（机械制造及其自动化专业论文）基于pc104的嵌入式运动控制系统的研究.pdf

四川大学硕士学位论文 基于p c 1 0 4 的嵌入式运动控制系统的研究 基于p c 1 0 4 的嵌入式运动控制系统的研究 机械制造及其自动化专业 研究生何勇指导教师张春雷 制造业是一个国家工业的基础，而制造技术又是制造业的技术支柱，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。以传统机电工业为代 表的制造业，正经历着深刻的变革。在这场革命中，大力发展先进的制造技术 己成为各国最重要的几大技术战略之一，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。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制 的技术，是先进制造技术的基础，是发展新兴高新技术产业和尖端工业的最基 本的装备，是制造业现代化的重要基础，这个基础牢固与否将直接影响到国家 的经济发展和综合国力，关系到国家的战略地位。 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。对于数控系统来说，最重要 的是控制各个电机轴的运动，这是运动控制器接收并依照数控装置的指令来控 制各个电机轴运动从而实现数控加工的，数据加工中的定位控制精度、速度调 节的性能等重要指标都与运动控制器直接相关。目前对数控系统的研究都集中 在插入p c 的n c 控制器的研究上，而其核心部分就是对步进、伺服电机进行控 制的运动控制卡的研究。对p c n c 来说，运动控制卡的性能很大程度上决定了 整个数控系统的性能，而微电子和数字信号处理技术的发展及其应用，使运动 控制卡的性能得到了不断改进，集成度和可靠性大大提高。 本课题通过对运动控制技术的深入研究，并针对国内运动控制技术的研究 起步较晚的现状，结合当前嵌入式领域的具体需要，紧跟当前运动控制技术研 究的发展趋势，吸收了数控技术和相关运动控制技术的最新成果，提出了基于 四川大学硕士学位论文 基于p c 1 0 4 的嵌入式运动控制系统的研究 p c 1 0 4 和f p g a 的方案，研制了一款比较新颖的、功能强大的、具有很大柔性 的四轴多功能运动控制卡。 本课题的具体研究主要有以下几方面： 首先，通过对运动控制卡及嵌入式系统等行业现状的全面调研，和对运动 控制技术的深入学习，在比较了几种常用的运动控制方案的基础上，提出了基 于p c 1 0 4 和f p g a 的运动控制设计方案，并规划了板卡的总体设计。 其次，根据总体设计，规划了板卡的结构，详细划分并实现了c p l d 和f p g a 各自的功能：利用光电隔离原理设计了数字输入输出电路；结合d a c 原理设计 了四路模拟输出电路。 再次，针对运动控制中的一些具体问题，如运动平稳性、实时控制以及多 轴联动等，在f p g a 上设计了四轴运动控制电路，定义了各个寄存器的具体功能， 设计了功能齐全的加减速控制电路、变频分配电路、倍频分频电路和三个功能 各异的计数器电路等，并实现了s 一曲线升降速运动、自动降速点运动、a b 相 编码器倍频计数电路等特殊功能。 最后，进行了本运动控制卡的测试，实现了全数字测速在本运动控制卡中 的应用，从测试和应用结果来看，该卡达到预期的要求。 关键词：p c 10 4 嵌入式计算机f p g a 数控运动控制卡 四川大学硕士学位论文 基于p c 1 0 4 的嵌入式运动控制系统的研究 t h er e s e a r c ho fe m b e d e dm o t i o nc o n t r o ls y s t e m b a s e do np c 1 0 4 m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n c a n d i d a t eh ey o n g s u p e r v i s o rz h a n gc h t m l e t m a n u f a c t u r i n g i st h ef o u n d a t i o no fi n d u s t r yi nac o u n t r y , m a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g yi st h et e c h n o l o g yb a c k b o n eo fm a n u f a c t u r i n g ，a n dw h e t h e r t h el e v e lo f m a n u f a c t u r i n gi sh i 曲o rl o wi st h ei m p o r t a n ti n d e xw h i c he s t i m a t e st h ed e v e l o p i n g l e v e lo ft h ec o u n t r y si n d u s t r y t h em a n u f a c t u r i n g ，w h i c hi sr e p r e s e n t e db yt h e t m d i t i o n a lm a c h i n i n ge l e c t r o ni n d u s t r y ，i