（机械电子工程专业论文）开放式高速运动控制器的研究.pdf

摘要 y6 8 0 1 0 7 运动控制器是运动控制系统的核心，有着j 一泛的应用。当前市场上的基于p c 的运动控制器多是运动控制嵌入型，需要插入计算机的p c i 或者i s a 插槽，因 此难以独立运行和小型化。针对这些问题，本论文的主要目标是设计一种既可以 独立运行，又可以受计算机控制，具有一定的柔性和开放性的运动控制器。 论文共分为九章： 第一牵介绍了运动控制技术的现状，阐述了课题的由来和研究意义，荠讨论 了研究的内容和目标。 第二章论述了运动控制器硬件系统设计，详细说明了各主要电路模块的实 现。 第三章论述了运动控制器参数管理和触摸屏软件设计。 第四章介绍运动控制中的轮廓控制和加减速控制，详细推导解耦递归圆弧插 补算法、直线和三阶样条曲线加减速算法。 第五章针对e z u s b 芯片设计u s b 固件程序。 第六章描述了用d r i v e r s t u d i o 开发该运动控制器的u s b 设备驱动程序。 第七章介绍了上位机中的动态链接库设计和应用程序设计。 第八章对两轴步进平台和两轴伺服平台上的试验结果进行了分析。 第九章对全文进行了简明的总结，并对该领域在未来的研究做了展望。 总之，本课题在理论和实践上均取得了一定的突破。在理论上，独特的触摸 屏界面管理程序的设计，按照不同阶段的不同设计任务进行分层，将设计难点分 散，对于不同的触摸屏应用有较强的适应性，简化并加快了触摸屏应用程序的开 发，可以方便的进行功能扩展；在应用上，结合d s p 、f p g a 、d d s 和u s b 技 术，采用主控极和i o 板分离的硬件结构，取得了很好的效果。 关键倒：数字信号处理器，触摸屏通信，界面管理，运动控制 a b s t r a c t t h em o t i o nc o n t r o l i e ri st h ek e yo fm o t i o nc o n t r o ls y s t e ma n dh a sg o a e nt h e e x t e n s i v ea p p l i c a t i o n c u r r e n t l ym o s to fp c b a s e dm o t i o nc o n t r o l l e r so nt h em a r k e t a r ee m b e d d e d ，w h i c hn e e db ei n s t a l l e di np c io ri s as l o ti nt h eh o s tc o m p u t e r , s o t h e s ec o n t r o l l e r sd e p e n do nc o m p u t e r s t h ec o n t r o ls y s t e m su s e dt h e s ec o n t r o l l e r sa r e t o ob i gt of u l f i l ls o m ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s f o rr e s o l v i n gt h e s ep r o b l e m s ，t h e m a i nt a r g e to ft h i st h e s i si st od e s i g naf l e x i b l ea n do p e nm o t i o nc o n t r o l l e r ，w h i c hc a n w o r ki ns t a n d a l o n em o d eo rc o m p u t e rm o d e t h e r ea r en i n ec h a p t e r si n 恤i st h e s i s t h ef i r s tc h a p t e rd i s c u s s e s 血ec u r r e n tp o s i t i o no fm o t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g ya n d t h i ss t u d y sr e a s o na n di t sr e s e a r c hs i g n i f i c a n c e f u r t h e r m o r e e x p l