（电力电子与电力传动专业论文）运动控制卡连续轨迹的研究与实现.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea c c o u n ta n dt h eo u t p u to ft h en u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o li st h ei m p o r t a n t s y m b o lo fac o u n t r y t h ed e v e l o p m e n to ft h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mi st h et e c h n i c a l f a c t o rp r o m o t i n gc o n t i n u o u s l yt h en u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et 0 0 1 1 n b e 仃a d i t i o n a l n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ma l li sc l o s e d , u s e ri sd i f f i c u l tt oa m e l i o r a t eo nt h ep l a t f o r m b u t t h eo p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mm a ys o l v et h i sp r o b l e m n o wt h eo p e nc o n t r o ls y s t e m o fs e r v eb a s e do np ch a sb e c o m et h ei n e v i t a b l et r e n di nt h ef u t u r e a l o n g w i t h t h e m o d e m t e c h n o l o g y p r o g r e s s ，t h e u n i o n o f e a c h k i n d o f e l e c t r i c m o t o r c o n t r o lt e c h n o l o g y , t h em i c r o e l e c t m n i ct e c h n o l o g y , a n dt h ee l e c t r i cp o w e re l e c t r o n i c t e c h n o l o g yh a v ec a u s e di tt od e v e l o pi n t oan 州t e c h n o l o g y , n a m e l yt h em o t i o nc o n t r o l t e c h n o l o g y b e c a u s e o f t h e m i c r o p r o c e s s o r a n d t h es e n s o r a r e t h e p a r t s o f t h e n e w m o t i o n c o n t t e ls y s t e m , t h e r e f o r ew ec a l lt h i sk i n do f m o t i o nc o n t r o ls y s t e mt h ei n t e l l i g e n tm o t i o n c o n t r o ls y s t e m m o t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ti sp r o m o t e de f f i c i e n t l yb yt h e u p t o - t h e - m i n u t ed e v e l o p m e n to ft h em i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h ee l e c t r i cp o w e r e l e c t r o n i ct e c h n 0 1 0 9 ya n dt h es 朗1 s o ft e c h n o l o g y , t h es t i m u l a n tc o n t r o lm o d eo fm o t o r d r o p0 u tt h es t a g es l o w l y , a n dt h en e wc o n t r o lm o d ec o n s i s t i n go ft h e m i c r o c o m p u t e r ，f p g ，c p l d ，p ca n dd s pd e v e l o pr a p i d l y , t h ea d v a n c e da l g o r i t h ma n d t h ee n t i r ed i g i t a lo ft h ei n t e l l i g e n c ec o n t r o ls y s t e r nw i l lb e c a 3 m et h en e wd i r e c t i o no fn e x t g e n e r a t i o no fm o t i o nc o n t r o l l e r t h i s a r t i c l e i n t r o d u c e s o n e e m p h a s e s o f t h e m o t i o n c o n t r o l l e r r e a l i z a t i o n c o n t i n u a l p a t hm o t i o na l g o r i t h m w i t l lt h i sa l g o r i t h ma n dt h ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m , w e 锄c a u s e t h em a c h i n et o