sc o m i n gt h r o u g hap r o f o u n dr e v o l u t i o n i n t h er e v o l u t i o n ，d e v e l o p i n ga d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ye n e r g e t i c a l l yh a s b e e no n eo fs e v e r a ls t r a t e g i e so ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g yi nm o s tc o u n t r i e s w h a t sm o r e ，a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yh a sb e e na ni m p o r t a n tm e t h o di n i n t e r n a t i o n a lc o m p e t i t i o na n dp r o d u c t i o nr e n o v a t i o n t h en u m e r i c a lc o n t r o l ( n c ) t e c h n o l o g yi st h et e c h n o l o g yt h a tc o n t r o lm a c h i nm o t i o na n do p e r a t i n gp r o c e s sw i t h d i g i t a li n f o r m a t i o n ，i st h eb a s eo 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 l o g y , i st h em o s t b a s i ce q u i p m e n to fd e v e l o p i n gh i 曲- t e c h n o l o g yi n d u s t r ya n dt o pi n d u s t r ya n di st h e i m p o r t a n tb a s eo fm a n u f a c t u r em o d e r n i z a t i o nw h e t h e ri ss o l i do rn o tw i l li n f l u e n c e t h en a t i o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dc o m p r e h e n s i v en a t i o n a ls t r e n g t ha n d i n f l u e n c et h es t r a t e g i cp o s i t i o no f c o t m t r y m o t i o nc o n t r o l l e r ( m c ) i sac o n t r o ld e v i c et h a tr e g a r d si t sc e n t r a ll o g i cu n i ta s t h ec o r e ，s e n s o ra s t h es e n s i t i v ec o m p o n e n t ，a n de l e c t r o m o t o ro re x e c u t i v eu n i ta s t h ec o n t r o l l e do b j e c t m ci sv e r yi m p o r t a n ti nt h eo n c s ，b e c a u s ei ti st h em o s t i m p o r t a n tt oc o n t r o lt h em o v e m e n to ft h em o t o ro fe a c ha x i si nt h en cs y s t e ma n d t h ep r e c i s i o no fp o s i t i o nc o n t r o la n dp e r f o r m a n c eo fv e l o c i t ya d j u s t i n ga r ed i r e c t l y 四川大学硕士学位论文基于p c t 0 4 的嵌入式运动控制系统的研究 r e l a t e dt om c i nt h ep r e s e n t ，a l lo ft h er e s e a r c h e so fo n c sf o c u so nt h a to ft h e p c - b a s e dn cc o n t r o ld e v i c e ，w h o s ek e yi st h er e s e a r c ho fm o t i o nc o n t r o lb o a r d ( m c b ) w h i c hi su s e dt oc o n t r o ls t e p p i n go rs e r v om o t o r t op c - n c ，i ns o m ed e g r e