运动控制轨迹设计

设计题目： 运动控制轨迹设计 专业年级： 11 级机械设计制造及其自动化 学 号： 116712155 姓名： 指导教师、职称： 2015 年 5 月 26 日 说明书目录摘要 .IAbstract.II第一章、绪论 .- 1 -1.1 运动控制卡的发展现状 .- 1 -1.2 运动控制卡分类 .- 1 -1.3 研究目的及意义 .- 2 -1.3.1 目的 .- 2 -1.3.2 意义 .- 3 -第二章、运动控制 .- 4 -2.1 DSP 和 FPGA.- 4 -2.2 库函数分类 .- 4 -2.2.1 初始化函数 .- 4 -2.2.2 轴初始化函数 .- 5 -2.2.3 缓冲区函数 .- 7 -2.2.4 轨迹运动函数 .- 9 -第三章、插补 .- 12 -3.1 插补原理 .- 12 -3.2 插补分类 .- 12 -3.3 插补方法 .- 12 -3.3.1 逐点比较法 .- 12 -3.3.2 数字积分法 .- 16 -3.3.3 直接函数法 .- 20 -第四章、基于硬件的编程 .- 23 -4.1 控制系统硬件介绍 .- 23 -4.1.1 二维交流数控工作台 .- 23 -4.1.2GT-400-SV 运动控制卡 .- 24 -4.1.3 IO 口列表 .- 24 -4.2 上位机软件 .- 25 -4.3 轨迹程序 .- 25 -4.4 仿真 .- 28 -4.4.1 仿真软件 .- 28 -4.4.2 仿真程序 .- 28 -4.4.3 仿真结果 .- 28 -第五章、总结 .- 29 -参考文献 .- 30 -致谢 .- 32 -附录一 .- 33 -福建农林大学金山学院本科毕业设计说明书摘要本设计在分析了当前国内外的运动控制卡的发展历史及趋势基础上，选用了以“DSP+FPGA”为核心的深圳固高公司推出的 GT400SV 型运动控制卡。在 PC 机上进行编程，再由运动控制卡进行运动控制，最后以 XY 运动平台为控制对象，通过VC+6.0 完成运动轨迹程序的编制，来实现二维运动轨迹控制。关键词：运动控制卡；插补；数字信号处理器福建农林大学金山学院本科毕业设计说明书IAbstractThis design on the analysis of the current domestic and foreign development history and trend of motion control card based on the selected DSP + FPGA as the core of shenzhen high solid launch of GT - 400 - SV motion control card. Programming in PC, the movement control CARDS for motion control, finally to the XY platform as control object, the trajectory program compiled by vc + + 6.0, to implement the two-dimensional trajectory control.Keywords:Motion Control Card;Interpolation;DSP福建农林大学金山学院本科毕业设计说明书- 0 -第一章、绪论1.1 运动控制卡的发展现状运动控制卡是基于 PC 机设计的，用来插在 PCI 插槽上,然后再利用总线，将其与CPU 进行连接，实现两者的通讯,进而控制运动。这种模式充分利用了计算机快捷的运算功能、强大信息处理能力以及高度的开放性，同时结合了运动控制卡的强大的轨迹控制功能，使得该种模式具备很好的通用性，当用户设计一些比较复杂的运动轨迹时，这种方案能大大缩短运动时间 1。现在的高性能运动控制卡都可实现多个伺服电机的控制，它的运动控制核心DSP，具备数字输入与输出点、脉冲信号的计数与输出以及 D/A 转换输出等功能。其中，前者主要用于限位开关；后者主要是起反馈作用，将轴运行中的误差及时反馈，以便实时修改。PMAC、翠欧、固高等都是知名的品牌，这些公司都有配有各自的编程库函数，用户可以根据实际自行开发，库里主要包括各种插补及运动参数设置函数 2。在国外，已有多种商品化产品，PMAC(美国），MEI （美国），ACS-Tech80（以色列），PCI208 （英国），等是其中比较著名的。单以 PMAC 系列卡来说，全球销量遥遥领先并且持续增长；再以其生产 PMAC 一 CP 伺服卡为例，该卡广泛应用于各个高精度位置控制领域，例如数控机床、工业机器人、天文器械、医疗器械等领域 3。国内在运动控制卡方面的研究远远落后于国外，虽然之后大力发展开发运动控制卡，也取得了一些成果，但大多是小范围内使用，从整个中国市场上看，国产的运动控制卡所占比例还不高 4。