（电路与系统专业论文）嵌入式贴片机运动控制系统[电路与系统专业优秀论文].pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 嵌入式贴片机运动控制系统 摘要 运动控制技术是综合应用自动控制、计算机控制等相关技术，对机械 传动装置中电机的位置、速度进行实时控制的技术。运动控制的功能是命 令运动部件按照预期的轨迹和规定的运动参数完成相应的动作。运动控制 主要包括运动轨迹和伺服控制。运动控制产品是计算机、微电子、自动控 制和机电一体化等技术综合应用的产物。运动控制系统的信息处理能力强、 开放程度高、运动轨迹控制精确、通用性好等特点，使其具有广泛的应用 前景。 运动控制技术是s m t 贴片机的关键技术之一，随着数字控制技术的进 一步发展和对贴片机在工业应用上的要求提高，传统的使用单片机来控制 贴片机的运动控制系统，已经不能满足我们对贴片机工作的速度和精度的 要求。论文设计了一个嵌入式贴片机运动控制系统，采用“a r m + d s p 运 动控制器”的模式取代传统的“p c 机+ 运动控制卡 的模式，具有体积小、 功耗低、功能精简的优点，和良好的运动控制性能。利用m c x 3 1 4 输出脉 冲的频率和数量实现对步进电机速度和角位移量的控制。与使用p w m 输 出的控制方法相比，具有操作简单、易于控制的优点。 论文的主要工作有： 1 、分析了运动控制技术和嵌入式系统的发展及其现状。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 、对比6 种常用的运动控制方案，选定“a r m + d s p 运动控制器第的 设计方案，分析了a r m 和运动控制芯片各自要实现的功能，并根据运动 控制芯片的工作方式，选定了驱动电路的结构。 3 、完成了嵌入式运动控制系统的硬件电路设计。采用模块化设计方法， 把复杂的运动控制器细化为功能相对独立的予系统，再对运动控制器的各 个子系统分别进行设计，。如：电源模块，存储器模块，运动控制器与p c ! 。 机之间的串弱通讯模块的设计等。 4 、完成了嵌入式运动控制系统的软件设计，规划了软件系统的设计方 案。在对运动控制系统的整体结构和功能进行细分的基础上，设计了上、 下位视的软件控制系统。在整个软件系统中，上位机主要负责系统的总体 管理，分为手动模式、编程模式和自动模式三种管理模式。而下位机控制 软件则主要包括位置控制子程序、用户编译子程序、中断处理子程序、通 讯子程序等。 5 、对运动控制系统电路进季亍谖试，基本达到了预期的匿标。 关键词：运动控制，嵌入式系统，s 3 c 4 4 b o x ，m c x 3 1 4 ，步进电机 h 太原理工大学硕士研究生学位论文 e m b e d d e dm o i 汀e rm o t i o nc o n t r o ls y s t e m a bs t r a c t m o t i o nc o n t r o li ss u c hak i n do ft e c h n o l o g yt h a ti n t e g r a t e dc o n t r o lt e c h n o l o g yw i t h c o m p u t e rt e c h n o l o g yi no r d e rt oa c h i e v er e a lt i m ec o n t r o lo ft h em o v i n gm o t o r s m o t i o n c o n t r o lt e c h n o l o g yc o n s i s t so ft r a j e c t o r yp l a n n i n ga n ds e l - v oc o n t r o lt e c h n o l o g y t h a ti st h e i n t e r g r a t i o no fc o m p u t e rt e c h n i q u e ，m i c r o e l e c t r o n i c sa n dc o n t r o lt e c h n o l o g y m o t i o nc o n t r o l s y s t e mh a st h ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga b i l i t y ，a n dh i g h l yo p e n m g ，t h ep r e c i s et r a j e c t o r y c o n t r o l ，a n da 1 1 一p u r p o s ea b i l i t y ，a n ds oo n t h e s ea d v a n t a g e s m a k et h i ss y s t e mh a v ew i d e a p p l i c a t i o np o t e n t i a l m o t i o nc o n t r o li so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rs m tm o u n t e r w i t ht h ed e v e l o p m e