o lt om o v ec o n t i n u o u s l ya l o n gt h ep a t h , s o m e t i m e sa c c e l e r a t i n g , t h e n d e c e l e r a t i n g s ow ec a ne n h a n c et h em a c h i n et o o ls p e e da n d t h ec o n t i n u i t y i nt h ec o n t i n u o u sm o v e m e n to fm a c h i n et o o l , t h em e s ti m p o r t a n ti st of i n dt h e i n f l e c t i o np o i n t n ei n f l e c t i o np 0 缸i st h ei n t e r s e c t i o no ft w op a t h s ，a tt h i sp o i n tt h e m a c h i n et o o lc a nn o tm o v et ot h en e x tp a t ha tt h es a m es p e e do fl a s tp a t h b e f o r et h e m a c h i n ee n c o u n t e rt h ei n f l e c t i o np o i n t , t h em a c h i n et o o lm u s td e c e l e r a t ea ts o m ep o i n t 1 m ed e s i g n0 0 1 1 c e p ti s ：p r o c e s s i n gt h ep a t hi na d v a n c e c a l c u l a t i n gt h es p e e do ft h e m a c h i n ea l o n gw i t ht h ep a t h f i n d i n gm ei n f l e c t i o na n dt h ep o s i t i o nt h e r et h em a c h i n e m n s td e c e l e r a t ea t t h e nt h ed s p c o n t r o lt h em a c h i n ew i t ht h e s ed a t a i nt h i sa r t i c l e1w i l l i n t r o d u c et h i sa r i t h m e t i cd e t a i l e d l y a i t h o u g ht h i sp r o c e s s i n gm e t h o di sn o tt h eb e s tw a y , b u ti ti ss i m p l ea n de a s yt o r e a l i z e t h ca r i t h m e t i cc a nb eu s e di nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mw h i c hn e e dn o th i g h p r e c i s i o n w eh a v ea p p l i e dt h i sa r i t h m e t i co no n rp r o d u c t s ，a n dh a v ep r o c e s s e ds o m e c o i e i p l e xw o r kp i e c e s k e y w o r d s ：m o v e m e n t c o n t r o lc a r d ，c o n t i n u a lp a t h ，i n f l e c t i o np o i n t ，i n t e r p o l a t i o n 佩嘉亡工案火港 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：岛侮件吼坤年f 月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者豁与f 坼指导教师挠i r 孔 日期：词年e 月弓日日期：1 年( 月 日 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 数控技术的重要性 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1 1 1 。大力发展先进的制造技术己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，是制造现代 化的重要基础【”。要发展先进的制造技术，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 2 1 ( c o m p u t e r n u m e r i c a lc 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，光机电一体，是现 代制造的技术基础。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，更新发展都有着至关重要的影响1 2 - 4 1 。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 2 本文的意义及主要内容 本文的主要意义是针对数控技术在整个国民生产中的地位，及国外大公司对 国内的技术封锁，提出了一种解决数控机床中的关键问题方法一数控机床连续 运动轨迹的实现。 1 3 数控系统的发展及现状 数字控制技术1 5 1 ( 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， 湖北工业大学硕士学位论文 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字装置，可 编程控制器，5 l 单片机或d s p 等，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，就象人的大脑一样对信息进行加工处理，它完成信息的输入， 存储，变换，查补运算以实现各种控制功能。