国内诸如清华大学等一些高校也作过这方面的研究，有了一些收获，不过通用性并不理想，而且可控轴数为 14 轴，4 轴以上几乎没有。但是随着时间的积累以及国人的不断研究，一些国内公司也纷纷推出了自己的产品，并占据了一定的市场 5。深圳固高公司从 1998 年成立到现在，就一直致力于运动控制技术的研究，先后发布了基于 DSP 和 FPGA 的较先进的控制卡，分为插卡式、一体式及嵌入式，应用较多的插卡式；深圳雷塞科技公司自成立以来，先后退出了 DMC、AMC 等五个系列的运动控制卡，被广泛应用于国内各个领域 6。1.2 运动控制卡分类以下是运动控制卡的分类：第一种：单片机为主控芯片此种方案将单片机等微处理器作为控制核心,另外其组成还包括存储器、数字信号和模拟信号转换电路、编码器信号处理电路以及通信接口电路等,可以将其直接插入- 1 -PCI 插槽中。 7优点是使用方便，成本较低,因此目前市场上仍占有一定比例，缺点是由于外围电路较多，导致整体看起来很复杂,体积也较大,所以其运行速度较慢，且可靠性以及控制精度也较低，加上其软硬件配置缺乏灵活性,只能进行一些简单的控制算法,同时导致控制参数更改不方便,不利于程序调试，给程序设计造成较大难题 8。第二种：专用运动控制芯片为主控芯片主要的制造商的有美国 PMD 公司的 Navigator 和 Pilot 系列、日本 NOVA 的 MCX和 X32 系列。一般的专用运动控制芯片中都封装有一些常用的功能函数，同时通过专用芯片内部的电路去实现运动控制功能,集成度高，所以具备很强的可靠性和实时性,同时编程又比较简单，但是这种运动控制卡的功能和适应面比较窄,且柔性较差,难以满足广大客户的需求 9。第三种：以数字信号处理器（DSP）为运动控制核心DSP，具有很强的高速运算能力，体积小，重量轻，这使得它越来越受重视，自20 世纪 90 年代以来，DSP 在相关控制领域得到越来越多的应用，尤其是运动控制卡方面。由于其强大的运算能力能轻易实现许多复杂的控制算法，运行速度得到很大的提高，同时可轻易控制多轴，且精度有很多的提高。 10目前，市场上常见的 DSP 制造商及品牌有 INMOS 公司的 A110 及其系列、AT&T 公司的 DSP32 及其系列、Motorola公司的 DSP56000 及其系列、TI 公司的 TM320 及其系列等。随着 DSP 的广泛普及以及运动控制卡拥有的强大市场竞争力，使得许多的开发商如雨后春笋般冒了出来，这些企业大多是开发基于诸如 DOS、WINDOWS 以及 LINUX 等各种操作系统的 DSP 步进或伺服运动控制卡，同时开发商也提供了各自专用的基于不同操作平台的函数库，使得编程越来越方便 11。1.3 研究目的及意义1.3.1 目的以往的运动控制卡大多采用单片机以及专用运动芯片,由于当时的技术局限性,使得其组成一个功能的各个电路繁多，一级级的传递，导致运算速度非常慢。随着时代的发展,以往的运动控制卡模式已经无法适合新时代的要求，当然，在原来的基础上结合当代一些新技术是可以改善其控制效果,但其成本投入大，效果也不显著。于是以DSP 为核心，再加入 FPGA 的运动控制卡应运而生，本课题采用这种模式的运动控制卡，利用 VC+6.0 设计一个二维轨迹插补，意在证明“PC 机+运动控制卡”的高度开放性，通过基于 PC 机的 VC+编程软件，加上一些硬件接线即可实现位置控制，大大减轻了对专用软件的依赖性，节省了用户高价购买专用软件的成本，也方便用户根据各种不同的实际情况自行设计 12。1.3.2 意义- 2 -中国已经成为世界制造业大国，很多制造业领域都要用到运动控制产品，但是，与国外相比，国内相关方面的研究起步较晚，加上发达国家对我国实行技术封锁，导致我国相关技术还不是很成熟， 13所以在企业中的应用还不是很广泛，更多的市场是被国外的公司所抢占，导致我国每年从国外进口的运动控制产品的费用居高不下，这限制了我国从事运动控制相关研究的企业的积极性及热情，同时也不利于国内制造业发展。因此，大力发展我国运动控制技术方面的研究是一件非常有意义的事 14。第二章、运动控制- 3 -本设计选用的是 GT400 运动控制卡，所以有必要了解一些该卡的相关知识。2.1 DSP 和 FPGADSP，进行模拟与数字信号的相互转换，转换完成后再进行各种操作。它不仅具有可编程性，而且具有高速实时处理能力，这源于它的高速数据传输能力，现在新型的 DSP 都设置有单独的 DMA 总线控制器,这使得它的并行数据传输速率最高可达每秒数百兆字节，速度和效率远超于一般微处理器，这使其得到越来越广泛的应用 15。FPGA 是在 PLA、PAL 等基础上发展起来的。最早的 FPGA 产品诞生于 1985 年，门数量不超过 1000 个；Altera 公司于 2007 年推出门数量在千万个以上的 FPGA 产品。它可以看成是一种 ASIC（专用集成电路）领域中的半定制电路，一般来说，FPGA比 ASIC 的运行速度要慢，但是，它也具备很多的优点，比如功耗低、可以快速成品16。