（机械电子工程专业论文）四轴伺服运动控制卡的研制.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 源于制造业对数控机床的柔性和通用性的要求，得益于计算机技术的飞速发 展，各种不同层次的开放式数控系统应运而生，发展很快，目前正朝标准化开放体 系结构的方向前进，特别是基于个人计算机( p cb a s e d ) 的数控方式成为近来研究的 热点。其主要方式为采用运动控制卡对电机进行实时控制，主机完成人机交互等工 作。因此，运动控制卡的性能如何直接决定了整个系统的性能。比较起来单片机系 统价格低，相应的速度也低；采用d s p 的运动控制卡虽然性能较好但价格昂贵，一 般用户很难承受。 本人在攻读硕士期间，采用台湾华邦公司的高性能单片机w 7 7 e 5 8 为主控制器 和a l t e r a 公司的c p l d 设计完成i s a 总线的运动控制卡，使系统的数据处理和 插补速度和精度优于一般采用单片机的运动控制卡，同时避免了采用d s p 所带来的 高成本。运动控制卡不仅完成实时要求较高的插补功能，同时具有i o 输入输出以 及p w m 波的输出功能；在设计中采用了双端口r a m 完成主机与运动控制卡的通 讯，并根据有限状态机的原理利用c p l d 设计完成d d a 硬插补，提高了输出脉冲 的精度和速度；分别设计完成了运动控制卡m c u 的插补控制软件和p c 机d o s 系 统下的驱动开发库。 关键字：运动控制插补c p l d 数控 四轴伺服运动控制卡的研制 a b s t r a c t t h i st h e s i sd e s c r i b e dt h er e s e a r c ha n dd e s i g no fam o t i o nc o n t r o lc a r d w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c t m o l o g y 、t om e e t t h er e q u i r m e n to f f l e x i b i l i t y a n dt h ea b i l i t yo fr e c o n f i g r a t i o nf r o mm a c h i n ei n d u s r y , m a n yd i f f e r e n tk i n d so fo p e n c n c s y s t e mh a v eb e e nd e v e l o p e d e s p e c i a l l yt h ep c b a s e dc n c s y s t e mi st h ef o c u s o fa t t e n t i o n i tu t i l i z e st h em o t i o nc o n t r o lc a r dt 0a c h i e v et h er e a l t i m ec o n t r o lo fm o t o r s ； m e a n w h i l et h ep ct a k e sc h a r g eo fm a i l m a c h i n ec o n v e r s a t i o n c o m p a r i l y , t h es y s t e m s i m p l e m e n t e dw i t ht h em i c r o c h i ph a v el o wp f c e s 淅t l ll o w a b i l f f i e s ，o nt h eo t h e rh a n d ， t h es y s t e m sw i t hd s pw i t hh i g ha b i l i t i e si ss oe x p e n s i v et h a tm o s tf a c t o r i e sc a l ln o t a f r o r di t t h e d e s i g n d e s c r i b e di nt h i st h e s i sc o v e r st h ee l e c t r i c a ld e s i g no ft h ew h o l ec a r da n d t h el o g i cd e s i g no ft h ec p l