n to f d i g i t a lc o n t r o lt e c h n o l o g ya n di m p r o v i n go fs m tm o u n t e ri nt h ei n d u s t r y ，t r a d i t i o n a lm o t i o n s y s t e mw h i c hu s e ds i n g l e c h i pt oc o n t r o ls m te q u i p m e n ta l r e a d yc a n tb ef i tt on e wn e e d s w h i c ha l ei nt h ev e l o c i t ya n dp r e c i s i o n t h i st h e s i sd e s i g n e de m b e d d e dm o u n t e rm o t i o n c o n t r o ls y s t e m ，u s e dt h em o d eo f a r m + d s pm o t i o nc o n t r o l l e r ，i n s t e a do ft h et r a d i t i o n a l m o d eo f p c + m o t i o nc o n t r o lc a r d ”i th a st h ea d v a n t a g e s ，s u c ha ss m a l ls i z e ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o n ，s t r e a m l i n ef u n c t i o n sa n dw e l lm o t i o nc o n t r o l l i n ga b i l i t y u s i n gt h ef r e q u e n c y a n dq u a n t i t yo ft h eo u t p u tp u l s eg e n e r a t e db ym c x 314 ，t h es y s t e mc o n t r o l l e dt h ev e l o c i t ya n d a n g l ed i s p l a c e m e n to fs t e pm o t o r c o m p a r e dw i t ht h ec o n t r o l l i n gm e a n so fp w m ，t h i sm o d e w a so p e r a t e ds i m p l y ，a n dc o n t r o l l e de a s i l y t h ep r o b l e m st h a tt h i st h e s i sm a i n l yn e e d st od e a lw i t ha sf o l l o w s ， 1 、a n a l y z e dt h ed e v e l o p m e n ta n dt h es t a t u so ft h em o t i o nc o n t r o l l e dt e c h n o l o g ya n dt h e e m b e d d e ds y s t e m 2 、a n a l y z e ds i xk i n d so fc o m m o n l yu s e dm o t i o nc o n t r o l l e dp l a n s ，d e c i d e dt h ed e s i g np l a n o fa r m + d s pm o t i o nc o n t r o l l e r ，a n da n a l y z e dt h er e s p e c t i v ea c h i e v i n gf u n c t i o n so fa r m a n dm o t i o nc o n l r o l l e dc h i p s ，a n da c c o r d i n gt ot h ew o r km e t h o d so ft h em o t i o nc o n t r o l l e d c h i p s ，s e l e c t e dt h es t r u c t u r eo ft h ed r i v e rc i r c u i t s t n 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 、c o m p l e t e dt h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g no ft h ee m b e d d e dm o t i o nc o n t r o ls y s t e m a n d w ed i v i d e dt h ec o m p l e xs y s t e mi n t os e v e r a ls u b s y s t e m sw h i c hh a v er e l a t i v e l yi nd e p e n d