e ， t h ep e r f o r m a n c eo fm c bd e c i d e st h a to ft h ew h o l en cs y s t e m ，f u r t h e rm o r e ，t h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft e c h n o l o g yo fm a c r o e l e c t r o n i c sa n dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gc o n t i n u o u s l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fm c ba n dg r e a t l yi n c r e a s et h e l e v e lo fi n t e g r a t i o na n d d e p e n d a b i l i t y d u r i n gt h er e s e a r c h ，t h r o u i 曲t h eo v e r a l ls u r v e yo fo n c sa n dd e e ps t u d yo f m o t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y ( m c l ) ，f a c i n gt h eb e h i n d h a n da c t u a l i t yo fr e s e a r c ho f d o m e s t i cm c t ，t om e e tt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t so ft h el a s e rc a r v i n gf i e l d ， f o l l o w i n gt h ed e v e l o p i n gt r e n do ft h ep r e s e n tm c t ，d r a w i n go nt h en e wp r o d u c t i o n o ft h ep r e s e n to n c sa n dr e l a t i n gm c t ，b r i n g i n gf o r w a r dt h es o l u t i o nb a s e do n p c 10 4a n df p g a w eh a v ed e v e l o p e daf o u r - a x i sm u l t i f u n c t i o n a lm c bw h i c hi s v e r yo r i g i n a l ，p o w e r f u la n df l e x i b l e i nt h ep a p e r , t h e r ea r et h ef o l l o w i n gm a j o rc o n t e n t s ： f i r s t l y , t h r o u g ht h eo v e r a l ls u r v e yo fo n c s ，e m b e d d e ds y s t e ma n dm c b ，a n d d e e ps t u d yo fm c t a f t e rc o m p a r i n gt h ec o m m o ns o l u t i o n so fm o t i o nc o n t r o l ，w e b r o u g h tf o r w a r dt h es o l u t i o no fm o t i o nc o n t r o lb a s e do np c 1 0 4a n df p g a ，a n d m a d eo u tt h ew h o l ed e s i g ns o l u t i o no f b o a r d s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h ew h o l ed e s i g ns o l u t i o n ，w ef i g u r e do u tt h ew h o l e a r c h i t e c t u r eo fb o a r d ，a n dp l o t t e do u ta n di m p l e m e n t e dt h er e s p e c t i v ef u n c t i o no f c p l da n df p g ai nd e t a i l f u r t h e rm o r e ，w ed e s i g n e dd i g i t a li n p u t o u t p u tc i r c u i t a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fp h o t o e l e c t r i c i t yi s o l a t i o n ，f o u r - c h a n n e la n a l o go u t p u t c i r c u i tb yt