d p r o d u c e db y a l t e r a c o m p a n y t h ed i g i t a lp r o c e s ss p e e d i n t e r p o l a t i o ns p e e d i n t e r p o l a t i o na c c u r a c y a r e h i g h e rt h a nt h en cs y s t e mb a s e do n m i c r o c h i p t h ed e s i g n a v o i d st h eh i g nc o s tt h a tt h ed s p s y s t e mh a s k e y w o r d s ：m o t i o nc o n t r o l i n t e r p o l a t i o n c p l dc n c i i 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 制造业的发展以及中小批量生产的趋势日益增强对数控机床的柔性和通用性提 出了更高的要求，希望市场能够提供适应不同加工需求且可以迅速高效、低成本构 筑的控制系统，并大幅度地降低维护和培训的成本；同时，高速、高精度的运动轨迹 控制已经成为机电系统中必不可少的指标，这就为运动控制器提出了更高的要求。所 谓运动控制器，就是利用高性能微处理器( 如单片机，d s p ) 及大规模可编程器件实 现多个伺服电机的多轴协调控制，具体就是将实现运动控制的底层软件和硬件集成在 一起，使其具有伺服电机控制所需的各种速度、位置控制功能。这些功能可以通过计 算机方便地调用。 计算机技术的飞速发展使得各种不同层次的开放式数控系统应运而生，发展很 快。目前正朝标准化开放体系结构的方向前进。特别是基于计算机( p cb a s e d ) 的数控 方式，由于其开发配置灵活，软件功能丰富，并具有良好的通讯功能，受到了用户的 欢迎，成为近来研究的热点。它采用了“p c + 运动控制器+ 伺服电机”的开放式结构， 代表了机电产品的发展方向。在这种结构中，计算机( p c ) 的主要功能是根据具体 装置的运动控制类型，优化指令形式，属于上层控制，其软件是通用的：而伺服电机 是主要的执行部件，具体完成运动控制。运动控制卡就是根据上层计算机给出的指令， 结合具体的伺服系统类型，将其指令转化为伺服电机的运动，所以运动控制卡是计算 机与伺服电机的连接桥梁。 1 2 国内外发展现状 目前，开放式数控系统的研究得到了世界各主要工业国家的重视和支持，国外影 响较大的研究计划有美国的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 e c o n t r o l l e r ) 和0 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，欧洲的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 l h i na u t o m a t i o n s y s t e m ，自动化系统中控制器 的开放式体系结构) 计划【7 】，以及日本的o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e m f o r c o n t r o l l e r ) 计划。各国都取得了相当显著的研究成果，并提出了一些构建开放式数控 系统的模式和方法，这些模式方法总起来说都采用了闭环控制，具有高速、高精度、 高可靠性和高安全性的特点，同时在控制系统的软硬件上具有良好的开放性【4 】f 。 现代开放式的数控系统基本上由基于p c 的运动控制器、i 0 接口以及驱动器、 伺服电机或步进电机等软硬件组成，并配有编码器、激光干涉仪或视觉识别器等传感 四轴伺服运动控制卡的研制 装置构成系统反馈回路。在硬件结构中提供必要的总线接口和通信接口，同时针对实 时性的要求，增强了浮点计算功能，提高了数据处理功能和网络通讯功能，从而具有 了高集成度、高可靠性的特点。 在软件上，开放式的数控系统提供了运动控制的开发平台，即基本的开发环境和 基本的软硬件操作系统，如方便简易的编程环境、简易快捷的操作方式、底层的开发 空间和方式、基本的运动函数库等；更先进的系统上还提供方便快捷的编译器、程序 下载器，并具备对各种接口管理等的基本内部操作系统，发生误操作时或者硬件各单 元和外部输入输出信号异常时的基本安全操作系统等。