e n c e i nt h e i rf u n c t i o n sa c c o r d i n gt ot h ew a y so ft h ed e s i g no fm o d u l a r i z a t i o n t h e nw ew e n to n w i t ht h ed e s i g n so ft h es u b s y s t e m s , s u c ha st h em o d u l eo fp o w e rs u p p l y , t h em o d u l eo f m e m o r y , t h em o d u l eo ft h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em o t i o nc o n t r o l l e ra n dt h ep c ， 4 、c o m p l e t e dt h es o f t w a r ed e s i g no ft h ee m b e d d e dm o t i o nc o n t r o l l i n gs y s t e ma n dp u t f o r w a r dt h es c h e m eo fs o f t w a r es y s t e md e s i g n o nt h eb a s i so ft h es u b d i v i s i o no ft h es t r u c t u r e a n dt h ef u n c t i o no ft h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m ，d e s i g n e dt h es o f t w a r ec o n t r o l l i n gs y s t e mo f m a s t e ra n ds l a v ec o m p u t e r i nt h ee n t i r es o f t w a r es y s t e m , t h em a s t e rp r e s i d e do v e rt h es y s t e m m a n a g e m e n t , i td i v i d e di n t ot h r e em a n a g e m e n tm o d e s , s u c ha sm a n u a lm o d e , p r o g r a m m i n g m o d ea n da u t o m a t i cm o d e t h es l a v ec o n t r o ls y s t e mc o n t a i n sp o s i t i o nc o n t r o ls u b r o u t i n e ， u s e r sc o m p i l i n gs u b r o u t i n e ，i n t e r r u p ts u b r o u t i n e ，c o m m u n i c a t i o ns u b r o u t i n e ，a n ds oo n 5 、t h ec i r c u i to fm o t i o nc o n t r o ls y s t e mw a sd e b u g g e d ，a n da c h i e v e do u r a n t i c i p a t i v ea i m b a s i c a l l y 。 k e yw o r d s ：m o t i o n c o n t r o l ，e m b e d d e ds y s t e m ，s 3 c 4 4 b o x ，m c x 31 4 ，s t e p m o t o r i v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担a 论文作者签名：塑金： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：堕 导师签名：乏邀玺鱼 日期：鳗：苎! 篮 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 运动控制技术 第一章绪论 1 1 1 运动控制技术概述 运动控制技术通常是指在复杂条件下，将预定的控制方案、规定指令转变成期望的 机械运动。运动控制系统处理机械系统中一般称作为轴的一个或多个坐标上运动以及这 些运动之间的协调，涉及各轴上运动速度的调节，以一定的加减速曲线来进行，以及形 成准确的定位或遵循特定的轨迹等诸如此类的问题。这些精确的位置、速度、加速度乃 至力矩的控制主要通过电动机、驱动器、反馈装置、运动控制器、主控制器来实现u j 。 典型的现代运动控制系统的硬件主要由上位机、运动控制器、功率驱动装置、电动 机、执行机构和传感器反馈检测装置等部分组成。主要构架如图卜1 。 图卜1 运动控制系统 f i g u r e l 一1m o t i o nc o n t r o ls y s t e m 其中的运动控制器是指以中央逻辑控制单元为核心，以传感器为信号敏感元件，以 电机或动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。