（机械制造及其自动化专业论文）基于dsp和fpga的运动控制技术的研究.pdf

i 日) t l 大学硕士学位论文基于d s p 和e p g a 的运动控制技术的研究 基于d s p 和f p g a 的运动控制技术的研究 机械制造及其自动化专业 研究生邱云周指导老师张春雷 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已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 是先进制造技术的基础。在现代制造技术朝着集成化、综合化和智能化发展的 今天，深入研究新一代数控技术一一开放式数控系统，具有重要的实用价值和 意义。 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。它在开放式数控系统中占有 十分重要的地位。对于数控系统来说，最重要的是控制各个轴电机的运动，这 是运动控制器接收并依照数控装置的指令来控制各个轴电机运动从而实现数控 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。目前对开放式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 的改进，集成度和可靠性大大提高。 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的研究起步较晚的现状，结合激光雕刻领域的具体需 要，紧跟当前运动控制技术研究的发展趋势，吸收了世界开放式数控技术和相 关运动控制技术的最新成果，采纳了基于d s p 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。 四川大学硕士学位论文基于d s p 和f p g a 的运动控制技术的研究 本论文主要内容如下： 首先，通过对制造业、开放式数控系统、运动控制卡等行业现状的全面调 研基于对运动系统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，确定了基于d s p 和f p g a 的运动控制设计方案，并规划了板卡的总 体结构。 其次，针对运动控制中的一些具体问题，如高速、高精度、运动平稳性、 实时控制以及多轴联动等，在f p g a 上设计了功能相互独立的四轴运动控制电 路，仔细规划并定义了各个寄存器的具体功能，设计了功能完善的加减速控制 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，完全实 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。 再次，介绍了d s p 在运动控制中的作用，合理规划了d s p 指令的形成过程， 并对d s p 软件的具体实现进行了框架性的设计。 然后，根据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；实现了p c i 接口电路的设计；并针对常见的干扰现象，提 出了有效的抗干扰措施。 最后，利用运动控制卡强大的运动控制功能，并针对激光雕刻行业进行大 幅图形扫描时需要实时处理大量的图形数据的特别需要，在板卡第四轴完全实 现了激光控制功能，并基于f p g a 内部的1 6 k b i t 块r a m ，开辟了大量数据区以 便进行大幅图形的实时处理。 关键字：d s pf p g a 数控运动控制卡激光雒刻 四川大学硕士学位论文基于d s p 和f p g a 的运动控制技术的研究 t h er e s e a r c ho fm o t i o nc o n t r o l t e c h n o l o g y b a s e do nd s pa n df p g a m e c h a n i c a l m a n u f a c t u r i n g a n da u t o m a t i o n c a n d i d a t e q i u y u n - z h o u s u p e r v i s o rz h a n g c h u n - i e i 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 na c o u n l y 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 rt h el e v e lo f m a n u f a c t u r i n gi sh i g ho rl o w i 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 , n em a n u f a c t u r i n gw h i c hi sr e p r e s e n t e db yt h e t r a 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 yi sc o m i n g t h r o u g h ap r o f o u n dr e v o l u t i o n i nt h e r e v o l u t i o n , d e v e l o p i n g a d v a n c e d m 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 y h a sb e e no n eo fs e v e r a l s t r a t e g i e s o 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 t c o u n u - i e s w h a t sm o r e , a d v a n c e dm a n u f a e t t t 血gt e c h n o l o g yh a sb e e na ni m p o r t a n t m e t h o di ni n t e