h ep r i c i p l eo fd a ca n dp u tf o r w a r de f f e c t i v ea n t i - j a m m i n gm e a s u r e si n a l l u s i o nt oc o m m o nj a m m i n gp h e n o m e n a t h i r d l y , i na l l u s i o nt os o m ep r c a t i c a lp r o b l e m si nt h em o t i o nc o n t r o l ，s u c ha s h i g hs p e e d ，h i g hp r e c i s i o n ，m o t i o ns t a b i l i z a t i o n ，r e a l - t i m ec o n t r o la n dm u t i - a x i s c o n t o u r i n gc o n t r o l ，e t c ，w ed e s i g n e da f o u r - a x i sm c bi nt h ef p g a w ed e f i n e dt h e f u n c t i o n so f a l lo f t h er e g i s t e r si nd e t a i l ，d e s i g n e dp e r f e c ta c c e l e r a t i o n d e c e l e r a t i o n 4 四川大学硕士学位论文基于p c t l 0 4 的嵌入式运动控制系统的研究 c o n t r o lc i r c u i t ，v a r i a b l e f r e q u e n c y d i v i d e r c i r c u i t ，m u l t i p l i c a t i o n f a c t o r f r e q u e n c yd i v i d e rc i r c u i ta n dt h r e ed i f f e r e n tc o u n t e rc i r c u i t s ，a c h i e v e ds p e c i a l f u n c t i o n so ft h es - c n r v ea c c e l e r a t i o n d e c e l e r a t i o nc o n t r o l ，r a m p i n g - d o w np o i n t c o u n t e r c a l c u l a t i o nc i r c u i ta n da be n c o d e rm u l t i 一丘e q u e n c yc i r c u i t e t c f i n a l l y , w em a d eo u tt h et e s to fb o a r da n dc a m et r u e t h ea p p l i c a t i o no f f u l l d i g i t a lm e a s u r eo i lt h eb o a r d t h em o t i o nc o n t r o lb o a r dm e ta n t i c i p a t i v ed e m a n d a c c o r d i n g t ot h er e s u l to ft e s ta n d a p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：p c 1 0 4 ，e m b e d e dc o m p u t e r , f p g a ，n u m e r i c a lc o n t r o l ，m o t i o nc o n t r o l b o a r d 四川大学硕士学位论文基于p c 1 0 4 的嵌入式运动控制系统的研究 1 绪论 制造业是国民经济的基础产业，其水平高低是衡量一个国家工业发达程度 的重要标志【l 】。大力发展先进的制造技术已成为世界各国最重要的几大技术战 略之一。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是发 展新兴高新技术产业和尖端工业的最基本的装备，是制造业现代化的重要基础 ”io 要发展先进制造技术，首先必须重视制造单元技术( 数控技术、加工单元、 柔性制造单元等) 。计算机数控技术【l 】【4 j ( c o m p u t e r n u m e r i c a l c o n t r o l ，简称c n c ) 集传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术、传感检测技 术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电于一体，是现代制 造技术的基础。它的广泛使用给机械制造业生产方式、产业结构、管理方式带 来深刻的变化。数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础， 现代c a d c a m 、f m s 、c i m s 等也都是以数控技术为基础。