2.2 库函数分类2.2.1 初始化函数 1）GT_Open 函数原型：short GT_Open()；函数说明：置于程序开头。系 统：DOS，WINDOWS适用板卡：PCI 总线卡相关函数：GT_Close 2）GT_SwitchtoCardNo 函数原型：short GT_SwitchtoCardNo(); 函数说明：用于切换当前卡 17。系 统：DOS、WINDOWS 适用板卡：PCI 总线卡表 2.1 初始化函数表- 4 -相关函数：GT_GetCurrentCardNo 函数调用：GT_SwitchtoCardNo(1) 3）GT_Reset 函数原型：short GT_Reset (void) 函数说明：程序中起复位作用 18。系 统：DOS，WINDOWS 适用板卡：所有 GT 系列卡相关函数：GT_HardRst 4）GT_SetSmplTm 函数原型：short GT_SetSmplTm()； 函数说明：设置周期， 默认周期是 200 微秒，可设置为：481966.08 微秒。系 统：DOS，WINDOWS 适用板卡：所有 GT 系列卡相关函数：GT_GetSmplTm 2.2.2 轴初始化函数福建农林大学金山学院本科毕业设计说明书- 5 -1）GT_Axis 函数原型：shor t GT_Axis()；函数说明： 该函数设置指定轴为当前轴 19。系 统：DOS，WINDOWS 适用板卡：所有 GT 系列卡函数调用：举例令轴三为当前轴。void main() short rtn; rtn=GT_Axis(3);rtn=GT_Setpos(1000); rtn=GT_SetVel(10); rtn=GT_SetAcc(1); 2）GT_ClrSts 函数原型：short GT_ClrSts()；函数说明：清除状态位。系 统：DOS，WINDOWS 适用板卡：所有 GT 系列卡函数调用：清除轴二状态。void main() short rtn; rtn=GT_Axis(2); rtn=GT_ClrSts(); 3）GT_CtrlMode 函数原型：short GT_CtrlMode(); 函数说明：该函数用于设置当前轴的输出模式，有两种模式，分别为 0 和 1，分别代表模拟电压输出和脉冲输出，默认状态为 0。系 统：DOS，WINDOWS 适用板卡：SV - 6 -函数调用：举例设置第二轴为 0，即模拟电压输出。void main() short rtn; rtn=GT_Axis(2); rtn=GT_CtrlMode(0); 2.2.3 缓冲区函数1）GT_StrtList函数原型：short GT_StrtList (); 函数说明：打开命令缓冲区。系 统：DOS，WINDOWS 适用板卡：所有 GT 系列卡相关函数：GT_AddList，GT_EndList 2）GT_MvXY函数原型：short GT_MvXY( X, Y,Vel, Accel); 函数说明：定义二维坐标系缓冲区命令的起点位置。（X ，Y ）是起点；合成速度Ve l，合成加速度 Accel。系 统：DOS，WINDOWS 适用板卡：所有 GT 系列卡相关函数：GT_MvXYZ，GT_MvXYZA 函数调用：举例在缓冲区打开状态下，将缓冲区运动的起点定位在 X 轴1000（坐标系长度单位单位），Y 轴 2000（坐标系长度单位单位）的位置，并以速度为 0.25（坐标系长度单位单位/控制周期），加速度为 0.01（坐标系长度单位单位/ 控制周期 2）移动到定位点 21。- 7 -void main() short rtn; rtn=GT_StrtList(); rtn=GT_MvXY (1000,2000,0.25,0.01); 3）GT_EndList函数原型：short GT_EndList(); 函数说明：置于缓冲区末尾，起结束缓冲区作用。系 统：DOS，WINDOWS 适用板卡：所有 GT 系列卡相关函数：GT_StrtList，GT_AddList 函数调用：举例先开启后关闭缓冲区。void main() short rtn; rtn=GT_StrtList(); rtn=GT_MvXYZ(0,0,0,20,5); rtn=GT_LnXYZ(1000,2000,3000); rtn=GT_ArcXY(3000,3000,180); rtn=GT_EndList(); 2.2.4 轨迹运动函数1）GT_LnXY 函数原型：short GT_LnXY( X, Y); - 8 -函数说明：二维直线插补， （X，Y）为终点。系 统：DOS，WINDOWS 适用板卡：所有 GT 系列卡相关函数：GT_LnXYZ，GT_LnXYZA 函数调用：举例二维直线（10000,20000）。