伺服驱动技术在机器设备的性能改善中起到了至关重 要的作用，精准的驱动效果和智能化的运动控制通过伺服产品可以完美地实现机 器的高效自动化，因而在数控机床、机器人等诸多机械领域得到了广泛应用。自 从1 9 9 2 年德国博世力士乐公司首次将伺服驱动技术引进印刷领域后，这项技术已 经得到了业界的广泛关注和认同，并逐渐得到推广应用。在卷筒纸胶印机、凹版 印刷机、柔性版印刷机、标签印刷机、包装机械以及印后加工机械中，都出现了 不少无轴传动控制的产品。 目前，为印刷机械相关企业提供数控系统的公司主要有德国的西门子公司、 博士力士乐公司和伦茨公司、日本安川公司等。我国有十多家数控制造公司，如 北京航天数控、北京k n d 公司、沈阳蓝天数控、华中数控、上海开通数控、南京清 华通用、新方达数控、成都托普和广泰数控、深圳众为兴数控、广州数控等【， 不过主要为机床厂提供数控系统，为印刷机械提供配套设备的国内数控厂家还比 较少，国内首台电子轴传动凹印机，在2 0 0 3 年7 月由中山松德研制成功。此外，宁 波欣达等几家颇有实力的机械设备商也致力于电子轴传动技术的研究开发和不断 探索，并取得可喜成绩【2 叫。 将数控系统引人印刷机械将带来以下优势【4 5 】： 1 结构可简化。印刷机械由机器轴连接整机驱动的方式，改为分别由伺服电 机单独驱动的方式，设备的结构大大简化，同时还可以取消了传动过程中的大量 结构零件，使设备成本大幅度下降。 广东工业大学硕士学位论文 2 缩短设备生产周期。取消了长轴，使各机组相对独立，自成体系，各机组 的联系通过虚拟电子轴控制，这就给大批量的流水线装配带来方便条件，缩短设 备生产周期。 3 各机组相对独立，自成体系。用户根据个性需要选购设备成为可能。印刷 机械企业可以根据用户的需要，把按整机制订生产计划的传统生产组织方式，改 为按机组下达计划，按机组生产零件。使产品的标准化、通用性水平提高。 4 除传动采用数控系统以外，印刷机械的其他功能也可以由数控系统来实现。 如纸张张力、印刷套准、多种印刷方式组合变换、裁切、模切、电子凸轮、离合 压、水墨平衡等。 5 采用数控系统还可以使使印刷过程实现完全的柔性化。用户完全可以根据 需求随意开动机组、停止作业等。不需要机械离合器，不需要更换凸轮，还可以 根据需要开正反车，几个机组并行上版，设定上版时间等。 因此借助现代智能运动控制技术、伺服技术实现对电子轴印刷机成套设备控 制系统进行技术改造，研发伺服控制高精度印刷成套设备数控系统，具有重大意 义。 1 2e p , 昂l j 设备电子轴传动发展现状 1 2 1 电子轴传动概念 无轴传动技术，又被称为电子轴传动，是指在机器传动中，没有主电动机及 传动主轴的构件，而是采用多个电动机分别向各主要机组传递动力，各电机之间 由先进的控制系统进行跟踪和平衡的传动方式，是相对于机械长轴传动而言的。 无轴传动具有传动精确、结构简化、各机组互不干扰、废品率降低、减少了机器 调整时间，维修、操作方便、以及远程调整和控制软件升级方便等优点。 电子轴传动技术是凹印设备领域在近年来最引人注目的技术进展之。与传 统机械长轴不同，电子轴传动采用独立驱动伺服电机作为驱动部件，采用编码器 和相位控制技术，通过电子信号的传送达到整台设备的同步。传统的机械传动的 方式需要复杂的传动及变速齿轮，机器的生产成本比较高，而采用电子轴传动技 术可大大减少色组间走纸的路径，从而可有效地减少试机、起动、调试等的材料 浪费，同时提高质量稳定性和套印精度。 2 第一章绪论 1 2 2 印刷设备电子轴传动现状 德国博士力士乐公司制出了世界第一套无轴传动系统s y n a x 2 0 0 n ，这是国际印 刷行业中最为广泛应用的运动控制系统，它提供了整体的自动化控制系统解决方 案。它采用用数字化的智能伺服驱动器和交流伺服电机取代了机械长轴、机械齿 轮箱、万向联轴结和凸轮等机械装置，实现了无轴传动、电子齿轮和电子凸轮等 功能。数字智能驱动器利用总线与控制器进行数据交换，实现高精度实时同步控 制，保证了各印刷单元的严格同步。