因此数控技术水 平的高低已成为衡量一个国家工业自动化的重要标志。 数控系统是数控技术的核心，也是数控发展的关键技术，其功能强弱、性 能优劣直接影响着数控设备的加工质量和效能发挥，对整个制造系统的集成控 制、高效运行、更新发展都具有至关重要的影响【3 “。因此，数控系统技术不仅 作为数控发展的先导技术，而且作为制造业的基础性战略技术，越来越受到世 界各国的重视和发展。 1 1 开放式数控及其发展 数字控制技术【5 j ( n u m e r i c a lc o n t r o l ，简称n c ) ，是近代发展起来的一种自 动控制技术，是使用数字信号对机床的运动及加工过程进行控制的一种方法。 数控系统( n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ) 是一种控制系统，它能自动完成信息的 输入、译码、运算，从而控制机床的运动和加工过程。数控系统一般包括数控 装鼍、可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，简称p l c ) 、伺服驱动系 统及进给装置等部分。数控装置是数控机床的核心，它完成信息的输入、存储、 四川大学硕士学位论文基于p c 1 0 4 的嵌入式运动控制系统的研究 变换、插补运算以及实现各种控制功能。伺服系统及进给装置接收数控装置的 指令，驱动机床执行机构运动。 1 1 1 开放式数控系统的基本特征 根据国际电气和电子工程师协会( i e e e ) 关于开放式系统的定义：能够在 多种不同的平台上运行，可以和其他系统的应用互操作，并能给用户提供一种 一致风格的交互方式。开放式体系结构普遍采用模块化、层次化的结构，并通 过各种形式向外提供统一的应用程序接口，具有可移植性、可扩展性、互操作 性和可缩放性等特点，即系统组成的内部开放化和系统组成各部件之间的开放 化。开放式系统具有以下基本特征： 1 开放性。提供标准化环境的基础平台，允许不同功能和不同开发商的软 硬件模块介入。 2 可互操作性。通过提供标准化接口、通信和交互机制，使不同的功能模 块与标准的应用程序接口运行于系统平台之上，并获得平等的相互操作能力， 协调工作。 3 可移植性。系统的功能软件与设备无关，即应用统一的数据格式、交互 模型、控制机理，使构成系统的各个功能模块可来源于不同的开发商提供的硬 件平台之上。 4 可扩展性。c n c 系统的功能、模块可以灵活设置，方便修改，既可以 增加硬件或软件构成功能更强的系统，也可以裁减其功能以适应低端应用。 5 可互换性。不同性能、不同可靠性和不同能力的功能模块可以相互替代， 而不影响系统的协调运行。 1 1 2 国内外数控系统技术的发展 数控技术从一诞生起就同其它技术紧密联系在一起，是机械、微电子、自 动控制、计算机信息等技术交叉应用的产物。随着计算机技术，特别是微电子 四川大学硕士学位论文基于p c 1 0 4 的嵌入式运动控制系统的研究 技术的发展，数控技术无论在硬件或软件方面发展都很快，数控系统已经历了 四个发展阶段 6 9 j ： 1 1 9 5 6 年一1 9 7 4 年，专用硬件n c 时代 这一阶段的数控系统，各种控制功能均由硬件逻辑完成，成为“硬件”数 控，其功能简单，灵活性差，设计周期长，系统可靠性低，因而限制了其进一 步发展和应用。 2 1 9 7 5 年一1 9 8 9 年，专用计算机数控时代，即微处理器n c 时代 7 0 年代末、8 0 年代初，随着超大规模集成电路、大容量存储器、c r t 的 普及应用，c n c 系统得到进一步发展。它虽然仍以微处理器为基础，但控制功 能更为完备，具备了多功能的技术特征，尤其在软件技术方面发展更快，具有 了交互式对话编程，三维图形动显示校验，实时软件精度补偿等功能。在系统 体系结构上，开始出现了柔性化、模块化的多处理机结构。数控系统产品也逐 步实现了标准化、系列化。 3 1 9 9 0 年一1 9 9 5 年，高速高精度c n c 的开发与应用阶段 3 2 位c p u 以其很强的数据处理能力在c n c 中得到了应用，使c n c 系统 进入了面向高速、高精度的c n c 的开发与应用阶段。 总结上述数控系统的三个发展历程，n c 装置存在着以下局限性： 1 ) 不能自由地从信息网上选取信息： 2 ) 体系结构不开放，用户接口不完善，机械厂家和用户不能自主地根据需 要对数控系统进行裁剪，用户自身的技术诀窍不能方便地融入，创造出自己的 名牌产品； 3 ) 不能充分地利用已有的通用软件资源； 4 ) 不能自由地获取外部的工况信息： 5 ) 体系结构繁多，不利于批量生产、提高可靠性和降低成本，削弱了市场 供应能力和竞争能力，同时限制了数控技术的发展。 4 1 9 9 6 年至今，开始全p c 开放式智能化数控新阶段 数控系统进入基于p c 的c n c 系统阶段。p c 的引入，不仅为c n c 提供十 分坚实的硬件资源和极其丰富的软件资源，更为c n c 的开放式提供了基础 1 2 。14 1 四川大学硕士学位论文基于p c 1 0 4 的嵌入式运动控制系统的研究 与国际先进水平相比，我国国内的数控技术和产业经过4 0 多年的发展，从 无到有，从引进消化到拥有自己独立的自主版权，取得了相当大的进步。但回 顾这几十年的发展，可以看到我国在数控领域的进步主要还是按国外一些模式， 按部就班地发展，真正创新的成分不多i ”。 