软硬件工程师在现场工程人员 的需求指引下，能够快速有效的在平台上通过二次开发完成对各种机器设备的控制和 操作任务，并由此逐步形成用户应用端的纵深产品【。】【2 】。 基于以上思想，比较有代表性的是1 9 9 4 年w i l l i a md a l l e n 等人所设计的钻石加 工系统，其中采用d s p 设计独立的运动控制器，通过h 2 a r t 总线与p c 进行数据通 讯【9 】。1 9 9 8 年美国y u s u f a l t i n t a s 等人采用两块以d s p 为核心的运动控制卡构建了基 于p c 总线的开放式数控系统，并设计了开放的实时的c n c 操作系统软件和智能加 工模块筘j 。y u - y u a nc h a n g ，p a u - l o h s u 等在高性能运动控制卡的基础上对曲线插补方法 做了优化【8 】。还有美国的d e l t at a u 公司提供了单台的解决方案和系统，插补运算、 伺服控制以及p l c 功能全部由一块运动控制卡实现，利用p c 完成人机交互和c a d 等操作，此种方式在单台机床和机器人的控制中得到了广泛应用。 在美国，开放式运动控制器被誉为新一代的工业控制器。运动控制器产品的应用 遍布从数控机床、大规模集成电路焊接设备、磁盘驱动、包装机械、纺织机械到木材 加工设备等多个领域。现如今美国有超过2 0 0 多家公司从事运动控制器软硬件产品的 制造，运动控制器产品的年销售额已超过2 0 亿美元，占有世界运动控制器市场份额 8 0 以上。最著名的运动控制器制造商有d e l t a t a u ，g a l i l ，d m c ，a e r o t e c h ，t e c h 8 0 等。美国还专门成立了美国运动控制器工程师协会( a i m e ) ，由此也不难看出运动控 制器技术的重要性。 在日本，开放式运动控制器被认为是将来的第三次工业革命，并预测其应用的普 遍性将与目前广泛应用的p l c 类似，代表性的厂商为m a z a k 公司和n o v a 公司。 我国每年从美国进口的运动控制产品的费用约6 0 0 0 万元。这些产品大多数是和 数控机床配套。另外，许多机床、机电一体化产品等的数控改造以及新型非标准机电 产品的开发也需要运动控制器。因此运动控制器产品在我国具有良好的应用前景。但 是，与国外相比。我国对开放式数控系统的研究起步晚，从事运动控制技术的机电产 品的研究开发的单位为数不多，虽然也取得了一定的成果，但是企业中的应用还不是 很广泛，主要是一些研究单位为实现特殊的需要和从开发的难度、成本的高低等方面 考虑，采用p c 机+ 运动控制卡的方式，构建适合于需要的运动控制系统。国内部分 数控系统厂商采用此种方式将数控系统移植到p c 机，如北京机床研究所的中华系列， 南京航空航天大学硕士学位论文 沈阳计算所的“蓝天”系列，华中科技大学的“华中”系列、“航天”系列等。而企 业界的应用则大部分选用了国外的运动控制卡，如d e l t a t a u 公司的p m a c 系列等， 构建自己的数控系统，较为典型的是雕刻机。 1 3运动控制卡的分类 基于p c 总线的开放式数控系统的主要方式为采用以单片机或d s p 数字信号处理 器为核心的运动控制卡，通过双端口存储器技术或串并行通讯方式与主机p c 机交换 信息和数据，从机主要控制进给轴的协调运动和位移检测，主机负责人机界面和数据 处理，系统的p l c 功能既可直接安排在运动控制卡上或者利用通用i o 卡。因此运 动控制卡的性能如何直接决定了系统的性能。 当今运动控制卡的种类很多，大体可分为三类。 1基于专用运动控制芯片的运动伺服控制卡 这类控制卡以运动控制芯片为核心构成运动伺服系统。此类芯片有日本n o v a 公 司产的m c x 系列，美国t i 公司生产的l m 6 2 9 等。其插补的算法与速度控制一般集 成于芯片内且可以同时控制多轴。芯片控制方便，对开发者来讲，不需要考虑具体 的插补，只要正确引入位置速度反馈信号和输入正确的位置指令即可。其缺点是受限 于芯片的功能，开发者无法引入复杂的控制和插补算法，而且运动芯片的价格很高， 此类控制卡应用面较窄，多用于直线运动和圆弧运动。 2s o f t 型运动伺服控制卡 此种控制卡c n c 软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和 外部i o 之间的标准化通用接口。