其系统软件s y n t o p 作为命令和诊断工具，方 便用户直接设定系统工作参数，不需软件编程，只需参数化输入，这就缩短系统 设置时间。s y n t o p 可以显示当前工作驱动器的状态，监控诊断各个驱动器的力矩、 速度和位置等信息。 力士乐s y n a x2 0 0 是印刷行业模块化机械应用中可自由升级的驱动和控制 解决方案从报纸印刷到印刷文档的进一步处理。在这些应用中s y n a x2 0 0 使用 精确同步的独立电子驱动取代机械驱动元件。这一系统提供了高动态伺服电机， 标准控制平台和大量运动逻辑功能以便保证您最自由的个性化应用。s y n a x2 0 0 将便捷的运动控制器和灵活的p l c 逻辑集成于同一平台方便且通用。优化的运 动控制功能，例如电子齿轮、凸轮、张力和提示控制器保证了这一系统的异常高 效。 力士乐s y n a x2 0 0 电子轴方案特点为： ( 1 ) 集成运动控制和运动逻辑，符合i e c6 1 1 3 1 1 标准的可自由编程的p l c ， 各种规格的高动态伺服电机； ( 2 ) 参数可简单配置的软件模块，通过可选模块实现用户对控制和驱动的个性 化配置； ( 3 ) 使用标准接口开放的通讯应用；可自由转换的操作模式，方便舒适的操作 和显示。 随着包装印刷设备正在向综合应用多学科多技术实现多色高效高速高精度方 向发展，印刷设备正在综合应用自动化伺服控制技术、智能控制技术、电子凸轮 无轴传动技术和网络化技术等先进技术，实现数字化集成化高速化，呈现传动技 术从机械轴( 有轴) 向电子轴( 无轴) 的发展趋势。 广东工业大学硕士学位论文 目前，西门子、贝加莱、包米乐和瑞诺等公司都开发出了无轴传动系统，与 s y n a x 2 0 0 相比，他们的产品采用了不同的硬件设备，集成了相似或不同的辅助功 能。国内的主要有中山松德、宁波欣达等企业在做这方面的工作。 1 3 运动控制器的发展现状和趋势 1 3 1 运动控制器的分类 随着运动控制技术的发展，运动控制器越来越偏向开放式设计。美国在八十 年代提出n g c ( n e x tg e n e r a t i o nc o n t r o l l e r ) 计划，该计划首先提出了开放式体系结 构控制器( o p e na r c b i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) 的概念。欧洲的法国、意大利、德国 等国于1 9 9 5 年联合启动的o s a c a 计划和日本等1 4 家企业联合提出的o s e c 计划 等，使运动控制技术在国外得到飞速发展并使这些国家的企业走向联合垄断道路。 2 0 0 0 年，国内的华中数控等单位提出了开放式数控系统( o n c ) 技术规范，制定了 o n c 系统技术标准，开发了符合该技术规范的开放式数控系统验证样机，该系统 具有一定的模块化、智能化和开放性等特征。 根据数控系统结构的不同( p c 嵌入n c 型、n c 嵌入p c 、基于p c 的全软件型) 和数控系统的发展历程，p c 型的运动控制器也有可分为三类【7 】： ( 1 ) p c 标准总线的运动控制器 对于数控系统结构为n c 嵌入p c 型，运动控制器主要采用i s a 、p c i 等总线接口 与p c 机通讯这类控制器大多数都采用d s p 或者单片机等微处理器来进行插补运算 和控制。此类控制器可完成运动规划、高速实时插补、滤波和伺服驱动、外部i o 之间的标准通用接口功能，并提供开放的函数库，用户根据不同的需求在d o s 或 w i n d o w s 等操作系统平台下自行开发应用软件，组成各种伺服控制系统 ( 2 ) 全软型开放式运动控制器 对于数控系统为基于p c 的全软件型，此类控制器的许多功能都转移到p c 中， 采用软件实现，仅留下和伺服系统相连接控制的简化的硬件部分。