1 1 3 现代数控技术的发展趋势 为更好满足市场和科学技术发展的需要，满足现代制造技术对数控技术提 出的要求，当今数控技术呈现新的发展趋势，主要体现在以下几个方面： 1 加工控制的高速化、高精度化“” 加工速度和加工精度可靠性是衡量c n c 系统性能的主要指标。当今先进 的c n c 系统都已完成了由1 6 位处理器向3 2 位微处理器的过渡，大大提高了 c n c 的数据处理能力和程序执行速度。不少系统通过配置多微处理器实现分散 处理，采用实时多任务操作系统进行并行处理的措施，进一步提高系统的数据 处理速度，为高速高精度加工控制指标的实现创造了必要的条件，使得高速进 给运动控制中的自适应平滑升降速控制、自由曲线加工的内部矢量精插补等复 杂算法得以实现，系统的控制指标大幅度提高。 2 智能化、开放化、网络化、柔性化和集成化 1 ) 智能化【l5 j 运用体现在数控系统中以下几个方面： i 为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如自适应控制，工艺参数自 动生成； i i 为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈控制、电机参数 的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等； i i i 简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人 机界面等； i v 智能诊断、智能髓控方面的内容，方便系统的诊断及维修等。 2 ) 数控系统体系结构开放性【1 6 _ 1 7 】主要是为了满足数控进线、联网、普及型 个性化，多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求。 3 ) 柔性化和集成化 四川大学硕士学位论文基于p c 1 0 4 的嵌入式运动控制系统的研究 柔性化技术的重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和 集成为目标，注重加强单元技术的开拓、完善，使c n c 单机易于向高精度、 高速度和高柔性方向发展，使数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与 c a d 、c a m 、c a p p 、m t s 联网，向信息集成方向发展。 1 2 运动控制器及其研究现状 1 2 1 运动控制器的特点及发展现状 运动控制器是以微处理器为核心，以传感器为信号敏感元件，以电机恸力 装置和执行机构为运动控制对象，以实现预定运动轨迹目标的一种控制装置。 随着自动化技术的进一步发展，运动控制器( 步进、交流、直流) 的应用已走 出机械加工行业，越来越多地应用于其它工业自动化设备控制。主要数控技术 的发展趋势就是采用“p c + 运动控制器”的开放式数控系统，它不仅具有信息 处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制精确、通用性好等特点，而且还从很 大程度上提高了现有加工制造的精度、柔性和应付市场需求的能力。 与传统的数控装置相比，运动控制器具有以下特点： 1 技术更新，功能更加强大，可以实现多种运动轨迹的控制，是传统数控 装置的换代产品； 2 结构形式模块化，可以方便地相互组合，建立适用不同场合、不同功能 需求的控制系统； 3 操作简单，在p c 机上经简单编程即可实现运动控制，而不一定需要专 门的数控软件。 以运动控制器作为独立的标准部件可以明显缩短新产品的研制开发周期， 有利于使用者创造自己的品牌产品。目前，由于以d s p 为代表的高速、高性能 专用微处理器的出现和p c 机的广泛普及，开放式运动控制器的发展趋势是以 d s p 芯片作运动控制处理器，以p c 机作为信息处理平台，运动控制器以插卡 形式嵌入p c 机，即“p c + 运动控制器”的模式。这样将p c 机的信息处理能力 四川大学硕士学位论文基于p c 1 0 4 的嵌入式运动控制系统的研究 和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合在一起，具有信 息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点。 1 国外广大的科技人员对基于d s p 的运动控制器进行了深入研究，并取 得了较好的成绩，主要研究成果【7 。1 4 j 有美国d e l t a t a u 公司、n i ( 美国国家仪器) 和德国m o v t e c 公司的各种运动控制卡，其中，美国d e l t a t a u 公司开发出基 于d s p 的p m a c 运动控制卡，可完成插补运算，伺服控制，p l c 控制等实时 控制功能。具有s 曲线a n 减速功能，可以实现直线、圆弧、螺旋线等多种插补 方式，提供全新的高性能数字控制技术和w i n d o w s 平台，并且可以方便地加 入系统的硬件和软件，能够根据实际需要扩展功能，满足用户在自动控制各领 域中的应用。p m a c 可同时控制1 8 根轴，每秒可执行5 0 0 个程序段，得到 较为广泛的应用。 2 国内针对运动控制器的研究从近几年开始开展的比较多，但目前没有专 门用于开放式体系结构的运动控制器，从现有的文献来看主要是各个高校或科 研院所为自己设计的基于p c 的数控系统的运动控制卡，并没有形成一种通用 的、系列化供应于市场的产品。 