它的主要任务是根据运动控制 的要求和传感器件的信号进行必要的逻辑、数学运算，为电机或其它动力和执行装置提 供正确的控制信号。 在机电一体化技术迅速发展的同时，运动控制技术作为核心部分，也得到了前所未 有的发展，在军事国防、工业生产、消费生活等众多领域有着及其广泛的应用。总之， 只要存在对运动机构进行精确控制的任务，就离不开运动控制系统，运动控制技术得到 了各个国家的重视，已成为一个专门的技术领域。 太原理工大学硕士研究生学位论文 l 。薹，2 运动控制器发晨瑗状嘲潍 目前嗣外已经有很多著名的大公司开发出了功缝多样的开放式运动控铡卡，国内针 对运动控制器的研究起步较晚，主要是高校或科研院所为自己设计的基于p c 的数控系 统酶运动控涮卡。但是近年来，随着运动控制技术的发展迅速，运动控割器作为一个独 立的工业自动化控制类产品，已经被越来越多的产业领域接受，并且它已经达到一个引 入瞩目的市场规模： 差、美篱p m a c 运动控制卡，每个卡霹控制多达3 2 个镪鼹辘，链接可达薹6 块摄( 量勰 轴 ；有i s a 、v m e 、p c i 0 4 、p c i 等总线接蹬方式；可控割的毫枫类型裔交流饲服电 机、直流电机( 有刷、无刷、童线) 、交流异步电机、步进电机；可基于p c 桃工作， 也可以独立工作。髫蓠应用非常广泛。 ， 2 、英国b a l d o r 运动控制卡，以其简单宣用、功能强大深受用户好评，已广泛应 用于激光雕刻、数控机床、包装机械、半导体制造等相关领域。 3 、嚣本n o v a 电子有限公司研隶麴d s p 运动控制专耀芯片m c x 3 1 4 ，是个震予 实现4 轴运动控制的集成电路。通过这个集成电路可双由步进电机驱动器或由脉冲型伺 服电机驱动熊4 轴的位置、速度和捶补。 4 、长沙力鼎科技有限公司m c 系列3 轴模拟瞧压控割、编妈器反馕型运动控制器， 4 轴反馈可选脉冲输出型运动控制器。 5 、哈尔滨工业大学博实精密测控公司生产的m a c 系列运动控制卡，是款基于 i s a 总线的镯服电秘步进电机通雳运动卡，该卡采用专用运动控制芯片，内部霹完成s 形、梯形速度曲线规划来实现自动加减速功能；最高脉冲输出频率可达2 4 m h z ；具有 差动或单端编褥器反馈信号接翻；能利用零位开关、减速开关及编码器z 相信号实现高 速矗精度原点遨銎操律。 高速藏精度运动控制怒数控技术的关键技术之一，纵观这些年来我国数控技术的发 展进程，尽管取得了不少成绩，但与豳外发展的速度秘水平相比，差距还是缀大救。 1 2 嵌入式系统 1 2 薹嵌入式系统摄述转】嬲 嵌入式技术的出现给现代工业数控技术带来了次新的技术革命。嵌入式技术的快 速发展不仅使之成为当前徽电子技术与计算机技术中的一个重要分支，同时也健计算机 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 的分类从以前的巨型机、大型机、小型机、微机之分变为通用计算机与嵌入式计算机系 统之分。嵌入式计算机系统，或简称为嵌入式系统，是作为其它系统的组成部分而使用。 广义地说，个嵌入式系统是一个具有一个特定功能或用途的计算机软、硬件的集合体。 因此嵌入式系统可分为硬件部分和软件部分，而相应的嵌入式技术也可分为嵌入式硬件 技术与嵌入式软件技术两部分。嵌入式系统地最高形式片上系统( s o t ) 将是这些 技术的集大成者。而狭义的嵌入式系统则仅指装入另一设备并控制该设备得专用计算机 系统，包括目标机与宿主机两部分。 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系 统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。它是先进的计算 机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定 了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。其主要特 点为： l 、嵌入式系统面向用户、面向产品、面向应用，其处理器各方面均受到应用要求 的制约。 2 、系统内核小、功耗低、实时性好。 3 、系统软硬件结合度高。 4 、具有多种通讯接口。 5 、嵌入式系统的软件一般具有较长生命周期。 6 、嵌入式处理器的发展也体现出稳定性。 由嵌入式系统最明显的优势就是可以嵌入到任何微型或小型仪器、设备中。目前， 嵌入式系统在应用数量上远远超过了各种通用计算机系统。 1 2 2 嵌入式系统的特点【6 1 嵌入式系统同p c 系统相比有以下特点： 1 、功耗低、体积小、专用性强。嵌入式本身就是为特定的用户或特定的功能量身 定做的，所以它能把p c 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式 系统设计趋于小型化。 2 、为了提高速度和系统可靠性，嵌入式系统的软件一般都固化在存储器芯片中， 而不是存储于磁盘等载体中。 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 、可靠性高。嵌入式系统对软传代娲的要求很高，应尽最大可能避免“死机”的 发生，因为“死机很可能导致系统的崩溃或造成严重后果。 