r n a t i o n a l c o m p e f i l i o n a 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 l c o n t r o l 心c ) t e c h n o l o g y i st h eb a s eo fa d v a n c 2 dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y d u r i n g t h ep r o c e s st h a tm o d e r nm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yi sb e i n gd e v e l o p e da l o n gt h e d i r e c t i o no f i n t e g r a t i o n , s y n t h e s i s a n d i n t o l l i g e n t i z i n g , r e s e a r c h i n g t h en e w g e n e r a t i o no f n c t e c h n o l o g y , t h a ti st h eo p e n n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ( o n e s ) ， i so f i m p o r t a n tm c t i c 吨v a k m a n d s i g n i f i c a n c e 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 r 篮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 tm ci sv e r yi m p o r t a n ti nt h e0 n c s ，b e c a u s ei t i st h em o s t i m p o r t a n t t 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 c r f o n u a n c co fv e l o e i t ya d j u s t i n ga r cd i r e c t l y 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 f m o t i o nc o n t r o lb o a r d ( m c b ) w h i c h i su s e dt oc o n t r o ls t e p p i n go r 鸵r v om o t o r t op c - n c ，i n s o m e d e g r e e ， 四川大学硕士学位论文基于d s p 和f p g a 的运动控制技术的研究 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 c s y s t e m ，f i 2 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 e t 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 f m t e g r a t i o na n dd 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 g ht h eo v e r a l ls u r v e yo f 0 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 t ) ，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 e p r a c t i c a lr e q u i r e m e n t so ft h e l a s e r c 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 f t h ep r e s e n tm c t , d r a w i n go nt h en e w p 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 , a d o p t i n gt h es o l u t i o nb a s e do nd s pa n d f p g a ，w eh a v e d 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 sv e r yo r i g i n a l ， p o w e r f u la n d f l e x i b l e i nt h e p a p e r , t h e r e a r et h ef o l l o w i n g m a j o r c 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 fi n d u s t r i a la c t u a l i t yo fm a n u f a c t u r i n g , o n c sa n dm c b ，a n d d e e ps t u d y o f m c t , a f t e rc o m p a r i n gt h ec o r n n l o ns o l u t i o n so f m o t i o nc o n t r o l ，w ee s t a b l i s h e dt h ed e s i g no fm o t i o nc o n t r o la n dm a d eo u tt h ew h o l e f r a m e w o r ko f b o a r d s e c o n d