1 2 2 常见运动控制系统上位控制方案 运动控制器是控制技术和运动系统相结合的产物。在现代电子技术的支持 下，它通常以微处理器为核心，综合软件编程、运动轨迹设计、控制算法分析、 各运动部件的实时驱动等功能，达到总体运动控制效果。在运动控制中，运动 控制器还需对具体的运动速度、加速度、位置误差等进行实时监控，并对相关 情况等作出反应。 运动控制器是从主机接收控制指令，从位置传感器接收位置信息，向伺服 电机功率驱动电路输出运动指令。对于伺服电机位置闭环系统来说，它们主要 是完成了位置环作用，可称为数字伺服运动控制器，适用于一切交直流和步进 电机的闭环控制。 专用控制器的使用可把主机的轨迹插补与伺服闭环控制分离开来，减少了 主机计算负担，且所有控制参数都可以由程序设定，系统硬件设计简单，位置 四川大学硕士学位论文基于p c f 0 4 的嵌入式运动控制系统的研究 环容易调整，有利于提高系统可靠性。 运动控制系统的上位控制方案一般有以下几种【i8 j ： 1 单片机系统 采用单片机系统来实现运动控制，成本较低，但开发难度较大，周期长。 这种方案适应于产品批量较大、控制系统功能简单、有单片机开发经验的用户。 2 专业运动控制p l c 许多品牌的p l c 都可选配定位控制模块，有些p l c 的c p u 单元本身就具有 运动控制功能( 如松下f p o ) 。这种方案一般适用于运动过程比较简单、运动轨 迹固定的设备，如送料系统、自动焊机等。如果需要简单修改少量运动参数， 如速度、位移等，可与工业人机界面配合使用。 3 p c 机和i o 卡 用i o 卡通过p c 机也可以输出脉冲和方向信号来控制步进或数字式伺服电 机，但所发的脉冲只能由软件编程来实现，所以在运动时发脉冲将占用p c 机 c p u 大量的时间；另外，软件发脉冲受到微机定时器的限制，最大脉冲频率一 般在i o o k h z 左右，在控制伺服电机时会有速度和精度的矛盾问题；再者，在 w j n d o w s 环境下由于其多任务的机制，若没有深入w i n d o w s 内核进行底层编程 来发脉冲，几乎不可能保证脉冲的均匀性。 4 p c 机和专业运动控制卡 这种方案随着p c 机的普及使用越来越多，将是运动控制系统的一个主要 的发展趋势。这种方案可充分的利用计算机资源，可用于运动过程、运动轨迹 都比较复杂，而且柔性要求高的设备。在这种方案中，运动控制卡只需要从微 机接收控制命令，然后自己完成与运动有关的控制：发脉冲，方向信号、检测限 位原点等信号，几乎不占用微机c p u 时间。这样微机可处理其它控制和检测 任务：检测其它状态、处理键盘和显示消息、数据分析和计算等。大多数专用 运动控制卡都提供了w i n d o w s 环境下的动态链接库，使用非常方便，不仅大大 缩短产品研制和开发周期，而且能够实现更完善的运动控制系统。 四川大学硕士学位论文基于p c 1 0 4 的嵌入式运动控制系统的研究 1 2 3 基于p c 机的运动控制卡常见解决方案 从用户使用的角度来看，基于p c 机的运动控制卡主要是功能上的差别： 硬件接口( 输入输出信号的种类、性能) 和软件接口( 运动控制函数库的功能 函数) 。根据运动控制卡的主控芯片，一般有以下几种方案： 1 基于大规模集成电路，如8 2 5 3 、8 2 5 4 ，利用其内部的计数器功能，可 通过编码器改变其脉冲输出频率和脉冲输出数，实现步进电机的速度和位置控 制。其硬件组成如图1 1 。 图11 基于8 2 5 4 的步进电机控制卡硬件组成框图 2 基于单片机，如8 0 3 1 、8 0 9 8 ，这种方案比第一种要灵活的多，可通过 硬件实现许多功能。以单片机为主控芯片，成本较低，外围电路较为复杂，要 加上存储器、编码器信号处理及d a 转换电路等，其控制算法有事先编好的程 序固化在存储器中。该方案采用在程序中靠延时来控制发脉冲，脉冲波形的质 量和频率都受到限制，所以一般用于步进电机控制。图1 2 是基于8 0 c 1 9 6 的交 四川大学硕士学位论文基于p c 1 0 4 的嵌入式运动控制系统的研究 流伺服电机控制卡的硬件结构框卧1 9 1 。 四川大学硕士学位论文基于p c 1 0 4 的嵌入式运动控制系统的研究 图1 3 步进电机控制卡硬件组成框图 3 基于专用运动控制芯片。该方案是将实现电机控制所需的各种逻辑功能 做在一块专用集成电路内，并提供一些专用的控制指令，同时具有一些诸如限 位、零位开关处理、电机使能、报警等必须的辅助功能，使用户的软件设计工 作都减少到最小程度。集成度高，可靠性、实时性等较好；输出脉冲频率可达 到几兆赫兹，能够满足对步进电机和数字式伺服电机的控制。其硬件组成如图 1 3 。 4 基于数字信号处理器( d s p ) 型。9 0 年代以来，数字信号处理器( d s p ) 在运动控制中得到越来越广泛的应用，这主要是因为它的高速运算使得很多复 杂的控制算法和功能得以实现，而且集成度高，可以实现高精度多轴伺服控制。 成都步进机电有限公司研制的基于数字信号处理器( d s p ) 和现场可编程门阵 列( f p g a ) 器件的m p c 0 3 型的运动控制卡，其速度高、性能好、精度高和平 稳性好等优点在激光雕刻行业得到广泛应用。其硬件组成如图1 4 。 