1 3 课题概貌 1 3 1 课题研究的意义 s m t ( s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y 表面贴装技术) 是随i - i 技术和i c 的微型化而发展起 来的，以运动控制为核心的p c b 装配技术，其特点是高密度、高精度、微型化，是光 机电一体化最尖端的应用领域，也是投术发展的基础，广泛应用于计算机主板、手 机、数码相机、数字忧装置、p l c 、交频器等尖端产品嚣p c b 装配工亭。随着电子产 品是微型化、便携式、网络化和多媒体方向迅速发展，s m t 在电子工韭中正 l 譬到越来 越广泛的应用，并且在许多领域部分或全部取代了传统电子装配技术，s m t 的出现使 传统电子装配技术发生了根本的、革命性的变掣7 1 。 然而，我国目前几乎没有商品化的贴片机产品，国内需要的贴片机全部依赖进口。 不仅整个设备价格高，而且维修也不方便。本课题研究的贴片机将片式器件( c h i p ，如： 电阻，电容等) 和片式芯片o c ，如：门电路，c p u 等) ，准确地姑装在p c b 板上，以满 足一般中小型企业生产需求。 1 3 2 课题研究的内容 本课题主要由以下几个部分构成： 1 建立贴片机的运动控制模型。 2 基于a r m 运动控制系统的设计，以a r m 为核心建立运动控制的硬件平台，并 利用运动控制芯片m c x 3 1 4 来控制电机，通过输出不同频率的脉冲来实现电机速度和 位置控制及多轴联动功能。 3 ，设计工控p c 机和运动控制器之闯的通讯。 4 软件模块化设计。 在课题中，我们通过运动控制系统来实现电机的位置控制，首先通过通讯单元将上 位机给定的位置指令传送到a r m 处理单元，然后根据要求驱动电机运动，光电编码器 随时将电机的运行状况反馈到正交编码电路，在正交编码单元中，计算出电机的位置、 4 太原理工大学硕士研究生学谴论文 速度和方向，并将其状态反馈到a r m 处理单元进行比较，髯次循环，童至到达预定位 置，才停止运动。 本文采用先总后分的方式，分绍了基于a r m 的贴片机控制系统的研制过程，并主 要针对运动控制部分进行了详细介绍，并对其中的些关键性问题进行了阐述。 第章：概述 第二章：基于a r m 的贴片机运动控制系统的总体方案设计 第三章：步迸电机的组成及工作原理 第蹬章：黉占片机运动控制系统的硬件设计。在本章中，对曩占片机的运动控制系统的 各功能模块和驱动控制电路进行了设计。 第五章：系统的软件设计。在本章中，软件设计工作分为上位机软件和下位机软件 两个部分。上位机软件基于面向对象的设计思想，使用c + + 编程实现。下位机软件使用 a r m 公司推出的a r m 集成开发工具a d s 。 第六章：调试结果。 第七章：结论。对全文进行总结。 太原理工大学颂士研究生学位论文 第二章贴片机运动控制系统总体方案设计 2 。1 运动控制器构成方案比较 步进和伺服运动控制器可以有以下几种实现方案： 8 1 1 9 1 熏基予影董6 位徽处理器麴运动控制器 以单片枫域微处理器作秀核心i c 的控制器，这类控制器运行速度较慢，精度不 商，残本相对较低，主要应晨予单轴运动控制或只需要低速点位运动控制帮对辘迹要 求不高的轮廓运动控制场合。这类控捌器还可簸和功簸较单一酶专用运动控制重c ，翔 l m 2 9 0 - 2 9 2 、l m 6 2 8 、h c p l l1 0 0 相结合实现运动控制。 ( 2 ) 基于p l c 的运动控制器 充分发挥了p l c 的可编程控制器的特点，广大技术人员易于熟悉和掌握，硬件功 能组态方便，使用灵活，技术成熟可靠性高。高档p l c 能管理多达5 0 0 0 点的i o ， 有大量运算指令，丽且有穰高的指令执行速度，并篮有先进的通信接口，隧满足不需 要捶李 酶多辘运动接剩系统的控制要求。秀了实现多辘位置控制，模撅量输入、输毒， 数字量i o ，p l c 都有其相应功能的模块供组态。各模块插入p l c 的基板插槽中，杰 c p u 单元进行控制。p c 通过通信接隧与p l c 通信，实现对p l c 的监控。但它主要 适合单轴或不需要插补的多轴运动控制的系统。 ( 3 ) 基于p c 总线的运动控制器 p c 业的巨大进步、普及穰发展是开放式体系架构带来的必然续聚；这释开放的体 系又为p c 携广泛应用带来软、硬件方面麴资源优势，摆脱专用封闭式控制系统的束 缚和不便。 基于p c 总线的控制器缢d s p 鞠f p g a 作茭核心处理器，班p c 桃传隽信息处理、 人机交互和联网通信平螽，运动控制器良插卡形式嵌入p c 规，鄹“p c + 运动控制器 的模式1 0 1 。将p c 的高效数据处理能力、友好的人机交互、强大的联网通信功能和开 放式舱特点与d s p 的高速数据处理功麓、f p g a 的超强逻辑处理能力有机地融合在一 起，可以实现更加高级的控制算法、运动规划、实甜插补算法、伺服滤波控制、误差 6 太覆莲工大学颈圭研究生学位论文 补偿和更复杂的运动学、动力学计算，使控制系统更加高速、平稳、高精度和智能化 【l l 】 o 这类控制器提供开放的函数库供用户根据特定的需求，在d o s 或w 玳d s 等 平台下开发应用软件，组成所需的控制系统。