a i n st h ec o n t e n t s a n dr e s e a r c ho b j e c t i v e t h es e c o n dc h a p t e re x p a t i a t e s 血eh a r d w a r es y s t e md e s i g no ft h ec o n t r o l l e ra n dt h e r e a l i z a t i o no fi t sm a i nc i r c u i tm o d u l e s t h et h i r dc h a p t e re x p o u n d st h ep a r a m e t e rm a n a g e m e n ta n dt h es o f t w a r ed e s i g no f t o u c hp a n e l i nt h i sm o t i o nc o n t r o l l e r , t h ef o r t hc h a p t e rd i s c u s s e st h ep r o f i l ec o n f r o la n da c c e l e r a t e d e c e l e r a t ec o n t r 0 1i n m o t i o nc o n t r 0 1 t h e ni tw a sd e t a i l e dt od e d u c et h ed e c o u p l i n gr e c u r s i v ea r c i n t e r p o l a t i o na r i t h m e t i c ，t h el i n e a ra n dc u b i cs p l i n ea c c e l e r a t e d e c e l e r a t ec o n t r o l l a w t h ef i f t hc h a p t e rd e s c r i b e s 也ed e s i g no f u s bf i r m w a r ef o re z u s bc h i p t h es i x t hc h a p t e rd i s c u s s e st h eu s bw d md e v i c ed r i v e rp r o g r a md e s i g nu s i n g d r i v e r s t u d i o t h es e v e n t hc h a p t e rd e s c r i b e st h ed e s i g no fd l l ( d y n a m i cl i n kl i b r a r y ) p r o g r a m a n da p p l i c a t i o np r o g r a m t h ee i g h t hc h a p t e rd e s c r i b e sa n da n a l y z e st h er e s u l to ft e s ti n2 - a x i s s t e p p e r t e s t b e da n d2 一a x i ss e r v ot e s t b e d t h el a s tc h a p t e rg i v e sas u c c i n c ts t a t e m e n tt ot h ew h o l et h e s i sa n dp r o s p e c t sf o rt h e f u t u r ei nt h i sf i e l d a n y w a y , p r e s e n ts t u d ya c q u i r e sc e r t a i nb r e a k t h r o u g hi nb o t ht h e o r ya n dp r a c t i c e i n t h e o r y , i tg i v e st h ei d e ao fr e a l i z i n gt h et o u c hp a n e lc o m m u n i c a t i o na n di n t e r f a c e m a n a g e m e n t i np r a c t i c e ah a r d w a r ec i r c u i td e s