运动控制功能 全部由计算机中的软件来实现，它提供给用户最大的灵活性，用户可以在w i n d o w s 平台和其他操作系统的支持下，利用开放的运动控制软件内核，丌发所需的控制 功能，构成各种类型的高性能运动控制系统。 ( 3 ) 嵌入p c 的运动控制器 4 的 理 还 行，可以提供如e t h e r n e t 、c a n - b u s 、s e r c o s 、p r o f i b u s 等现场总线通讯接口， 实现控制器与伺服驱动或者控制器与上级计算机的通讯。 现在数控系统大多数都是开放式数控系统( o p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ， o n c 系统) ，其实现方式有三种实现途径，“p c 机+ 数控专用模板 、“i p c ( 工业控 制机) + 可编程运动控制器 以及“纯p c 机型 。所以，市场上主流的控制器是基 于计算机i s a 或p c i 总线的运动控制器。 美国d e l t a t a u 公司生产制造的p m a c 卡( p r o g r a mm u l t i p l ea x i s e sc o n t r o l l e r ) 多轴运动控制卡，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。 随着中国汽车，机械，电子，军工等产业的飞速发展，p m a c 多轴运动控制卡大量 用于中国的制造业和自动化产业。涉及机器人、数控机床、坐标测量机、激光加 工、雕刻机、旋转刀以及高速印刷、包装、贴标机等各类自动化设备，属于p c 标 准总线的运动控制器，有p c i 、v n e 、p c i 0 4 等总线。 美国g a l i l 公司新近开发了第五代高速系列d m c - 1 8 x 6p c i 总线运动控制器， 该控制器采用3 2 位r i s c 结构高速d s p 作为中央处理器，实现1 8 个坐标轴的 p t p 定位、位置跟踪、j o g 、直线圆弧插补、螺旋线插补、切线跟踪、多主多从 电子齿轮同步控制、龙门同步控制、电子凸轮、轮廓控制、示教录返、椭圆缩放、 拐角过渡、无限线段进给、倍率控制及多任务同时执行等功能；用户可以很方便 地进行参数配置以便与伺服电机或步进电机驱动器接口。控制器具有正反向限 位、原点返回功能，同时还有8 路模拟输入通道，带光隔的i o 及第二编码器反 馈接口。 英国t r i o 公司的生产的多轴数字运动控制器p c i 2 0 8 控制卡，采用3 2 - b i t 浮 点运算的专用的微处理技术的d s p 芯片t m s 3 2 0 x x 系列，溶合了最新的控制理论及 其网络控制技术。最多可以控制2 4 个轴，全部的产品既可以脉冲输出、模拟输出， 可以控制交、直流伺服电机、步进电机，还可以控制变频器，气动液压伺服缸等， 而且还带有可编程控制的输入输出和模拟输入口，可以根据设备的需要进行选 配。采用专用的t r i o b a s i cp r o g r a m m i n g ( 类似于b a s i c 语言) 运动控制编程， 提供a c t i v e x 软件可支持用户采用v b 、v c 、c c + + 等高级语言针对设备的需要 进行二次开发；另外，还提供c a d 转化运动程序文件，可以根据用户所要加工的 工件的图纸( 二维) 水d x f 转化成t r i o 控制器的运动控制程序。 广东工业大学硕士学位论文 以上都是基于p c 总线的控制器，s o f t 型开放式运动控制器的典型产品有美国 m d s i 公司的o p e n c n c 、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 s o f t s e r v o 公司的基于网络的运动控制器，国内的固高科技( 深圳) 有限公司的g o 系列运动控制器产品等。 