l y , i na l l u s i o nt os o m ep m a t i c a lp r o b l e m si nt h em o t i o nc o n 仃o l ，s u c ha s h i 出s p e e d , h i 曲p 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 e c 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 daf o u r - a x i sm c b t h a to n ea x i si si n d e p e n d e n t o fa n o t h e ri nt h ef p g a w ed e f i n e dt h ef u n c t i o n so fa l lo ft 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 nc o n t r o lc i r c u i t , v a r i a b l ef 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 nf a c t o rf r e q u e n c y d 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 t c o u n t e r c 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 u 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 0 1 r a m p i n g - d o w np o i n tc 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 b e n c o d c r m u l t i f r e q u e n c yc i r c u i t , e t c t h i r d l y , w ei n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o no f d s pi nt h ef i e l do fm o t i o nc o n t r o l ， m a d eo u tt h ef o r m i n gp r o c e s so fd s pi n s t r u c t i o n sa n dd e s i g n e dt h ef r a m e w o r ko f a c h i e v e m e n to f d s ps o r w a r e a n d t h e n ，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 ta c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f 4 四川大学硕士学位论文 基于d s p 和f p g a 的运动控制技术的研究 p 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 m p u tc i r c u i tb yt h ep r i e i p l eo fd a c ， a c h i e v e dt h ed e s i g no fp c ii n t e r f a c ec i r c u i ta n d p 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 g m e a s u r e si na l l u s i o nt oc o m m o n j a m m i n g p h e n o m e n a f i n a l l y , m a k i n gu s eo fp e r f e c tc o n t r o lf u n c t i o n so fm c b ，i no r d e rt om e e tt h e s p e c i a le q u i r e m a n t st h a tt h ei n d u s t r yo fl a s e rc a r v i n gn e e d sr e a l - t i m ep r o c e s s i n go f l o t so f g r a p l l i cd a t a , w ea c h i e v e dt h ep e r f e c tf u n c t i o n so f l a s e rc o n t r o li nt h ef o u r t h a x i sa n dd e s i g n e dl a s e rd a t aa r e ai no r d e rt op r o c e s st h ed a t ai n s t a n t l yi nt h e1 6 k b i t b l o e kr a mo f f p g a k e y w o r d s ：d s p , f p g a ，n u m e f i 姐lc o n t r o l ，m o t i o nc o n t r o lb o a r d ，l a s e r c u r v i n g 5 四川大学硕士学位论文基于d s p 和f p g a 的运动控制技术的研究 1概述 1 1 引言 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。在这场新技术革命冲击下，产品结构和 生产系统结构都发生了质的跃变，微电子技术、微计算机技术使信息和智能与 机械装置和动力设备相结合。促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技 术革命“1 。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”1 。 