i g nc o m b i n e dw i t hd s p 、f p g a 、 d d s 、u s ba n dt h eh a r d w a r es t r u c t u r ed e s i g no fs e p a r a t i n gi 0b o a r df r o mm a i n c o n t r o lb o a r di sw e i la c h i e v e da n dr e a c h e dt h ed e s i g ns t a n d a r do f p r o d u c t1 e v e l k e yw o r d s ：d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , t o u c hp a n e lc o m m u n i c a t i o n ，i n t e r f a c e m a n a g e m e n t ，m o t i o nc o n t r o 图片索引 图1 1m c 嵌入型c m c 3 图l 一2p c 连接型c m c 3 图1 3 全软件型c m c ，4 图1 4 技术方案5 图2 1 运动控制器接口7 图2 2 运动控制器硬件结构9 图2 3 运动控制器硬件平台实物1 0 图2 4 运动控制器主控板实物】0 阁2 5d s p 电路1 l 图2 - 6 存储器电路1 2 图2 7 串口电平转换电路l2 图2 - 8 串口电路1 3 图2 9 d d s 电路13 图2 1 0u s b 电路1 4 图2 - 1iu s b 总线控制电路，1 6 图2 1 2 电源模块1 6 图2 1 3f p g a 器件接口1 8 图2 1 4f p g a 实现的功能1 8 图2 1 5 控制脉冲管理模块简要结构1 9 图2 一1 6 位置计数、捕获和自动关断r t l 原理图2 0 图2 1 7 位置计数、捕获和自动关断功能的m o d e l s i m 仿真2 1 图2 - 18u s b 管理模块结构2 2 图2 1 9 u s b 管理模块r t l 原理图2 4 图2 2 0i o 管理模块接口2 5 图2 - 2 1 中断管理模块接口2 6 图2 2 2 总线管理模块接口2 7 圈3 - 1 运动控制器项层数据流模犁，2 8 图3 2e e p r o m 中的数据映像3 1 图3 3 触摸屏软件系统分层结构3 3 图3 4 触摸屏通信模块数据流程，3 4 劁3 - 5 触摸屏通信主要程序流程3 5 图3 - 6 改进后的触摸屏软件系统分层结构3 6 图3 7 改进后的触摸屏详细数据流模型3 7 图3 - 8 触摸屏t p s c r e e n 结构3 7 图3 - 9 血! 摸屏界面表3 8 圈3 - 1 0 触摸屏数据帧分发 3 8 图3 一i f 触摸屏界面管理消息分发3 9 图4 1 侧弧插补一一一 4 1 斟4 2i l 线加减速曲线，4 3 矧4 - 3 九线加减速曲线离散化4 5 倒4 - 4 甑线加减速控制速度调整类型i 图4 5 直线加减速控制速度调整类型i i 图4 - 6 直线加减速控制速度调整类型i i i 图4 7 直线加减速控制速度调整类型i v 图4 8 三阶样条加减速曲线离散化 图4 9 三阶样条加减速曲线m a t l a b 仿真 图4 1 0 三阶样条曲线加减速控制速度调整类型i 图5 1u s b 消息格式一 图5 - 2u s b 圆件主程序流程一 图5 3u s b 输出端点2 服务例程 图5 4u s b 输出端点4 服务例程 图5 - 5u s b 输入端点4 服务例程 图5 - 6u s b 输入端点6 服务例程和输入端点2 服务例程 图5 7u s b 固件测试程序- - e z u s b 控制面板 图6 一lu s bh o s t 驱动程序结构 图6 2u s b 驱动程序的数据流程图一 图6 3 在w i n d o w s 系统程序的运行模式层次图一 图6 4u s b 调用过程 图7 i 设备参数类型选择对话框 图7 2 系统参数设置对话框 图7 3 绕线参数设置对话框 图7 - 4 设备设置报表 图7 5 监控参数设置对话框 图7 - 6 调试对话框 图8 11 0 k h z 和1 0 0 k h z 指令脉冲实际输出 图8 - 25 0 0 k h z 和1 m h z 指令脉冲实际输出 图8 32 m h z 