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 3 1 开放式数控系统的基本特性 根据国际电气与电子工程师协会( 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部件之间的开放化。开方式系 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 件，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 7 1c 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大的系统，也可以裁剪其功能以适应低端的应用。 ( 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 3 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他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，数控系统已经经历了四个 发展阶段 6 - 9 ： 2 湖北工业大学硕士学位论文 1 3 2 1 专用硬件n c 时代( 1 9 5 6 年一1 9 7 4 年) 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。 1 3 2 2 专用计算机数控时代，即微处理器n c 时代( 1 9 7 4 年一1 9 8 9 年) 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 显示 器的普遍及应用，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性，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。 1 3 2 3 高精度c n c 的开发与应用阶段( 1 9 9 0 年- - 1 9 9 5 年) 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。 总的来说，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减，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 ) 不能充分地利用己有的通用软件资源； ( 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，消弱了市场 供应能力和竞争能力，同时限制了数控技术的发展； 3 湖北工业大学硕士学位论文 1 3 2 4 开始全p c 开放式智能化数控新阶段( 1 9 9 6 年至今) 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 提供了十 分坚实实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 1 4 1 。 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 l j 。 1 4 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 4 1 加工控制的高速化，高精度化【1 5 】 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 系统都已经完成了由1 6 位处理器向3 2 位微处理器的过度，大大提高了c n c 的数据采集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，为高速度精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 制中的自适应平滑速度控制，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。 智能化，开放化，网络化l ”，柔性化和集成化 1 智能化【1 5 】运用体现在数控系统中以下几个方面： ( 1 ) 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； ( 2 ) 为提高驱动性能及使用连接方面的智能化，如前馈控制，电机参数的自 适应运算，自动识别选定模型，自整定等： ( 3 ) 为简化编程，简化操作方面的只能化，如智能化的自动编程，智能化的 人机界面等； ( 4 ) 智能诊断，智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修等； 2 数控系统体系结构开放性【幡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 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 4 湖北工业大学硕士学位论文 成化为目标，注重加强单元技术的开拓，完善，使c n c 单片机易于向高精度，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 n ， r r s 联网，向信息化方向发展。 1 5 运动控制器及其研究现状 1 5 1 运动控制器的特点及其发展现状 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，以电机动力装 置和执行机构为运动控制对象，以实现预定运动轨迹为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他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。皇 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，功能强大，可以实现多种运动轨迹的控制，是传统数控装置 的代换产品； 。 