用户可以在计算机平台上开发所需的各种功能，构 成各种类型的高性能数控系统。与前几种数控系统相比，s o f t 型开放式数控系统完 全开放，所有的控制方法和插补算法都由开发者实现。其典型产品有美国m d s i 公司 的o p e nc n c 、德国p o w e r a u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0 n t 等。 3基于在板微处理器的运动伺服控制卡 这类控制卡选用微处理器( 单片机或数字信号处理器d s p ) 为核心构成运动伺服 系统。利用微处理器的强大功能，系统可进行插补运算，位置控制，速度控制等；插 补的算法与速度控制可编程实现，增强了开发的灵活性，易于控制多轴联动可以实 现复杂的插补算法，同时也可以保证高实时性：具有很强的运动控制和p l c 控制能 力。因此它本身可看作为一个数控系统。它开放的函数库供用户在计算机平台下自行 开发构造所需的控制系统，因而这种开放结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化 控制各个领域。如美国d e l t at a u 公司用p m a c 多轴运动控制卡构造的p m a c n c 数 3 四轴伺服运动控制卡的研制 控系统、日本m a z a k 公司用三菱电机的m e l d a s m a g i c6 4 构造的m a z a t r o l 6 4 0 c n c 等。 现在我国市场上存在的运动控制卡种类很多，一类是引进产品，如美国p m a c ， 香港固高，台湾凌华等。这类卡上都采用微处理器或d s p ，其特点是功能比较完善， 但价格昂贵，对开发者的素质要求很高。国内有些公司也生产了多种类型的控制卡， 如成都步进机电公司、北京博实精密公司、哈尔滨工业大学机器人研究所等。但大多 数公司采用的是专用控制芯片，如博实精密公司与哈工大机器人研究所采用美国 p m d 公司专用运动控制芯片，而采用微处理器或d s p 的较少，在控制算法和灵活性 上有所欠缺，相比引进产品有一定的差距。 1 4 本课题研究的目的及主要内容 本文研究工作是江苏省自然科学基金重大( 招标) 项目中的一个重要研究内容。 在充分分析我国国产运动控制卡和数控机床的现状以及市场需求的基础上，本课题着 重于研制开发一种适用于机床的高性价比的运动控制卡。该卡采用台湾w i n b o n d 公司的高性能单片机w 7 7 e 5 8 为核心，辅以c p l d 进行设计，不仅提高了运动控制的 速度和精度，扩展了i o 口，同时避免使用过多的i c ，简化了电路，能较好的解决运 动控制性能和成本之间存在的矛盾。 本论文的各章节内容安排如下： 第一章绪论。介绍本课题的背景、意义。 第二章系统总统方案设计。介绍本运动控制卡设计的功能要求、 技术方案。 第三章运动控制原理及设计。讨论了运动控制系统的控制原理， 方法以及在本设计中的具体实现。 技术指标和总体的 包括插补的原理和 第四章系统硬件电路设计。分模块介绍了运动控制卡的硬件设计。 第五章可编程逻辑模块电路设计。重点讨论了利用c p l d 对精插补模块的设计，并 介绍了利用c p l d 完成运动控制卡与主机的通讯和其它辅助电路的方法。 第六章系统软件设计。分别介绍了运动控制卡上微处理器的程序设计和在计算机上 对本卡的使用方法。 第七章系统调试与问题分析。介绍了调试的过程，并对在调试过程中出现的问题进 行了分析，提出了解决方法。 第八章总结与展望。对本设计进行了总结，并提出了下一步工作的意见。 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 2 1系统的功能要求 本四轴运动控制卡是以i b mp c x t a t 或兼容机作为主机的应用控制卡，要求使 用简单，可完成四轴联动直线插补，任意两轴圆弧插补。并且具有p l c 功能，可实 现i o 口的输入输出。此控制卡将主机c p u 从繁重的计算中解放出来，使之可以处 理其它任务，同时也使运动控制免受主机软件问题的影响。 2 2运动控制卡的技术性能 为满足运动控制系统提出的功能要求，本四轴运动控制卡设计成为以i b m p c x t a t 或兼容机作为主机的i s a 总线应用控制卡，成本低、性能高、使用简单， 具有四轴联动直线插补和任意两轴圆弧插补的算法：并且具有p l c 功能，可实现i o 口的输入输出。