和5 m h z 指令脉冲实际输出 图8 _ 4 两轴步进平台 图8 5 两轴步进平台实物 图8 - 6 步进电机转矩转速特性一 图8 7p m a c m g r 记录的x y 合成轨迹 图8 _ 8 两轴步进平台直线运动合成轨迹 图8 - 9 两轴步进平台直线运动位置曲线 图8 1 0 两轴步进平台直线运动斜率曲线一 图8 1 1 阿轴步进平台直线运动轨迹偏差 图8 1 2 两轴步进平台圆弧运动合成轨迹一 图8 1 3 两轴步进平台圆弧运动位置曲线 图8 1 4 两轴步进平台圆弧运动相对圆心的斜率曲线 图8 - 15 两轴步进平台圆弧运动半径曲线 图8 1 6p a n a s o n i c 交流伺服驱动器和伺服电机 图8 1 7p a n a s o n i c 交流伺服驱动器主回路接线 图8 18p a n a s o n i c 交流伺服驱动器与相对编码器接线 劁8 1 9p a n a s o n i c 交流伺服驱动器c n1 f 接线 图8 2 0 两轴伺服平台直线运动位置曲线 4 7 ，4 8 4 9 ，4 9 5 3 5 4 5 6 5 9 6 2 6 3 ，6 4 6 5 6 6 ，6 6 6 7 6 8 6 9 7 1 7 6 7 6 7 7 7 7 ，7 8 ，7 8 7 9 8 0 ，8 0 8 1 8 1 8 2 8 2 ，8 3 8 3 8 4 8 4 8 5 8 5 8 6 ，8 6 8 7 8 8 8 8 8 9 9 1 图8 2 1 两轴倒服平台直线运动合成轨迹 图8 2 2 两轴步进平台直线运动斜率曲线 图8 2 3 两轴伺服平台直线运动轨迹偏差 图8 2 4 两轴伺服平台圆弧运动合成轨迹 图8 2 5 两轴伺服平台圆弧运动位置曲线一 图8 2 6 两轴伺服平台圆弧运动相对圆心的斜率曲线一 图8 2 7 两轴伺服平台圆弧运动半径曲线 图8 2 8 螺旋运动轨迹 9 1 9 2 9 2 9 3 9 3 9 4 ，9 4 9 5 表格索引 表2 一l 运动控制器轴参数要求 表2 2 运动控制器其它系统参数要求一 表2 3 系统支持的g 代码 表2 4 系统支持的m 代码 表2 5f p g a 上连接的i ，o 端口 表3 一1 1 2 c 总线操作函数 表3 - 2p w s 通信请求帧 表3 3p w s 通信正确应答帧 表3 4p w s 通信出错应答帧 表5 一lu s b 端点配置 表5 2u s b 消息格式说明 表5 3u s b 消息封套格式说明 表5 4u s b 消息i d 类型 表7 一lp 4 a c w i n d s e r v e r 动态链接库接口a p i 表8 1 两轴步进平台系统参数 表8 2 伺服驱动器接口 表8 3 伺服驱动器位置控制参数设置 ，8 8 8 9 1 7 3 0 3 2 3 2 3 2 5 8 5 9 5 9 6 1 7 3 8 2 8 9 9 0 浙旺大学硕士学位论文 一、概论 第一章绪论 第一节运动控制器概论及发展 在早期的机械中，对于位置和速度的控制多由精细昂贵而制造耗时费力的机 构，比如蜗轮蜗杆、凸轮、齿轮、滑块等构成。后来液( 气) 压缸，电螺线管， 活塞等也逐渐应用到运动控制器中，在纺织机械、卷扬机、机床等设备中都有大 量的应用。 随着机械工业的发展，越来越需要系统完成复杂的轨迹和动作，同时希望在 完成这些动作或者操作时有很高的重复度、一致性、精度等要求。这这些要求下， 随着电力、电子技术特别是随着计算机技术、信息技术的兴起，促进了运动控制 系统的研究，使运动控制进入了高速发展的时期，经历了以下几个发展阶段峥j ： 分立式晶体管式小规模集成电路式大规模集成电路式小型计算机 式超大规模集成电路微机式的运动控制系统。 简单来说，现代的运动控制器就是通过对以电机驱动的执行机构等设备进行 运动控制，以实现预定运动轨迹目标的装置。可以说，只要有伺服电机应用的场 合就离不开运动控制器，它以其特有的灵活性和优异的运动轨迹控制能力得到了 广泛的应用，其应用领域包括航天、食品加工、机床、机器人、军事等。 二、运动控制技术的现状 传统的运动控制器是一种专用的封闭体系结构的运动控制系统。尽管也可以 由用户做人机界面，但必须使用专门的开发工具耗费较多的人力，而对它的功能 扩展、改变和维修，都必须求助于系统供应商。目前由于p c 机技术的进步推动 了开放体系结构运动控制系统的发展，传统运动控制系统的市场逐渐减小。 