近年来，世界范围内出现了研究应用先进制造技术的浪潮，以机械制造为 代表的先进制造技术已经成为当代国际间的科技竞争焦点，许多国家制定了相 应的计划，其中最据代表性的是美国的先进制造技术计划、韩国的高级先进技 术国家计划、日本的智能制造技术和德国的制造2 0 0 0 技术等。在我国，先进制 造技术的重要性业已引起各界的重视，被列为“九五”计划和2 0 1 0 年中长期科 技发展规划中的主要关键技术和重要发展方向0 1 。 数控技术是先进制造技术( 如f m s 、c i m s ) 的基础。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、柔往制造单元等) 。因此， 在现代制造技术朝着集成化、综合化和智能化发展的今天，深入研究新一代数 控技术具有重要的实用价值和意义”1 。 1 2 开放式数控系统及其研究现状 随着市场全球化的发展，市场对适合中小批量；h n - f 、具有良好柔性和多功 能性的制造系统的需求己超过对大型单一功能的制造系统的需求，从而要求制 造商具有较强的市场应变能力。1 。这种趋势促成了一个新概念的产生，即模块 化、可重构、可扩充的软硬件系统，也就是开放式数控系统“1 。开放式数控系 统不仅能够快速、经济地适应新的加工需求，而且为制造商提供了将其技术或 产品与任何第三方的技术或产品进行集成的可能性“。 四川大学硕士学位论文基于d s p 和f p g a 的运动控制技术的研究 1 2 1开放式数控系统概述 开发式系统是指能够在多种不同的平台上运行，可以和其它系统的应用相 互操作，并能给用户提供一种一致风格的交互方式的数控系统。开放式体系普 遍采用模块化、层次化的结构，并通过各种形式向外界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。1 。开放式系统具 有以下特征： 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 、互操作性通过提供标准化接口、通信和交互机制，使不同功能模块 与标准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，即可以 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 、可互换性不同功能、不同可靠性的功能模块可以相互替代，而不影 响系统的协调运行。 具有上述特征的数控系统可以称为开放式数控系统，这种开放式控制系统 体系结构不是现有控制功能的简单集合，而是在博采众长的基础上，反映控制 系统体系结构未来发展的产物，它将引导开放式控制系统产品的开发，并对控 制技术的发展起一定的指导作用。 1 2 2开放式数控系统研究现状 开放式控制系统的概念一出现，就被广大科研人员所接受，各国政府、企 业和科研单位都特别重视，并投入了大量的资金和人力进行相关研究。其中， 最具有代表性的是欧洲的o s a c a 、美国的o m a c 、日本的。s e c 计划。1 。 l 、o s a c a ( o p e ns y s t e ma 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 n s y s t e m ) 渤 该计划是在1 9 9 0 年由欧共体2 2 家控制器开发商、机床生产商、控制系统 集成商和科研机构联合发起的，并于1 9 9 2 年得到欧盟的认可。o s a c a 认为一个 四川大学硕士学位论文基于d s p 和f p g a 的运动控制技术的研究 开放式控制系统应以一个平台为基础，由组逻辑的、离散的组件组成，控制 系统本身不带有平台的任何信息，而组件与平台之间定义了很好的接口，允许 不同供应商提供的组件之间的协调工作，正确工作的控制器可运行在不同的系 统平台之上。 2 、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 ) ” 该计划是由美国克莱思勒、福特、通用三大汽车公司于1 9 9 4 年发起组织的， 当时公布了“开放的模块化结构控制器( o m a c ) 在汽车工业中的需求”的文件， 其主要目标是降低控制系统的投资成本和维护费用，缩短产品开发周期，提高 机床的利用率。 o m a c 是一种抽象的根本的开放式体系结构，通过定义基类和模块形成控制 系统的基本元件，然后按体系结构设计和框架细节设计两个步骤，采样“搭积 本”的思想来完成其设计。 3 、o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r ) o s e c 是由东芝、三菱电机等6 家日本公司于1 9 9 4 发起的一个名为控制器 开发系统环境的计划。o s e c 主要内容是基于p c 平台的开放式系统旨在确定 “不依赖特定卖主的开放性控制器”的结构，其中研究的重点集中在n c 本身和 分布式控制系统d n c 上，因为o s e c 认为从制造的角度看，n c 就是分布式d n c 制造系统的一个服务器。 综上所述，国外的各研究计划，其根本目的是扩大自身产品在国际市场所 占份额，或至少巩固已有的市场阵地。与国外先进水平相比，国内的开放式控 制系统的研究还处于初级阶段，主要采用在工业p c 或普通p c 的总线插槽上插 入运动控制卡和i 0 卡，配以自行开发的控制软件来完成数控系统的基本功能。 控制系统的开放式结构的出现将导致新一代控制器的产生，并成为未来制 造业的一大支柱，控制器结构的开放性为数控技术能持续不断地吸收日新月异 的计算机软硬件最新成果创造了条件，有利于数控产品自身的更新换代，提高 性能，增强竞争力。被o s e c 誉为制造业第三次革命的开放式控制系统的研究， 为我国数控产业的发展带来了新的契机。我们应抓住这一机遇，迅速开展并深 化我国的开放式控制系统的研究，缩小我国制造业水平同发达国家的差距。 