如美国d e l t at a u 公司的推出的基于 i s a v m e p c i 总线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 啦控制器，深圳摩信推出 的m c t 8 0 0 0 系列运动控制器，深圳豳高公司的g t g h 系列控制器。目前这种运动控 制器是市场上的主流产品。 基于p c 总线的运动控制器附予p c 体系结构，且体积大，若软件运行予w i n d o w s 环境下，控制系统的实时性难以保证。 ( 4 ) 软件型运动控制器 软件( s o f t ) 型运动控制器，它提供给用户最大的灵活性，它的运动控制软件全部装 在p c 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内核，开 发所需的控制功能，构成各种类型的高性能运动控制系统，从爱提供给用户更多的选 择和灵活性。基于s o f t 型开放式运动控制器开发的典型产品有美国m d s i 公司的o p e n c n c 、德国p a ( p o w c ra u t o m a t i o n ) 公司的p a 8 0 0 0 n t 。s o f t 型开放式运动控制的特点 是开发、制造成本相对较低，能够给予系统集成裔和开发商更加个性纯的开发平台。 ( 5 ) 嵌入式运动控制器 该运动控制器是把计算机( 如p c 。1 0 4 计算机) 嵌入到运动控僚器中的一种产品，它 能够独立( s t a n d a l o n e ) 运行。它与计算机之闻的通信依然是靠计算机总线，实质上是 基于总线结构的运动控制器的一种变种。对于标准总线的计算机模块，这种产品采用 了更加可靠的总线连接方式( 采用针式连接器) ，更加适合工业应用。在使用中，采用如 工业以太嬲、r s 4 8 5 、s e r c o s 、p r o f i b u s 等现场网络通信接团联接上级计算视或 控制面板。嵌入式的运动控制器也可配置固态盘和硬盘驱动器，甚至可以通过i n t e m e t 进行远程诊断。嵌入式运动控制器既提高了整个系统的可靠性，系统更加简洁和高度 集成化戮。如d e l t at a u 公司的推浅的p m a c 一1 0 4 运动控割器。 ( 6 ) 基于专用a s i c 的运动控制器 随着微电子技术和微处理器技术的发展，可以把实现电机控制所需的主要功能集 成在一块集成电路，提供外部总线接蹬，对英进行操作。有单轴控翩的大规模薹c ，翔 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 l m 6 2 8 l m 6 2 9 ；瞧有一些公司推出了集成度高、功熊强大的多轴联动运动控制集蠢 端的a s i c 芯片，如n o v a 的4 轴运动控铡芯片m c x 3 1 4 ，p m d 公司的4 轴运动控 制芯片d k 2 1 4 0 ，2 3 4 0 彪4 4 0 陀5 4 0 ，2 5 4 拢8 4 2 。 从前面凡穗可能的方案可以看出采用d s p 和f p g a 褥建通用运动控制器代表了技 术发展的方向和市场走向。如d e l t at a u 的运动控制器采用m o t o r o l a 的 d s p 5 6 0 0 1 5 6 3 0 3 芯片，深圳固高公司选用美国a n a l o gd e v i c e 的a d s p 2 1 8 1 芯片，深 爹| | 摩蔷公司选爰飘公霹的d s p 芯片。 ” 随著运动控制技术发展的进一步深入和市场竞争的加测，些公司结合熟铁事运 动控制的专业经验推如功能强大的专用运动控制芯片( 既有单轴控制的，也臻多轴联 动控制的专用芯片) ，典型麴有日本n o v a 公司擢患的多轴联动控制m c x 系列芯片 ( 如m c x 3 1 4 ) 和美国p m d 公司推出的运动控制芯片( 如d k 2 1 4 0 2 3 4 0 2 8 4 2 等) 。 它们的共同特点是高速、高精度、功虢强大，一块i c ( 集成电路) 几乎涵盖了运动控 制薛基本功能，具备d s p 和f p g a 组含酶性畿。麴m c x 3 1 4 对控镧命令酌解桥速度 缀快，为1 2 5 n s ；各辘独立控制时输出脉冲速率可达4 m p p s ，连续插补输出最高速率 达到2 m p p s ；该憋也矮备编码器信号反馈接e l t 搀】 蠢觉，本文选曩专用运动控剿d s p 集戚电路来构建运动控制器，它既结合d s p 高速数据处理特性，又发挥了专用a s i c 电路的技术优势。由于在功能类似的集成电 路中m c x 3 1 4 具备使用方便和性熊价格比高的优势，故选用m c x 3 1 4 作为运动控制 器的核心i c 。 专用l c 必须要向其发送命令，才能产生控制效果。发送命令这一任务谢由微处 理器来实现1 4 1 。徽处理器静类繁多霄8 1 6 3 2 位，精篱指令r i s c 私复杂指令c i s c 之 分，焉且体系结稳各异，片蠹封装豹摸块功笺各异。壶予运动控毒l 酶实时性要求嵩， 而且很多应用通常要求运动控制器具备通信、数学运算、任务觏划功能，甚至要求有 较好的人机接口。8 1 6 位低端徽控器难以胜任这些需求，而且由于技术的快速进步， 8 1 6 位微处理器相对于某些3 2 位徽处理器的价格优势并不鳃显l l 娜。