近l o 年来，随着计算机技术的飞速发展，各种不同层次的基于p c 的运动控 制( 或称计算机化运动控制器，c o m p u t e r i z e dm o t i o nc o n t r o l ，c m c ) 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。 c m c 发展的背景。8 - 1 6 ： 1 p c 的性能有了很大的提高。近几年，p c 的性能、特别是其运算速度、 存储器容量、i o 接口能力、可靠性等方面有了显著的提高。p c 的c p u 的速度已经进入了3 g 时代；存储器也进入了海量存储的时代。如此高 的性能使得它足以胜任运动控制的任务。 2 运动控制器( m c ，m o t i o nc o n t r o l l e r ) 开发周期缩短、开发成本增加。 这主要表现在计算机数控( c n c ，c o m p u t e rn u m e r i cc o n t r 0 1 ) 的发展上。 随着高新技术的不断涌现、控制方法的不断更新，c n c 的开发周期越来 越短，作为c n c 的核心部件，m c 的开发周期也响应缩短，软件开发工 第一章绪论 作量的比重越来越高，开发成本不断增加。使用p c 可解决软件公用问 题和硬件标准问题，可望降低开发成本。 3 p c 软件的发展。p c 软件已以其庞大的市场规模为背景飞速地发展和进 步，办公自动化、远程控制、组件技术、可视化控制、可视化动态系统 构造等软件技术快速超前发展，使用p c 为控制机，能够有效地利用各 种已成熟地相关技术。 4 p c 文化的渗透。目前，p c 作为工作用机已经渗透于各行各业，而且已 经进入了家庭，向个人渗透。使用p c 作为运动控制器会使人感到自然、 亲切、方便，并且将会有大量优秀的软件开发者涌现。使用p c ，是m c 面向用户开放的最佳途径。 5 先进制造技术发展的需要。c a d c a p p c a m 之间的数据处理等信息集 成技术是f m s 、c i m s 的关键技术，也是制约先进制造技术快速发展的 因素。这之中，m c 控制数据与其他数据信息的西调处理是难题之一。 为此，寻求一种制造业用的通用控制系统和标准形式，以求解决信息协 调问题，并能够紧跟高科技发展的步伐，快速组成低成本、高性能的使 用运动控制系统，便是人们的迫切愿望。而使用p c 的开放式c m c 使实 现这一愿望成为可能。 以p c 为基础设计c m c 有许多优越之处。因为c m c 是以p c 硬件结构体系 和软件支撑环境为基础的运动控制系统。计算机运动控制系统的主要优点： i 中央处理机选择范围宽不同用途的运动控制系统在实际应用中对精度、 效率、功能等方面存在着巨大的差异，为保持系统良好的性能价格比， 就要求系统的中央处理单元从处理速度和处理能力上可在较大范围内调 整。另外，p c 领域的激烈竞争加速了微处理机的更新换代，有利于c m c 性能的提高。 2 p c 采用标准的总线和模块化的结构对组成服务于不同对象的运动控制 系统提供了条件，也为许多有某项专长的厂商或技术人员提供了施展才 干的机会。 3 采用通用和标准的操作系统规范的支撑环境和先进的开发手段，不仪有 助于运动控制系统软件开发效率和软件可靠性的提高，而且有助于p c 于具有特殊要求的用户的二次开发。 4 拥有大量的软、硬件资源及众多开发商的支持这不仅为运动控制系统的 开发提供了广阔的市场，还有利于运动控制系统对先进技术的引用和升 级。 5 性能价格比高低廉的硬件开发成本，有利于提高运动控制系统的市场竞 争。 但是就国内而言，很多的场合还是使用的传统的运动控制器，高级的c m c 运动控制器还依赖于进口。 三、运动控制技术的发展趋势 新一代开放式运动控制系统以通用计算机技术为基础，可为运动控制系统生 产商、运动控制系统应用生产商和最终用户提供可进行二次开发的基础和手段， 以形成自己特色的产品，适应现代运动控制的需要。 总体发展趋势是：运动控制装置由m c 向c m c 发展；广泛采用3 2 位甚至 浙江大学硕士学位论文 6 4 位c p u 组成多微处理器系统；提高系统的集成度，缩小体积，采用模块化结 构，便于裁剪、扩展和功能升级，满足不同类型运动控制的需要；驱动装置向交 流、数字化方向发展：c m c 装置向人工智能化方向发展；采用新型的自动编程 系统：增强通信功能；运动控制系统可靠性不断提高 6 ，9 8 西9 1 。 总之，运动控制技术不断发展，功能越来越完善，使用越来越方便，可靠性 越来越好，性能价格比也越来越高。 