四川大学硕士学位论文基于d s p 和f p g a 的运动控制技术的研究 1 3 运动控制卡及其研究现状 1 3 1运动控制卡在开放式控制系统中的地位 先进制造系统的发展对机电设备的运动控制提出了新的要求“1 ，如高速数 控加工设备、激光雕刻设各等，要求实现高速、高精度的位置或轨迹控制，而 这必须依赖于先进复杂的位置或轨迹控制算法。近年来，许多新的复杂的控制 算法已研究应用于运动控制中，这些复杂的控制算法必须在高性能的处理器中 才能实现，并保证系统的实时性”1 。可见，以高性能处理器为核心的运动控制 器才能满足高速、高精度的运动控制系统的需要。1 。 运动控制技术是在电机驱动技术研究的基础上，随着科学技术的发展而行 形成的一门综合性多学科的交叉技术。运动控制代表着用途最广而又最复杂 的任务。其原因就在于生产加工的速度在不断提高，而且制造业对加工精度和 实现敏捷制造提出了越来越高的要求“。随着微电子技术、电力电子技术和微 处理器技术的发展，随着现代科学的进步，传统的运动控制技术由于本身的特 性己不能满足现代工业社会和发展的要求，因此开发新的运动控制系统已经成 为迫切的任务”。 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。它在开放式数控系统中占有 十分重要的地位。对于数控系统来说，最重要的是控制各个轴电机的运动，这 是运动控制器接收并依照数控装置的指令来控制各个轴电机运动从而实现数控 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“”。 p c n c 是比较容易实现的数控开放化的途径，已成为当前开放式数控系统 的主流。而运动控制器则是p c 与伺服系统之间的桥梁，即起到将p c 机与驱动 部分连接的作用，这样一台p c 机，再配上运动控制器和一些适当的i o 接口卡， 与伺服驱动器连接起来，在硬件上就构成了一个完整的数控系统。 目前对开放式数控系统的研究就集中在插入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的改进，集 四川大学硕士学位论文基于d s p 和f p g a 的运动控制技术的研究 成度和可靠性大大提高。 1 3 2 运动控制卡的研究现状 目前国外已有很多著名的大公司开发出了功能多样的开放式运动控制卡， 其中美国的著名公司d e l t at a ud a t as y s t e m s 开发的可编程多轴运动控制器 p 姒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 ) 是一个很有代表性的产品。该产 品使用d s p 为核心c p u ，具有s 一曲线加减速功能，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 动控制领域中的应用。 国内针对运动控制器的研究起步较晚，目前还没有专门用于开放式体系结 构的运动控制器，主要是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、系列化的供应于市场的产品。根据实现控 制方法的不同大致分为以下几种： l 、基于大规模集成电路 如8 2 5 3 、8 2 5 4 等，利于其内部的计数器功能，可通过编码器改变其脉冲输 出频率，实现步进电机的速度和位置控制。 2 、基于微处理器 。 如将单片机作为核心部件，加上存储器编码器信号处理电路及d a 转换电 路。此方案使用元器件较多，可靠性不高，运行速度慢，控制精度不高，软硬 件配置灵活性差。 3 、基于专用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 该方案采用一块芯片就可以完成p i d 控制算法、编码器信号的处理等多种 功能，并且其硬件电路的配置具有一定的灵活性，但由于受运算速度的限制， 复杂的控制算法和功能在该系统中难以实现。 4 、基于d s p 型 近年来，d s p 芯片技术快速发展，出现了一批高性能、低成本的d s p ，这些 d s p 的重要特性是它们的兼容性好且运算速度快，使多轴运动控制系统能够在 一块插在p c 机上的i s a p c i 接口运动控制卡上实现。如果将d s p 和p c 机结合 起来，可充分利用p c 机现有的操作环境和资源，同时利用d s p 运算速度快的优 四川大学硕士学位论文基于d s p 和f p g a 的运动控制技术的研究 势，使p c 机从大量复杂的运算中解脱出来做其它工作。这是未来运动控制卡的 发展趋势。 1 4 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，结合激光雕刻领域的具体需要， 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，采用了基于d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 和f p g a ( f i e l d p 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，来解决当前国内数控系统中的一 些问题，如高速、高精度、运动平稳性、实时控制以及多轴联动等。 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、d s p 和f p g a 相结合的开放式运动控制的方案，这必将为其他基于d s p 的控制系统的 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。根据开发的运动控制卡在激光雕刻领域所取得的成功得知，我们 在运动控制技术方面的研究对改善我国工业控制领域相对落后的局面必将提供 有益的帮助，同时对工业控制的发展也将起到一定的推动作用。 本论文主要内容如下： 1 、对制造业、开放式数控系统、运动控制卡及其行业现状进行了深入的研 究和全面的调研。 2 、在对运动系统的控制技术深入学习的基础上，比较了几种常用的运动控 制方案，确定了基于d s p 和f p g a 运动控制的设计方案，并规划了板卡的总体 结构。 