因丽选用3 2 位 a r m 微控器作为与专用运动控制器i c 的控制接豳芯片。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 总体设计方案 贴片机运动控制系统的工作原理：首先，p c 机向运动控制器发送个指令，在经 过a r m 处理后，a r m 处理器根据指令，向m c x 3 1 4 的寄存器写入相应的命令， m c x 3 1 4 输出特定频率规定数量的脉冲来控制电机的运动，并随时根据光电编码器反 馈的信息进行调整，直到电机达到预定位置为止。贴片机系统的硬件框图，如图2 _ 羔 所示。 图2 - 1 贴砖机系统的硬件框图 f i g u r e 2 1t h em o u n t e rs y s t e m sh a r d w a r e 在运动控制系统中，a r m 作为主处理器，负责任务的管理、数据接收及处理、 数控指令编译、输入输出、控制外部设备等；d s p 作为从处理器，负责快速的实时插 补运算，并发出脉冲控制电机以进行高速运动。 2 3 运动控制系统 2 3 。la r m 处理器h 6 1 。 a r m 具有性能高、成本低和功耗低的特点，适用于多_ j f 申领域，比如嵌入式控制、 消费、教育类多媒体、d s p 和移动式应用等。与其它的处理器芯片相比，a r m 处理 器的一个显而易见的好处是成本上的优势。由于a r m 处理嚣将一些接口电路和功能 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 模块集成在c p u 芯片上，因此在价格上往往是很合算的，a r m 架构就是蘧自低预算 市场设计的一款r i s c 微处理器。 a r m 处理器是整个运动控制系统的核心。a r m 主控制芯片的高性能可以增强系 统的稳定性、霹靠性，使系统功能更加强大。本系统选用的是三星公司的s 3 c 4 4 b o x 芯片作为主控制器。 s 3 c 4 4 b o x 是一款采用a r m 技术的商性价比和嵩性能的1 6 3 2 位r i s c 处理器。 它采用了a r m 7 t d m i 凑核，0 2 5 u r n 工艺的c m o s 标准宏单元朝荐耧编译器。它嚣 低功耗精简和出色的全静态设计特别适合用于对成本和功耗敏感的瘴用。 s 3 c 4 4 b o x 的杰出特性是它的c p u 核，它是由a r m 公司设计的1 6 3 2 位 a r m 7 t d m lr i s c 处理器( 6 6 m h z ) 。a r m 7 t d m i 体系结构麴特点是它集成了t h u m b 代码压缩器，片上的i c e 断点调试支持，和一个3 2 位的硬件乘法器。 驾2 - 2s 3 c 4 4 8 0 x 悫部结构臻 f i g u r e 2 - 2s 3 c 4 4 b o xi n t e m a ls t r u c t u r e 1 0 太缀理工大学硕士研究生学位论文 s 3 c 4 4 b o x 提供了丰富的内置部件，包括：8 k bc a c h e ，内部s r a m ，l c d 控制 器，带自动握手的2 通道u a r t ，4 通道d m a ，系统管理器( 片选逻辑，h 僵) 愿p 蒯 控制器) ，7 1 个通用i o 端口，5 通道p w m 定时器及一个内部定时器，8 个外部中断 源，r t c ，8 通道l o 位a d c ，i i c b u s 接口，同步s i o 接口和p l l 倍频器。 s 3 c 4 4 b o x 通过提供全面的、通用的片上外设，大大减少了系统电路中除处理器 以外的元器件配置，从而最小化系统的成本，适用子工业控制，而且s 3 c 4 4 b o x 价格 也便宜。由于s 3 c a 4 b o x 的这些特点，所以选择其作为本控制器的核心处理芯片，它 的内部结构图如图2 2 所示。 2 3 。2 运动控制芯片 运动控制芯片已经在数控机床、电脑雕刻机、工业机器人、医用设备、自动仓库、 绕线机、绘图仪、点胶机、i c 电路制造设备、芯片装片机、i c 电路板等领域进行了 实际运用，已经取得了非常好的效果，并正在拓展新的运用领域。 本系统采用的运动控制芯片为日本n o v a 公司的m c x 3 1 4 。m c x 3 1 4 是一款能够 同时控制4 个伺服马达或步进马达的专用d s p 运动控制芯片。它以脉冲串形式输出， 能对伺服马达和步进马达进行位置控制、插季 驱动、速度控制等好】。圈2 - 3 为m c x 3 1 4 功能方框图。 m c x 3 1 4 的主要功能为： ( 1 ) 独立4 轴驱动 一个芯片可以分别控制4 个马达驱动轴的运动。每个轴都可以进行定速驱动、直 线加缅速驱动、s 曲线n 减速驱动等。4 轴的性能相同。 犯) 速度控制 输出的驱动速度范围是从1 p p s 到4 m p p s 。可以运行固定速度驱动、宣线a n 减速 驱动、s 曲线加缄速驱动。a n 减速驱动可以使用自动和手动2 种操作方法。脉冲输 出的频率精确度小于0 1 ( 在c l k = 1 6 m h z 时) 驱动脉冲输出的速度可以在驱动中自 由变更。 ( 3 ) s 曲线a n 减速驱动 每个轴可以用s 曲线进行a n 减速设定，使用s 曲线命令还可以对抛物线a n 减速 驱动输出脉冲进行设定。 