一、问题的提出 第二节问题的提出和技术方案 现代c m c 主要有三种类型：p c 连接型、m c 嵌入型和全软件型。当前市场 上的c m c 运动控制器大多是m c 嵌入型 3 1 - 3 3 , 4 “5 ，9 6 1 。 m c 嵌入型c m c 又称板卡式运动控制器，是在通用p c 的扩展槽( i s a 、p c i ) 中装入运动控制卡，运动控制卡包含运动控制器的几乎所有的处理功能。如图： 图卜1m c 嵌入型c m c 这种类型的优点是能充分保证系统的性能，软件的通用性强而且编程处理灵 活。由于现在的运动控制卡一般都是p c i 总线的，因此m c 与主机的通信速度 很快。缺点是运动控制卡很难独立运行，难以做到小型化，系统的可靠性的确保 也是一个有待进一步研究的问题。 常见的p c 连接型c m c 是将m c 与p c 用串口或者并口直接相连的一种组成 形式。如图： 图卜2p c 连接型c m c 其优点是容易实现，m c 可以独立工作也可以与p c 机协同工作，c m c 提供 开放的a p i 函数库，使得用户可以在w i n d o w s 平台下执行开发构造所需的控制 系统，可以支持通用软件。缺点是c m c 部分不能实现完全开放化；当与p c 机 第一章绪沦 协同工作时，系统的通信速度慢，甚至会影响系统的响应速度。 所谓全软件型c m c 是指c m c 的运动控制软件全部装在计算机中，全部功 能处理工作都是由p c 进行，并通过装在p c 扩展槽中的标准化通用接口卡对伺 服驱动和外部i ( 3 等进行控制。如图： 图1 - 3 全软件型c m c 其优点是它提供给用户最大的选择和灵活性，就像计算机中可以安装各种品 牌的声卡、c d r o m 和相应的驱动程序一样。用户可以在w i n d o w sn t 平台 上，利用开放的运动控制内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能运 动控制系统，与前几种运动控制系统相比，全软件型开放式运动控制系统具有较 高的性能价格比，因而具有很强的生命力。缺点是在通用p c 上进行实时处理较 困难，较难保证系统的性能，其可靠性的确保也有待进一步提高。如果这些问题 都得到解决全软件型c m c 无疑是一种最合适的开放式结构。 实际上在很多专用运动控制器应用场合，特别是在中小型数控系统中，仍然 要求运动控制器能小型化、可以独立工作、具有较高的经济性，在需要的时候又 能够与p c 进行协同工作，以充分利用计算机的软件优势。在上述场合m c 嵌入 型运动控制器并不是很适合，因此在国内市场中，传统运动控制器还占有不少的 市场。为满足这些需要，在吸收当前先进的数字电路技术和开放性的设计思想的 基础上，本文提出和设计一种改进的p c 连接型四轴运动控制器。 二、技术方案 随着u s b 技术的兴起和日益推广，支持u s b 的p c 及外设越来越多。另外， 随着数字集成电路技术的高速发展，出现了f p g a 、d d s 等高性能器件。如果将 以d s p 、f p g a 、d d s 和u s b 相结合成的硬件平台和软件系统结合在一起构成 运动控制器，可以保持传统p c 连接型运动控制器的优点，同时解决后者通讯速 度慢、体积庞大、接口不灵活、系统封闭、升级困难等缺点。 技术方案如图1 - 4 所示。首先d s p 向f p g a 写入当前的控制方向，接着向 d d s 写入控制频率字使d d s 产生相应频率的时钟，该时钟被送入f p g a 驱动 f p g a 里的控制逻辑生成控制脉冲向外输出。 至于编码器来的信号则首先被f p g a 解码，然后计数。d s p 通过读取f p g a 内的寄存器读取该计数值。 通过读写f p g a 的寄存器，d s p 可以发送和接收u s b 总线上的数据，因此 在需要的时候，利用u s b 接口，主机上的应用程序可以和运动控制器通信。 在很多具体应用中，为了连接或者控制周边设备，运动控制器需要大量的i o 口，利用f p g a 可以很容易的实现该功能。 运动控制器上实现了一个串行接口，毕竟在工业应用中r s 2 3 2 接口还有着大 浙江大学硕士学位论文 量的应用，许多工业控制设备都可以利用该接口进行通信。 l 应用软件i 串口 l i d d s l 1 fj l f 驱动程序f 。