嵌入式的运动控制器有美国a d e p t 公司的s m a r tc o n t r o l l e r ，固高科技( 深圳) 公司的g u 、g u c 运动控制平台系列产品等。 1 3 2 运动控制器的发展现状及趋势 从运动控制在我国的应用和发展来看，国内运动控制器生产厂商提供的产品 大概有以下三类【1 0 l ： ( 1 ) 以单片机或微处理器作为核心处理器，这类运动控制器速度较慢，精度不 高，成本相对也较低。 ( 2 ) 以a r m 和专用芯片作为核心处理器的运动控制。如m c x 3 1 4 a s 、i r m c k 2 0 1 等专用运动控制芯片。具有结构简单，能输出多路高速脉冲信号，能工作于开环 或闭环控制方式，控制精度和速度都比较高，但功能相对单一，而且不便于灵活 设定。 ( 3 ) 以d s p 和f p g a 为核心处理器，这类运动控制结构具有开放式的特点，可 以灵活的配置、有很好的运动轨迹规划。采用f p g a 来硬件设计，方便运动控制器 供应商客户的特殊工艺要求具有可灵活配置、可重构的优点，本论文就采用此类 方案。 随着控制器的发展趋势，倾向于应该具有如下的功能特征： ( 1 ) 硬件独立于特定的供应商 ( 2 ) 模块化的拓扑结构和标准化的接口 ( 3 ) 系统能够直接运行第三方应用软件 开放式、网络化数控系统是实现高水平数字化装备的保证。其核心是开放式， 即系统各模块与运行平台的无关性、系统中各模块之间的互操作性和人机界面及 通信接口的统一性。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性， 并向智能化、网络化方向发展。 总体上来说，我国在控制器产品开发方面还相对落后。除了固高科技( 深圳) 6 第一章绪论 有限公司、深圳摩信科技有限公司、深圳泰科智能伺服技术有限公司、南京顺康、 长沙力鼎研发一些运动控制器外，国内从事运动控制的公司大多数是在代理国外 公司的产品，同时已开发产品的控制水平亦有待提高，高端的运动控制器很少。 1 4 课题研究意义 本课题在课题组产学研项目“包装机械嵌入式数控系统设计 的基础上，结 合无轴控制对其进行研究开发。印刷机无轴传动技术是印刷设备的发展方向，多 轴运动控制器是无轴传动系统的核心，控制器的性能直接决定了系统的总体性能， 因此选定“嵌入式智能多轴运动控制”为研究对象，研究设计适合于印刷机械无轴 传动的多轴运动控制器，对于提高国产无轴传动印刷设备的技术水平和竞争力， 具有重大意义和实用价值。 1 5 本文研究主要内容及章节安排 本论文的研究目标在于研究独立、开放式、适合于电子轴传动的嵌入式智能 多轴运动控制器。随着嵌入式技术在数控领域进一步应用研究，本课题通过一个 基于s o p c 技术的多轴运动控制软硬件平台，采用以f p g a 为核心的硬件体系架构， 实现智能多轴运动控制器的结构功能。 本课题主要研究以下几个内容： ( 1 ) 通过比较各种运动器的构成方案，提出基于f p g a 的s o p c 技术实现低成本 的多轴联动器可重构的智能多轴运动控制器。 ( 2 ) 分析和建立p m s m 的数学模型，并在深入分析p m s m 矢量控制的基本原理、 s v p i d d 技术及其具体的实现方法的基础上，确定嵌入式多轴控制方案，从而为系 统的设计提供理论基础。 ( 3 ) 仿真分析和实验调试。在m a t l a b 中对控制算法进行仿真，验证系统设计的 正确性和有效性。 ( 4 ) 设计出基于f p g a 实现闭环控制的方法，研究基于f p g a 多轴运动控制应用 7 广东工业大学硕士学位论文 于电子轴印刷设备中。 论文结构安排内容，包括以下几个部分： 第二章电子轴同步控制关键技术。介绍了电子轴同步控制的控制策略；分析 了电子轴的控制方式，对比各自的特点；介绍了施耐德和博世力士乐公司电子轴 印刷机方案，最后提出了本文的控制方案。 第三章永磁交流同步电机矢量控制原理。介绍了永磁同步电机的特点，重点 阐述了三相永