太原理王大学硕士研究生学位论文 圈2 - 3m c x 3 1 4 功能方框图1 司 f i g u r e 2 - 3m c x 3 1 4f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a m ( 4 ) 2 轴，3 轴直线插补 可以选择4 轴中的钰肖2 个或3 个轴进行2 辅络轴的直线插补驱动。插补坐标范 围是从当前位置到- 8 3 8 8 6 0 7 - + 8 3 8 8 6 0 7 之间。在整个指定的直线插补范围内，插补精 度是0 5 l s b ，插补速度范围是从i p p s 至4 m p p s 。 ( 5 ) 圆弧插替 可以选择任何2 个轴进行圆弧插补驱动。插补坐标范围是从当前位置到 - 8 3 8 8 6 0 8 一+ 8 3 8 8 鲫之间。在整个指定的圆弧曲线插补范围内，插补精度是0 5 l s b ， 插李 速度范围是从1 p p s 至瓣s 。 ( 6 ) 2 轴，3 轴位模式插补 1 2 燃鼯 瑚m 磁怕 嘴龄 太原理工大学硕士研究生学位论文 收到在高位c p u 上计算的位模式插补数据后，可以用指定的驱动速度连续输出插 补脉冲，用这种方式可以产生任何插李 、曲线。 7 ) 连续插补 直线插於圆弧插补一直线插补这样可以不停地运行每个插补节点的插补驱 动，连续插补的最大驱动速度是2 m h z 。 ( 8 ) 固定线速度控制 这是一种在插补驱动中保持插补轴合成速度的功能。2 轴同时输出脉冲时，第2 轴可以设定为1 4 1 4 倍脉冲周期，3 轴同时输漱脉冲时，第3 轴可以设定为1 7 3 2 倍脉 冲周期。 ( 9 ) 位置控制 每轴都有2 个3 2 位位置计数器，一个是在芯片内部管理驱动脉冲输出的逻辑位置 计算器。另一个是管理从外部编码器来的脉冲的实际位置计数器。 ( 1 0 ) 比较寄存器和软件限制功能 每轴都有2 个3 2 位比较寄存器，用于逻辑位置计数器或者实际位置计数器的位置 大小磁较。在驱动时，可以从状态寄存器读出比较寄存器和逻辑，实际位置计数器之 间的大小关系。大小关系有变化时，可产生中断。并且，可以启动这2 个比较寄存器 作为软件限位。 ( 1 1 ) 由外部信号驱动 每个轴都可以用外部信号进行+ ，方向运行的定量驱动和连续驱动。这功能使各轴 在手动操作时，可以减轻c p u 的负担，并且可以顺利运行。 2 。4 电毒几驱动电路设计方案 2 4 1 驱动控制电路 虽然步进电视是一种数控元件，易于同数字电路接因。假是，一般数字电路的信 号能量远远不足以驱动步进电机，必须有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电机。 因此，在运动控制系统中，驱动电路占有极其重要的地位1 9 】。 电机驱动电路的主要构成如图2 4 ，一般由环形分配器、信号处理级、推动级、 驱动级和保护电路捌。 太原理工大学硕士研究生学位论文 零2 - 4 驱动电路搀成 f i g u r e 2 - 4d r i v e rc i r c u i t 环形分配器用来接受来自运动控制器的脉冲，并按步进电机状态转换表要求的状 态顺序产生各相导通或截止的信号。环形分配器每接收一个脉冲，进行一次输出转换。 因诧，步进电机转速韵高低、升速或降速、启动或停止都完全取决予脉冲的有无或频 率。同时，环形分配器还接收运动控制器的方向信号，双两决定其输蹬魏状态是按正 序或按反序转换，于是就决定了电瓿的转是。 从环彤分配器输燃的各摆导通或截止的信号送入信号放大处理级。信号放大的作 用是将环分输出信号加以放大，变成足够大的信号送入推动级，这中闻一般既需要电 压放大，也需要电流放大。信号处理是实现信号的某姥转换、合成等功能，产生斩波、 抑制等特殊功能信号，从而产生特殊功能的驱动。 推动缀的作用是将较小豹信号加以放大，变成足以推动驱动级输入的较大信号。 裸护级麓作用是保护驱动缓鹩安全。般可根据需要设置过奄流保护、过热保护、 过压保护、欠压保护等1 2 l l 。 2 4 - 2 功率驱动芯片 在驱动电路中，最主要的部分是功率模块，约占驱动电路整体成本的6 0 。同时， 由于功率模块固有的特性，过载能力较差，如果出现过流、过愿、特别是短路故障， 若不及时保护，往往在十凡微秒内就会造成永久性损坏。通常使用的g t o 、g t r 、i g b t 垂身没有保护熊力，需要遁过外部豁保护电路进行检测保护，丽一般检测袁流侧靛毫 压电流状况，不可糍检测每个功率器件熬较嚣，因此这种徐护方式往往会产生误动律 或儇护不及时凇1 。 i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e s 智能功率模块) 中的每个功率元件都有各自独立的驱 动电路和多种保护电路，能够提供过流保护( o c ) 、短路保护( s c ) 、欠压保护( u v ) 和过热 保护( 0 7 3 4 种保护功能。旦发生负载事故或使用不当异常等情况，模块内部甚口以最快 静速度遂行保护，弼时将保护信号送给外部c p u 进行第二次傈护，这种多重保护措施， 1 4 太原理工大学硕士霹究生学位论文 保证p m 自身不受损坏。与i g b t 模块相比，可靠性显著提高，而且口m 内部封