，i l v 一 f p g a_ 一 _ 一 u s b l _ i j s b h j一 j 接口 f 、 接e l v 一 一、课题的意义 图1 - 4 技术方案 第三节课题概貌 编码器 控制命令 脉冲方向 i 0 运动控制是运动系统的核心，在现代工业制造、工业加工、机器人等方面有 广泛的应用，如何提高运动控制器的控制速度、精度，提高运动控制器的可靠性， 提高运动控制器的柔性和开放性是一个长期的问题。 开放式运动控制系统是当今运动控制技术发展的趋势，应当抓住这项最新技 术起步不久的机遇，建立运动控制开发平台，在引进消化吸收的基础上，研究开 发具有自主版权的开放式运动控制系统。 二、课题的主要研究内容 硬件平台和软件系统是本课题的主要研究内容。 在很多应用场合要求运动控制器既能够独立工作，又能连接计算机，充分利 用计算机的软件优势；既要求硬件功能的强大，也要具有一定的柔性，方便硬件 进行升级；既要求软件功能丰富、完善，又要求具有开放性，能支持二次开发。 围绕这些要求，在对现有运动控制器的构造和实现思路作了深入研究的基础上， 吸收当前最先进的数字集成电路技术，采用了d s p 、f p g a 、d d s 和u s b 相结 合的新型有效的硬件构架，解决了许多具体的技术难题，与运动控制软件系统结 合在一起，组成了一个完整的运动控制系统，最终达到了设计要求。 硬件平台的开发还包括f p g a 功能的开发。f p g a 的开发可以有多种方式， v e r i j o gh d l 具有灵活、简洁、方便等优点，是一个较好的开发方式口“”j 。 软件是运动控制器的灵魂，软件开发是运动控制器研究的重点和难点。该软 件系统包括d s p 程序、e z u s b8 0 5 1 程序、主机上的u s b 驱动程序和用户应用 程序。 第一章绪论 三、研究目标 在本课题中，着重研究从硬件架构和软件结构两方面来加强运动控制器的开 放性和柔性问题，提出一种性价比较好的方案，以满足对运动控制器高速基础上 的小型化、开放性和柔性要求，使得控制器能够p a , j , 范围的改动，满足不同应用 的不同需要，减少开发周期和开发成本。 四、论文的创新点 本文的创新点有以下几个方面： 在运动控制器的研制中采用主控板和i o 板分离的硬件架构，实现了极具 特色的以d s p 、f p g a 和u s b 相结合的硬件电路设计，做到了硬件电路软 件化，便于系统的升级和功能扩展，使得该运动控制器既可以独立运行， 也可以与主机协同，充分利用p c 机上的丰富软件资源。 使用d d s ，控制命令只是输出控制脉冲方向减少了电路的复杂性，使系 统具有统一的接口，可以方便的连接步进和伺服驱动器。 独特的触摸屏界面管理程序的设计，吸收了w i n d o w s 界面管理和消息驱动 的思想，按照不同阶段的不同设计任务进行分层，将设计难点分散，对于 不同的触摸屏应用有较强的适应性，简化并加快了触摸屏应用程序的开 发，可以方便的进行功能扩展。 浙江大学硕士学位论文 第二章运动控制器硬件结构设计 一、系统要求 第一节需求说明 运动控制器的输出控制信号为脉冲方向信号。 输出脉冲速率最大4 m h z ，控制器与电机驱动器的接口为两线直流输出。 2 4 路输入为光电耦合输入带l e d 指示。 1 6 路输出为功率输出，每口负载能力为3 0 0 m a 2 4 v 带l e d 显示。 4 路可配置输入输出口。 可利用触摸屏对控制器各个电机的控制曲线及相应参数进行设定。 可采用上位机通过u s b 口对控制器的参数进行设定。 电源为外接+ 5 v 和+ 2 4 v 电源。 上位机应用程序的运行平台是m i c r o s o f t 的w i n d o w s9 8 或w i n d o w s2 0 0 0 。 二、i ，o 通道分配 图2 一l 运动控制器接口 1 带光电隔离的2 4 v 输入输出 输入：2 8 路。实际2 4 路，4 路可配置。 输出：2 0 路。实际1 6 路，4 路可配置。 2 不经光电隔离的+ 5 v t t l 输入输出 输入：8 路脉冲输入，用于光电编码器信号输入。 输出：8 路输出，其中4 路脉冲输出，4 路电平输山，用于电机控制脉冲 和方向输出。 第二章运动控制器硬件结构设汁 三、用户界面要求 要求该运动控制器能够与h i t e c h 公司的p w s1 7 1 1 - s t n 触摸屏进行数据通 信，完成系统参数设置、g 代码编程、g 代码下载、动作调试等功能。 四、系统参数要求 表2 - 1 和表2 2 列出了对运动控制器的系统参数的要求。 