节 ( 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 业的数控软件； 1 5 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 还需要对具体的运动速度，加速度，位置误差等进行实时监控，并对相关情况等 做出反应。 运动控制器是从主机接收控制命令，从位置传感器接收位置信息，向伺服电 机功率电路输出运动指令。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出来，减少了主 5 湖北工业大学硕士学位论文 计算机负担，且所有控制器参数都可以由程序设定，系统硬件设计简单，位置环 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【1 8 】： 1 5 2 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，控制系统简单，有单片机开发经验的用户。 1 5 2 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 0 ) 。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。 1 5 2 3p 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 1 0 0 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 i 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 内核进行低层 编程来发脉冲，几乎不可能保证脉冲的均匀性。 1 5 2 4 p c 机和专用运动控制卡 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。这样微机可处理其他控制和检测任务：检测其 它状态，处理键盘，显示消息和显示显示整个工件的轮廓和现在刀具在轮廓的位 置，数据分析和计算。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 连接库，使用非常方便，不仅大大缩短产品研制和开发的周期，而且能够实现更 完善的运动控制系统。 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： 6 湖北工业大学硕士学位论文 ( 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1 1 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 的交流伺服电 机控制卡的硬件结构框图【1 9 1 。 图1 2 基于8 0 c 1 9 6 的交流伺服电机控制卡硬件组成框图 7 湖北工业大学硕士学位论文 ( 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 。 图1 3 步进电机控制卡硬件组成框图 ( 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。现在 以d s p 、f p g a 加上p c i 组成的运动控制卡已成为主流的运动控制方式，其基本 的硬件组成方案如图1 4 。 p c i 娶 总 线 接 口 图1 4 基于d s p 和f p g a 控制卡硬件组成框图 8 湖北工业大学硕士学位论文 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 6 当前国内外d s p 运动控制技术的发展现状概述 1 6 1 当前国外d s p 运动控制技术的发展现状概述 美国d e l t at a ud a t as y s t e m 公司推出的p m a c 系列伺服控制卡比较有代表 性。p m a c p c 以m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 0 0 1 为微处理器，主频2 0 ，3 0 1 v i h h z ， 6 0 1 4 0 微秒轴的伺服更新率，3 6 位位置范围( 6 4 千兆计数范围) ，1 6 位d a c 输出 分辨率，1 0 1 5 1 v i h z 编码计数率，每秒可处理多达5 0 0 条程序，可以完成直线或 圆弧插补，“s 一曲线”加速和减速，三次轨迹计算、样条计算。利用d s p 强大 的运算功能实现1 8 轴多轴实时伺服控制。实际上，p m a c - p c 卡本身就是一个 完整的计算机系统。依靠集成在卡上r o m 程序，它能独立完成实时、多任务控 制，而无需主机介入。p m a c - p c 控制卡配有较强的命令、函数库，用户可用制 造商提供的编程语言( 类似b a s i c ) 调用这些命令和函数，编程较为方便。用户可 自定义g ，m ，t ，d 代码。另外制造商还提供开发上具p c o r v l n i , p t a l k , p m a c - n c 软件库等，用户可用高级语言cc + 4 - ，v b ，d e l p ht 等开发自己所需 的函数。p m a c - p c 系统的开放性特征允许c n c 系统通过o d b c ( 开放数据库连 接) 、o l s ( 目标连接和嵌入) 、d d e ( 动态数据交换) 等，运行专门设计的第三方软 件程序。对于o e m ( 原始设备制造商1 ，d e l t at a ud a t as y s t e m 公司提供p m a c p c 软件库的c + + 原代码许可证，允许整个系统全部用户化。 从市场需求来看，以美国d e l t at a ud a t as y s t e m 公司的p m a c ( 8 轴) 系列卡为 例，在全球的销量超过4 5 ，0 0 0 套，被用于数控机床、医疗器械、工业机器人等需 要高精度位置控制领域。著名的哈勃望远镜镜面就是用p m a c 系列轴卡系统来控 制研磨的。我国上海磁悬浮列车高架钢梁的设计，需要使用6 轴控制卡进行加上。 可惜我国目前还没有掌握此技术的加工系统田- 2 s 。 