图1 4 基于d s p 和f p g a 控制卡硬件组成框图 0 四川大学硕士学位论文 基于p c 1 0 4 的嵌入式运动控制系统的研究 1 2 4 基于p c 1 0 4 总线和f p g a 的方案 通过运动控制卡的上位控制方案和常见基于p c 的运动控制卡的用分析， 它们基本具备以下特点： 1 利用普通p c 或工业p c 的通用插槽，如i s a 或p c i 总线，控制运动控 制卡并与其数据交换； 2 都是应用在较大操作机械空间的设备上，需要占用较大操作平台，应用 环境受到一定限制。 基于上述的分析，本论文采用一种嵌入式工业控制计算机p c 1 0 4 总线，设 计一款基于f p g a 实现运动控制功能的四轴运动控制卡。由于p c 1 0 4 总线解 决了上述因素带来的局限性，因此本论文对嵌入式运动控制技术的发展具有一 定的推动作用。 1 3 本课题的意义及论文的主要内容 本课题通过对开放式数控技术的全面调研和对运动控制技术的深入研究， 并针对国内运动控制技术研究起步较晚的现状，结合嵌入式应用领域的具体需 要，紧跟当前运动控制技术的发展趋势，吸收了世界开放式数控技术和相关运 动控制技术的最新成果，通过p c 1 0 4 总线并基于c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e ) 和f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 相结合的方案，研制 了一款比较新颖的、功能强大的、具有很大柔性的四轴多功能运动控制卡。 通过本课题全面深入的研究，提供了一套符合开放式数控系统要求的、采 用p c 1 0 4 总线和基于f p o f l 的开放式运动控制的方案，为小型机械控制的工业 现场提供了更新更优的控制方案，解决了小型以及便携式设备脱离普通p c 在数 控领域的应用。这必将为嵌入式控制系统的研究与开发提供有价值的参考与借 鉴，对我国开放式数控系统的发展与应用起到推动作用。 本论文主要内容如下： 1 对上位控制、运动控制卡及其行业现状进行全面调研和深入研究。 2 在对运动系统的控制技术深入学习的基础上，比较几种常用的运动控制 方案，确定采用p c 1 0 4 总线和基于f p g a 运动控制的设计方案，并规划板卡的 总体结构。 四川大学硕士学位论文 基于p c 1 0 4 的嵌入式运动控制系统的研究 3 基于总体结构设计控制卡的硬件电路。针对不同的情况和需要设计外围 电路。根据光电隔离原理设计数字输入输出电路；结合d a c 原理设计四路模拟 输出电路，以及设计p c 1 0 4 接口电路。 4 基于f p g a 设计功能相互独立的四轴运动控制电路，规划并定义各个寄 存器的具体功能，设计 3 1 减速控制电路、变频分配电路、倍频分频电路和三个 功能各异的计数器电路等，设计s 一曲线升降速运动、自动降速点运动、a b 相编码器倍频计数电路等。 5 对整个嵌入式运动控制系统进行系统测试。基于该卡设计全数字转速测 量电路以验证该卡设计的可行性。 6 最后总结研制过程中的得失，并展望数控的发展趋势。 四川大学硕士学位论文 基于p c 1 0 4 的嵌入式运动控制系统的研究 2 系统总体方案设计 2 1 运动系统的控制技术 在运动控制系统中，按机械运动的轨迹分类，可分为点位、直线、轮廓控 制等。点位控制( p o s i t i o nc o n t r 0 1 ) 又称为点到点控制( p o i n tt op o i n t c o n t r 0 1 ) ，是一种从某个位置向另一位置移动时，不管中间的移动轨迹如何， 只要最后能到达目标位置的控制方式。这类控制在移动过程中，对两点间的移 动速度及运动轨迹没有严格要求，可以先沿一个坐标移动完毕，再沿另一个坐 标移动，也可以沿多个坐标同时移动。直线控制( s t r a i tc o n t r 0 1 ) 又称为平行 控制( p a r a l l e lc o n t r 0 1 ) ，这类运动除了控制点到点的准确位置外，还要保证 两点之间移动的轨迹是一条直线，而且对移动的速度也要进行控制。轮廓控制 ( c o n t o u r i n gc o n t r 0 1 ) 又称为连续轨迹控制( c o n t in h o h sp a t hc o n t r 0 1 ) ，这类 运动能够对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制，因而 可以进行曲线或曲面的运动o “。 在运动控制系统中，按执行部件的类型分类可分为开环、半闭环和闭环伺 服系统。采用步进电机驱动的开环系统，没有位置反馈和校正系统，其位移精 度取决于步进电机的步距角及传动机构的精度等。而闭环和半闭环伺服系统的 位移测量和位置比较环节，这样可以达到比开环系统更高的精度与运行速度”“。 2 1 1 连续运动轨迹插补原理 连续运动轨迹是诸如数控机床、机器人等机械的一种典型运动方式，这种 控制在本质上属于伺服系统。 插补是一个实时进行的数据密化的过程，不论是何种插补算法，运算原理 基本相同，其作用都是根据给定的信息进行数值计算，不断计算出参与运动的 各坐标轴的进给指令，然后分别驱动各自相应的执行部件产生协调运动，以使 四川大学硕士学位论文基于p c 1 0 4 的嵌入式运动控制系统的研究 被控部件按理想的路线与速度移动，由此，轨迹插补与坐标轴位置