表2 1 运动控制器轴参数要求 参数名称单位有效位 初始转速转分 x x x x( 4 ) 最大转速转分 x x x x x( 5 ) 最大行程x x x( 3 ) 复零速度转分 x x x x( 4 ) 加减速转分n 2 x xx( 2 1 ) 每转脉冲脉冲转x x x x( 4 ) 每毫米脉冲脉冲m mx x x x( 4 ) 表2 2 运动控制器其它系统参数要求 l 参数名称有效位说明 加速曲线模式 x x ( 2 ) 三轴复位模式 x( 1 )设置各轴复位顺序 五、编程功能要求 采用数控机床的国标g 代码全集的子集作为动作代码。 表2 - 3 系统支持的g 代码 g 代码功能说明g 代码功能说明 g 0 0快速定位g 3 3用户动作 g 0 1 直线插补 g 7 4 回x 轴机床参考点 g 0 2顺时针圆弧插补g 7 5回y 轴机床参考点 g 0 3逆时针圆弧插补 g 7 6 回z 轴机床参考点 g 0 4暂停 g 3 2走螺旋线 采用辅助m 功能作为i o 口动作指令。 浙江大学硕士学位论文 表2 - 4 系统支持的m 代码 m 代码功能说明m 代码功能说明 m 0 3主轴顺时针旋转m 2 0 0 m 2 0 1 5输出口o u t 01 5 发 出持续信号 m 0 4 主轴逆时针旋转 m 3 0 o m 3 01 5 输出口o u t o 1 5 撤 销发出信号 m 0 5 主轴停 m 2 1 o m 2 1 3 1 输入口i n 0 3 l 等待 高电平信号 m 2 7延时m 3 1 0 - - m 3 1 1 5 输入口i n 0 - - 3 1 等待 低电平信号 第二节硬件结构 为了便于系统的扩展和提高系统的适应性，将运动控制器与外围设备的接 口、驱动电路、隔离电路等部分分离出来形成i o 板，而数字部分构成主控板， 使主控板的输入、输出都是数字量，尽可能使得主控电路与系统外部选用的电机 驱动器、编码器等的型号无关。 对于主控板，采用d s p 、f p g a 和d d s 相结合的方式，再配以其它辅助电路， 形成了高速、高精度、柔性的控制内核。图2 2 所示是该运动控制器的硬件结构 f 因为是四轴控制器，所以d d s 模块以及相关模块都必须为四组，图中只是显示 了一组、。 图2 - 2 运动控制器硬件结构 在该控制器中，为了减轻处理器的压力，脉冲生成并不选用支持p w m 直接 输出的处理器末完成，而是选用d d s ( d i r e c t d i g i t a ls y n t h e s i s ) 即直接数字式频 第二章运动控制器硬件结构设计 率合成器，来直接生成控制脉冲。这样即减轻了处理器的负担，又能够输出高质 量、高频率的控制脉冲。 对于微处理，由于计算量很大，实时处理的要求较强，当然是选择d s p 了， 毕竟在数字处理领域单片机是不怎么适合的。 选用t l l 6 c 5 5 0 c 作为u a r t 芯片，实现串口功能。( d s p 上的串口将会用于 d s p 的b 0 0 t l o a d e r 过程) u s b 芯片则选择c y p r e s s 公司的e z u s b 系列。 图2 3 运动控制器硬件平台实物 图2 - 4 运动控制器主控板实物 由于u s b 、i o 、d d s 模块都连接到可编程器件上，由可编程器件完成这些 模块的接1 3 或者功能，这样在一定的限度上，可以灵活地自定制u s b 、d d s 输 浙江大学硕士学位论文 出与控制、i o 的功能和配置，能够在很大程度上满足不同的应用场合对于u s b 、 d d s 、i 0 的功能、结构、配置的不同需要，增加该控制器的开放性，使该控制 器具有更好的柔性。考虑到逻辑密度、性能、特性和成本的因素，该可编程器件 选用f p g a 。 运动控制器硬件平台实物如图2 3 ，图2 - 4 是主控板的实物图。下面几节将 对主控板上的d s p 模块、存储器模块、串口扩展模块、d d s 模块、u s b 接口模 块、u s b 总线控制模块、电源模块、f p g a 模块等进行说明。 一、d s p 模块 系统使用的d s p 是美国t i 公司的t m s 3 2 0 v c 3 3 ( 以t 简称v c 3 3 ) 。v c 3 3 是 一款3 2 位高性能通用浮点处理d s p 芯片，以高速、低功耗、低成本、易于开发 为显著特点。 气。 鬟l 鎏； 耋i = 五j j ： 爿i i 塞i 图2 5o s p 电