在国外，己有多种商品化的运动控制主板，较著名的有：g a l i l , c o m p u m o t o r , p m a c , f a n u c ，s 工m e n s ，a b 等系统，这些系统共同特点是： 9 湖北工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 均可在高级语言下直接编程。 ( 2 ) 均可在w i n d o w s 台下上作，可使用v b ，v c 等语言。 ( 3 ) 通过采用特殊的中断方式，一般都具有很好的实时性，并具有w i n d o w s 系统的多任务性。 ( 4 ) 均为多轴联动系统，具有直线和圆弧插补功能。 ( 5 ) 均可进行位置及速度水平的控制，在启动和停止阶段具有加速度水平的 控制，使系统具有较好的动态响应特征。 ( 6 ) 可对直、交流伺服电机及液压伺服马达进行控制。 前三种是通用的多轴运动控制卡，而后三种为典型的数控系统，主要应用于 数控机床。这几种系统都己实现了功能强大的开放化和柔性，其产品本身具有功 能强大的开放式配套软件，这些软件提供给用户非常多的功能，用户可在短期内 方便的通过二次开发出自己的产品，所以这种系统受到用户的欢迎。 虽然国外的同类产品在性能方面具有许多优势，但它们也具有很多不足之处， 主要表现在以下几方面。 ( 1 ) 价格昂贵以g a l i l 运动控制主板为例，一个八轴的g a l i l 运动控制主板为 4 0 0 0 美元，再加上其它一些辅助设施将达到5 0 0 0 美元左右。 ( 2 ) 对一般数控系统经常要求的限位功能没有过多考虑主要原因是作为通 用多轴控制器，是面向一般用户的( 无论机器人，还是数控，一般运动是有一定限 度范围的1 。 ( 3 ) 寻零功能有的还不完善。 在后两个不足之处主要是通用多轴运动控制卡才出现的。认真地研究了国外 先进的g a l i l 。c o m p u m o t o r 及东芝系列等电机控制系统，可以发现这些控制系统均 可适用于步进电机、交流伺服电机、直流伺服电机及液压伺服元件的运动控制， 其控制精度高，工作可靠，具有优良的上作特性。其中，尤其值得推崇的是许多 国外的这类系统都提供了高级语言的上作平台，用户可采用c + + ，v b 和v i s u a l c + + 等对其驱动器自接进行编程控制。此外，他们大多都提供了具有1 - 6 轴控制 等不同规格的控制板以适应于不同要求的情况。可使用其工作平台，很方便地对 所设计的多轴系统进行智能运动控制，实现复杂的平面和空间运动及各种变速运 动。借助于这样先进的控制系统，国外的许多设计者免除了国内设计者要花很大 力气完成的底层设计上作。既提高了上作效率，又使所设计控制系统具有很好的 通用性。 湖北工业大学硕士学位论文 1 6 2 当前国内d s p 运动控制技术的发展现状概述 国内目前还没有较完善的智能运动控制系统，各种运动控制系统还处于单件 或单一产品的生产程度，其相应配套的底层软件功能还不够完善，一定程度上还 处于封闭阶段，缺乏柔性或根本没有柔性。对于用户来说这样的系统只是一个有 输入和输出的黑箱，用户在使用时无法根据自己的需求进行灵活地重组或进行二 次开发，必须重复性的进行许多硬件接口程序开发及各种运动功能的实现等繁杂 的上作，而不能把更多的上作重心放在自己所需要的功能环境中，使用技术困难 比较大。 我国在这方面的研究处于比较落后的水平。一些高校如清华大学、华中理上 大学、哈尔滨上业大学等作过这方面的研究上作，不过基本上为一、两套专用系 统研制，通用性不太好，而且可控轴数较少，一般为1 4 轴。深圳市摩信科技有 限公司独立开发的m c t - 8 0 0 0 系列智能运动控制卡，是国内技术比较成熟的轴控 制卡。控制器的c p u 采用美国1 r i 工公司的t m s 3 2 0 c 3 1 d s p ，它可通过工i s 气p c i 工标准总线或u s b 通用串行总线与主控机连接。主控机与控制器之间采用双向高 速f i f o 进行通讯，可提供1 4 轴的高速，高精度伺服控制。带有1 乃2 通道p w m 输出，步进电机控制，伺服更新速率最高可以达到每轴1 0 n s ，编程设置也可在线 修改，3 2 通道可编程数字输入输出接口。该系列产品具有开放式结构，支持面向 对象的非标准控制算法，可在线定义控制变量或变量矩阵。摩信科技有限公司的 m c r - - 8 0 0 0 4 ( 玛轴) 产品于2 0 0 0 年底开发成功，并推向市场 2 6 1 2 7 1 ，近两年，深圳 固高公司相继推出了基于d s p 和f p g a 的比较成熟的运动控制卡包括g e 系列， g t 系列和g h 系列的轴控制卡，其中2 0 0 3 年末刚刚研制成功的g h - 8 0 0 型控制 卡是最先进的轴控制卡。g h 8 0 0 运动控制器能够控制8 个伺服轴或4 个步进轴， 并可实现伺服轴与步进轴的任意组合。控制信号的输出有多种形式，可为模拟量、 脉冲或p w m 。用户可通过控制器的扩展口实现最多达1 6 轴的控制，但成本很高。 总的来说，现在应用最广泛的开放型运动控制卡基本上都是基于d s p - - p c i 忡g a 三种芯片组成的。 1 1 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章运动控制卡的主要性能要求和总体方案选择 本章阐述了运动控制卡的主要性能要求，并重点对运动控制卡的总体方案进 行比较、确定和设计。 2 1 运动控制卡的主要性能要求 结合对市场的调研，本课题所设计的运动控制卡的主要功能和设计技术指标 如下： 1 性能参数 ( 1 ) 可独立分别控制4 轴交流直流伺服电机； ( 2 ) 两种脉冲模式：脉冲方向电平模式、正向脉冲负向脉冲( c w c c w 模式) ； ( 3 ) 脉冲光电隔离输出：频率1 h z 4 m h z ，3 2 位脉冲输出； ( 4 ) 4 路4 倍频光电编码器反馈输入，输入最高频率2 m h z ( 细分为8 m h z ) ； ( 5 ) 定时中断及运动控制器事件中断； ( 6 ) p c i 总线接口，8 位1 6 位数据总线； ( 7 ) 实时监控； ( 8 ) 可任意设定1 轴从动于其他3 轴的电子齿轮方式，从动比也可设定； 2 运动特性 ( 1 ) 直线插补、圆弧插补和连续插补； ( 2 ) s 曲线、梯形曲线加减速控制； ( 3 ) 位置控制； ( 4 ) 自动搜寻原位； ( 5 ) 外部手轮驱动； ( 6 ) 电子齿轮控制方式； 3i 0 通道 ( 1 ) 所有i 0 经过光电隔离，外部电源电压5 - - 2 4 v ； ( 2 ) 专用i 0 ：每轴原点( h o m e ) ，正负极限开关，伺服电机驱动器使能控制； ( 3 ) 用户可定义湘：4 路光电隔离输入，8 路光电隔离输出( 每路2 0 0 m a 驱 动能力) ； 湖北工业大学硕士学位论文 2 2 运动控制板卡的总体方案设计 2 2 1 运动控制板卡的设计方案比较 目前市场上的运动控制板卡种类繁多，但按核心处理器来划分，大致可以分 为三种方案：基于单片机型、基于数字信号处理器( d s p ) 型、基于专用运动控制 芯片型。 