3 、阐述了f p g a 在运动控制中的应用和意义；针对运动控制中的一些具体 问题，基于f p g a 设计了功能相互独立的四轴运动控制电路，仔细规划并定义了 各个寄存器的具体功能，设计了功能强大的加减速控制电路、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，完全实现了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。 4 、介绍了d s p 结构和特点以及d s p 在运动控制中的作用，合理规划了d s p 四川大学硕士学位论文基于d s p 和f p g a 的运动控制技术的研究 指令的形成过程，并对d s p 软件的具体实现进行了框架性的设计。 s 、根据光电躅离原理设计了数字输入输蹬毫绉：结合滩c 原理设计7 四 路模拟输出电路：实现了p c i 接口电路的设计。 6 、针对常见的干扰现象，提出了有效的抗干扰措施。 7 、利用运动控制卡完善的运动控制功能，并针对l 臌光雕刻行业进： 亍太幅图 形扫描时需要实时处理大量的图形数据的特别需要，在第四轴完全实现了激光 控制功能，并基于f p g a 内块r 触，开辟了大量数据区以便大幅图形的实时处理。 8 、总结了设计过程中的得失，展望了控制技术的发展趋势。 四川大学硕士学位论文基于d s p 和f p g a 的运动控制技术的研究 2 运动系统的控制技术和控制方案 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 i n u o u 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“”。 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 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伺服控制是 运动控制系统的两个主要环节。 插补运算是轨迹控制中最重要的计算任务，而插补计算又必须是实时的， 即必须在有限的时间内完成计算任务。因此，除了要保证插补计算的精度外， 四川大学硕士学位论文基于d s p 和f p g a 的运动控制技术的研究 还要求算法简单，一般采用迭代算法，这样可以避免三角函数计算，同时减少 乘除及开方运算，它的运算精度直接影响运动系统的控制速度，而插补计算精 度又影响整个运动系统的精度，人们一直在努力探求计算速度快同时计算精度 又高的插补方法。 目前普遍使用的差补算法分为两大类：一是脉冲增量插补，另一个是数据 采样插补。 2 1 2 位置控制技术 位置控制是常被称之为伺服控制系统的运动控制系统的基本功能。它要求 体现调速范围宽、负载特性硬、反应速度快、多轴联动响应一致等多方面的性 能指标，其中的重要指标是跟追误差、定位精度及允许运动速度的高低等。因 此。研究与开发高性能驱动系统及位置控制系统，一直是研究数控机床与机器 人等的关键技术之一o ”。 位置控制系统又分为开环和闭环两种，开环控制系统一般用于精度及速度 要求不高、成本低的场合。而在要求高精度、高速度的场合，则采用直流伺服 电机、交流伺服电机的闭环位置控制。 位置控制的职能是精确地控制机械运动部件的坐标位置，例如数控计算机 将插补计算得出的各轴位移量送入位置控制单元，而对闭环位置控制系统( 又 称为位置伺服系统) 来说，位置控制单元根据位移量大小产生进给速度指令， 并接收位置反馈修正速度指令值，实现快速而准确的跟追位置指令的运动。 一、步进电机运动系统的有关控制技术 步进电机是一种增量运动的电磁执行元件，这种元件是将数字脉冲输入转 换为旋转或直线增量运动的一种装置，当采用适当的控制时，步进电机的输出 步数总是和输入指令的电脉冲相等，因此它可以作为开环位置系统工作。在增 量运动方面，步进电机可以用作具有迅速加速、减速和停机功能的起停运动控 制器。 步进电机以具有转子惯量、无漂移和无累积误差为特征，而且其控制路线 经济简单，不需反馈编码器和相应的电子线路，特别是近年来微机方面的发展， 使步进电机的控制性能大为改善，所以在很多位置和速度控制的应用中都是比 较理想的。 四川大学硕士学位论文基于d s p 和f p g a 的运动控制技术的研究 步进电机运动系统主要是由步进控制器、功率放大器及步进电机组成。纯 硬件的步进电机控制器由脉冲发生器、环形分配器、控制逻辑等组成。它的作 用就是能把代表转速的脉冲串分配给步进电机的各个绕组，让步进电机按既定 的方向和转速旋转。若采用微机技术，以软件与硬件相结合的方式改造上述步 进控制器，则不仅可在硬件上简化电路，降低成本，而且可靠性也会大为提高。 二、伺服电机运动系统的位置闭环控制 采用伺服电机的闭环系统主要由执行元件( 如交直流伺服电机、液压马达 等) 、反馈检测元件、比较环节、驱动线路和机械运动机构五部分组成。其中， 比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统 的跟随误差，经驱动控制执行元件带动机械位移，直到跟随误差为零。根据比 较环节组成的闭环位置控制方式，伺服系统也有多种形式。 随着微处理器及控制技术的介入和完善，由硬件组成的比较环节将由软件 实现的位置控制环取代，即由模拟式向数字化方向过渡，以适应更高速度与精 度的需要，而且系统中的电流环、速度环和位置环的反馈控制全部数字化全 部伺服的控制模型均由高速微处理器及其控制软件进行实时处理，采样周期只 有零点几毫秒，采样前馈与反馈结合的复合控制可以实现高精度和高速度，近 年来又出现了学 - 3 控制这一智能型伺服控制，在周期性的高速度、高精度跟踪 中，几乎可以消除第一个周期以外的全部伺服误差，数字化的软件伺服是当今 的发展趋势。 2 2 运动控制方案 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。 目前，运动控制器类型较多，可分为“箱式”、“卡式”和“片式”三个层 次，但它们的功能基本相似，都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 四川大学硕士学位论文基于d s p 和f p g a 的运动控制技术的研究 来说，它们主要是完成了位置环作用，可