其技术性能指标如下： l 控制功能 四路脉冲差分输出，可软件设置为正负脉冲方式或方向脉冲方式，输出频率可达 四路p w m 控制信号； 四路增量式光电编码器返回信号，计数频率达到4 m h z ； 1 0 m s 插补周期，梯形加减速； 2 输入输出接口 8 路光电隔离输入信号，可由用户定义使用： 8 路光电隔离输出信号，可由用户定义使用； 4 路位置极限输入信号，3 路报警输入信号，可直接停止脉冲输出 3 总线接口 标准的p c i s a 总线接口； 4 电源 + 5 v内部电源，由p c 机提供； + 1 2 v 外部电源，用于光电隔离i o 接口； 四轴伺服运动控制卡的研制 2 3 系统方案总体设计 为提高运动控制的精度和实时性，实现p c 机与运动控制卡组成的开放式数控系 统，在本设计中，把数控系统中实时性要求较高的运动控制和开关量i o 控制任务放 到所设计的运动控制卡上，控制四个进给轴，完成实时性要求较高的插补运算、位置 控制和开关量l g o 的控制任务，使主计算机从繁重的计算中解放出来，并能使脉冲的 输出具有较高的频率和连续性。主计算机则完成对运动指令的预处理，如位置指令、 脉宽调制波p w m 参数、输入输出数据管理等，并实时取得编码器返回的位置反馈。 系统结构划分如图l 。 主计算机 么 位置指令 p w m 参数 i 0 输入输出 位置返回 弋7 运动控制卡i 插补脉冲 么 、 编码返回 玉 i o 输入输出 p w m 输出 r i 电机lj i 0 i 图1 系统结构图 2 4运动控制卡的设计 2 4 1伺服系统简述 目前位置伺服系统分为模拟式位置伺服和数字式位置伺服，模拟式伺服单元一般 工作速度很快，系统的频率可以做得很宽，这使系统具有快速的动态响应性能和很宽 的调速范围。其缺点是难于实现复杂的控制方法，并且器件多，体积大，不易调试， 6 南京航空航天大学硕士学位论文 还存在着零点漂移等问题，在调节和控制上受到环境的影响较大，逐渐被数字式伺服 代替。数字式伺服单元的优点是用软件编程，易于实现复杂的算法，而且柔性好，有 时几种控制方法之间的改变只需改变软件即可实现，而不需做硬件上的改动；硬件电 路一般比较简单，可以设计得相当紧凑。数字式位置伺服系统主要由速度环反馈和位 置环反馈组成1 12 1 。其基本框图如图2 。 广一1 电动机位置检测 图2 开放式数控系统框刨 根据指令的输入方式以及比较的方式不同可分为脉冲序列输入和数据采样方式 的数字伺服系统。 脉冲序列输入控制的数字伺服系统与步进电动机补偿控制方式有些类似，其对速 度、加速度的控制如下：脉冲的个数对应于位移量的大小，脉冲的频率的高低相应于 电动机的速度的高低，脉冲频率的变化率相应于电动机的加速度变化。 数据采样式进给伺服系统的位置控制功能是由软件和硬件两部分共同实现的。在 每个插补周期中，软件负责进给增量和进给速度的计算，硬件完成位置检测及进给驱 动。其对进给增量和速度的控制命令都是微处理器执行插补周期定时中断程序计算得 出的，在采样周期定时中断程序中得到位置和速度反馈量。如在第i 步的位置伺服中 断中得到插补指令数据，也就是第i 步中坐标轴应当运动的位移增量；同时根据采样 得到的位置反馈，得到在第i 步中坐标轴的实际位移。 2 4 2 运动控制卡的设计 图2 中虚线框部分的功能由运动控制卡完成，即位置和速度的控制。位置检测通 过光电编码器或者旋转变压器检测电机转轴或丝杠的转动量，从而间接获得未知输出 量的等效反馈信号，构成了半闭环系统；也可以由光栅尺检测进给运动量，直接获得 实际进给运动量，构成全闭环系统。运动控制卡根据速度反馈和位置反馈将上位机的 位置指令进行处理，将处理的结果传给伺服电机驱动器驱动电机。在本运动控制卡的 设计中，采用的是数据采样式的方法，具体功能是将主计算机的位置指令通过粗插补 和精插补，形成插补指令以脉冲的形式控制电机，同时接收电机编码器的反馈脉冲； 7 四轴伺服运动控制卡的研制 根据主计算机的脉宽调制波参数，发出脉宽调制波并完成对i 0 输入输出的管理。 由上述分析可知，运动控制卡不仅要完成粗插补和精插补，还要同时完成对反馈 脉冲的计数以及i o 口管理等功能。其中粗插补和精插补的运算量较大，若要达到最 高4 m h z 的脉冲输出频率，仅仅采用单片机和d s p 是难于实现的。因此，为达到控 制的实时性和输出高速脉冲，对运动控制卡的设计采用了m