2 2 1 1 基于微控制器型的运动控制卡 此类控制卡一般以8 位( 如8 0 3 1 8 0 5 1 ) 、1 6 位( 如8 0 9 6 1 9 6 ) 和3 2 位( 如 摩托罗拉m c 6 8 3 3 1 ) 微控制器( 国内称单片机) 作为控制核心，加上存储器、编 码器信号处理电路、d a 转换电路、通信接口电路等构成插卡，直接插入p c 要 的总线扩展槽中。单片机通过i s a 总线或p c i 总线与p c 机的c p u 通讯，接 收p c 的控制指令，进行脉冲发送和接收现场开关量信号( 如负方向超限程开关信 号、减速停止立即停止开关信号等各种相关开关信号) 状态，并向p c 机报告相 应的信号工作状态，以实现运动控制的功能。这种方案的优点是成本相对较低， 可以较为经济地实现数控功能要求，目前国内外部分运动控制卡为这种形式。如 参考文献【卅所介绍。单片机( 微控制器) 与d s p 最大区别是运算速度较慢，所 以一些复杂的，能大大提高性能的高级控制算法无法满足实时性要求而无法采用。 但单片机i o 控制能力较强。 2 2 1 2 采用专用运动控制芯片 8 0 年代后，国外半导体厂商推出了直接面对伺服控制任务的专用运动控制芯 片，比较著名的有美国p m d 公司的步进、伺服电机控制芯片：n a v i g a t o r 系列， p i l o t 系列等；日本n o v a 步进伺服运动控制芯片：m c x 系列等；k y o p a l 单轴运动控制芯片：x 3 2 系列。专用运动控制芯片中封装了一般常用的功能函数， 可以从硬件一级直接完成对伺服电机位置和速度控制，控制精度高，性能可靠。 并且它不需要扩展复杂的外围电路，从而简化了电路，提高系统集成度和可靠性。 p c 机和运动控制芯片问的通讯只是数据读写，控制简单。不需要对运动控制芯 片编程，只需要编写p c 机的底层软件。控制软件可以用c 等高级语言编写，调 试方便。但是这类运动控制卡的功能和适应面不如以d s p 为核心的运动控制卡， 适合开发中低档运动控制器 5 0 l 。 湖北工业大学硕士学位论文 2 2 1 3 采用数字信号处理器( d s p ) 来作为主控制芯片 上世纪9 0 年代以来，数字信号处理器( d s p ) 在运动控制卡中得到越来越广 泛的应用，这主要是因为它的高速运算能力使得许多复杂的控制算法和功能得以 实现，而且集成度很高，可以实现高精度多轴伺服控制。目前比较有代表性的d s p 产品有1 r i 公司的砷彤2 0 系列、a t & t 公司的d s p 3 2 、i n m o s 公司的a 1 1 0 、m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 0 0 0 系列。而许多公司也纷纷开发基于d s p 的伺服控制卡，这些卡 一般以p c 机中的d o s 、w i n d o w s 、l i n u x 为软件操作平台，并提供了专用的 各软件平台的函数库，使用方便。在这些控制卡当中，以美国d e l t a t a ud a t a s y s t c m 公司推出的p m a c 系列伺服控制卡为代表。下面就以p m a c p c 控制卡来进行说 明。p m a c 控制卡由一块主机板及3 0 余种功能扩展模块组成。主板可插入p c 总 线、s t d 2 3 2 总线或v b m 总线以便开发，各扩展模块可方便地与主板相连。用户 如需要扩展轴，扩展i 0 、增加a f d 9d a ，或进行输出电压频率转换( 驱动步进 电机) 等等，均可选用相应的扩展模块。其构成【蚓如图4 - 1 所示。p m a c p c 以 m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 0 0 1 为c p u ，主频4 0 m h z ，每秒可以处理多达5 0 0 条 程序。利用此芯片强大的运算能力，p m a c - p 控制卡可以实现1 8 轴多轴实时 伺服控制、刀具补偿、插补运算( 直线、圆弧、样条曲线。螺旋线) 、曲线轨迹计 算、螺距补偿等功能。主机负担较轻。同时p m a c p c 控制卡上还配有较强的命 令、函数库，用户可以用制造商提供的编程语言( 类似b a s i c ) 调用这些命令和函 数，编程较为方便。同时用户还可以利用制造商提供的开发工具p c o m m 、p t a l k 、 p m a c - n c 软件库等，用高级语言c 、c + + 、v b 、d e l p h i 等开发自己需要的函 数。 墨彖装置控倒扳手轮输入罄光隔z ，o 扩晨输入鬣最笑譬 图2 1p m a c 结构框图 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 这类运动控制卡处理能力强，能适应多轴联动机械加工、机械手、自动生产 线、示教再现机器人、电子凸轮、飞剪等复杂应用场合，随着芯片技术的进步， 价格越来越低，能满足实时性高和速度要求高的场合。并且能根据用户的要求设 计，通用性好，成为未来运动控制卡的发展趋势。 2 2 2 运动控制板卡的设计方案确定 针对目前市场上高速仿形加工数控机床及运动控制卡的特点和需求，本课题 着重突出一个技术要求，那就是“大数据量的高速轮廓仿形插补加工”。 第一种方案显然不能满足这种较高的运动控制要求。 第二种方案中，虽然可以借用于一些专用运动控制芯片上封装的功能( 如 m c x 3 1 4 a s 具有直接把p c 机发来的数据，由硬件转换成正负序列高速脉冲， 以及位元插补功能) ，但是适用面相对来说较小，并且升级维护相对较困难。 第三方案中，借助于d s p 的高速运算能力来实现复杂的运动控制功能，其 配置灵活，能适应绝大多数机械加工场合运动控制的需要( 如车、铣