void main() short rtn; rtn=GT_SetSynVel(50); rtn=GT_SetSynAcc(3); rtn=GT_LnXY(10000,20000); 2）GT_ArcXY函数原型：short GT_ArcXY( X, Yr, Angle); 函数说明：二维圆弧插补。（X，Y）是圆心；angle 是旋转角度（-360360），正负代表旋转方向 22。系 统：DOS，WINDOWS 适用板卡：所有 GT 系列卡相关函数：GT_ArcYZ ，GT_ArcZX 函数调用：举例圆心（20000,20000），正向 90 度。void main() short rtn; rtn=GT_SetSynVel(7); rtn=GT_SetSynAcc(2); rtn=GT_ArcXY(20000,20000,90); 3）GT_ArcXYP函数原型：short GT_ArcXYP( X, Y, R, Dir); 函数说明：二维圆弧插补。（X，Y）是圆弧终点坐标；R 为半径；Dir 可取 1 或-1，分别代表逆圆、顺圆。系 统：DOS，WINDOWS 适用板卡：所有 GT 系列卡- 9 -相关函数：GT_ArcYZP， GT_ArcZXP 函数调用：举例在缓冲区，执行二维圆弧插补。void main() short rtn; rtn=GT_StrtList(); rtn=GT_MvXY(0,0, 3,0.3);rtn=GT_ArcXYP(8000,0,5000,1); rtn=GT_EndList(); 福建农林大学金山学院本科毕业设计说明书- 10 -第三章、插补运动轨迹可以看成是由大量的直线以及圆弧组成。对于那些不是直线、不是圆弧部分，将采用若干个微小直线或圆弧去逼近，因此有必要了解插补原理和插补方法。3.1 插补原理插补控制系统根据输入的一些运动轨迹数据（函数、坐标等等），之后通过计算，形成运动轨迹，一边运算一边即时向外传递运动指令，让导轨或正向或反向移动一个单位位移量，实现实际运动轨迹与理论运动轨迹相吻合，所以说插补的任务就是在给定轨迹起点、终点及轴进给速度后，往轨迹起点、终点之间插入无数个点，即“数据点密化” 23。3.2 插补分类插补分为两类：一是脉冲增量插补。二是数据采样插补。前者包括逐点比较法、数字积分法。特点是进给慢、精度低，常和步进电机相结合。后者有直接函数法。过程分两步，一为粗插补，用许许多多的微小直线段去靠近理想轨迹；最后为精插补，粗插补中可以得到许许多多的微小直线，精插补即在这些微小直线上插入若干个点。此方法一般结合交直流伺服电机 24。3.3 插补 方法3.3.1 逐点比较法 逐点比较法，顾名思义就是利用阶梯折线一点点去拟合轨迹曲线，分为 4 个节拍，分别为偏差判别，其次为坐标进给，接着是新偏差计算，最后为终点判别。1）直线插补直线 OA，如图 2.1，取 为动点，则：M（31）emYX令 ：eeF当 ， 点在 直线上；0= mOA当 , 点在 直线上方 处；M- 11 -当 , 点在 直线下方 ”处。0M若 ，则 点在圆弧内。0Ellipse(100,100,500,500);CRect r;r.left = 275;r.right=325;r.top = 275;r.bottom = 325;pDC-Ellipse(r);POINT p7;p0.x=100;p0.y=300;p1.x=200;p1.y=126.79;p2.x=400;p2.y=126.79;p3.x=500;p3.y=300;p4.x=400;p4.y=473.21;p5.x=200;p5.y=473.21;p6.x=100;p6.y=300;pDC-Polyline(p,7);pDC-MoveTo(275,300);pDC-AngleArc(37.5,300,237.5,0,47);pDC-MoveTo(325,300);pDC-AngleArc(142.5,300,182.5,0,72);pDC-MoveTo(275,300);pDC-AngleArc(457.5,300,182.5,180,72);pDC-MoveTo(325,300);pDC-AngleArc(562.5,300,237.5,180,47);pDC-MoveTo(288.24,277.94);pDC-AngleArc(185.39,85,218.64,298.06,50.92);pDC-MoveTo(310.99,322.45);pDC-AngleArc(236.62,170.54,169.14,296.09,78.9);pDC-MoveTo(288.24,277.94);pDC-AngleArc(370.8,432.82,175.51,118.08,75);pDC-MoveTo(310.99,322.45);pDC-AngleArc(399.98,504.21,202.37,116.09,55);pDC-MoveTo(312.04,278.09);pDC-AngleArc(432.94,58.08,251.04,241.21,44.28);pDC-MoveTo(286.7