【毕业学位论文】（Word原稿）基于PCI 和USB总线的开放式运动控制器开发

于 线的开放式运动控制器开发 要 开放式数控系统已成为当今数控技术的发展方向 ， 目前的开放式数控系统多以 为基础，配上各种 开放式 运动控制器 。 运动控制器的应用已走出机械加工行业，越来越多地应用于其它工业自动化设备控制，如机器人控制、电子机械、木工机械、纺织机械、印刷机械等诸多行业。 基于 线的以 为核心处理器的开放式运动控制器将 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、通用性好等优点 ，因此发展迅速 。 今后基于计算机标准总线的开放式运动控制器仍然是市场发展的主流。 线解决了 线的响应速度较慢 的 瓶颈 ， 近几年， 基于 线 的设备也 因其 优点 而得以 迅速发展。 针对 国内外 开放式运动控制器 存在的 一些缺点， 诸如 国外产品 价格太高、 技术支持相对较差，国内产品不支持 线 、存在一些 技术上的 不足 等 ， 本文 以 片 为处理器， 分别基于 轴开放式运动控制器 ，并采用 052 和 为 接口芯片构建 讯电路， 利用 件 建两路 号处理电路并辅助完成译码等功能 ，同时开发了接口卡负责完成控制卡与外部器件的互联并进行光电隔离和电平转换 。 了完成与上位机的通讯， 内部 还 嵌入了许多 控制 算法，包括 基于前馈补偿的 制算法 、 参数曲线的自适应 时间分割插补 算法、 直线 /圆弧 /补算法等 。同时， 提供了丰富的动态链接库函 数 供用户调用，并在此基础上开发了测试软件 。实验和仿真结果表明，系统设计合理，具有实时性好，跟随误差小，加工精确度高等优点。 关键词 开放式运动控制器； 议 ； 线； 补 ； CI he C C of of in of as so SP as C s as of on is CI of SA in SB of at of is is SB CI SB as 052 to is to of EP at , SP ID A of is is as .0 录 摘要 . I . 1 章 绪论 . 1 放式运动控制技术概述 . 1 放式数控系统 . 1 于 的开放式运动控制器 . 2 放式运动控制器研究现状、不足及发展趋势 . 4 动控制器的分类 . 4 内外开放式运动控制器的研究现状 . 5 前基于 运动控制器存在的不足 . 6 于 开放式运动控制器的发展趋势 . 7 题来源及主要研究内容 . 8 第 2 章 伺服系统控制关键技术研究 . 9 动系统的控制技术概述 . 9 服电机控制原理 . 9 流伺服电机介绍 . 9 流伺服电机的控制模式 . 10 服电机的 节方案 . 11 数曲线的时间分割插补算法 . 14 间分割插补原理 . 14 数曲线自适应插补算法 . 14 补原理 . 17 补介绍 . 17 次 线的数学描述 . 17 线插值原理 . 19 章小结 . 21 第 3 章 线规范与操作 . 22 线 . 22 线的基本概念 . 22 线的特点 . 22 部总线信号定义 . 23 线协议基础 . 24 线 . 27 优点 . 27 统的分层结构 . 27 据通讯结构 . 29 控制传输 与中断传输 . 30 件编程基础 . 33 章小结 . 34 第 4 章 与 讯电路设计 . 35 动控制器硬件电路总体设计方案 . 35 片 绍 . 36 线与 讯电 路设计 . 37 线接口电路实现方法 . 37 线接口芯片选择 . 38 052 的主要特点 . 38 052 的工作原理 . 39 2配置 . 40 讯电路 . 41 线与 讯电路设计 . 43 口芯片选择 . 43 特性 . 43 引脚介绍 . 44 关寄存器简介 . 45 讯电路设计 . 47 章小结 . 48 第 5 章 运动控制器硬件电路设计 . 49 助电路 . 49 试接口电路 . 49 电电路 . 50 钟电路 . 50 储器扩展电路 . 51 制电压转换电路 . 51 理电路 . 52 址译码 . 53 交编码脉冲处理及计数 . 53 断逻辑 . 56 口卡电路分析 . 56 分信号处理电路 . 56 入输出信号处理电路 . 57 动控制器硬件开放性的实现 . 59 章小结 . 59 第 6 章 运动控制器软件开发及调试 . 60 制器软件 开发概述 . 60 层程序开发 . 60 制器的固件（ 程 . 61 心程序 . 64 备驱动程序开发 . 69 态链接库函数开发 . 70 态链接库函数及其优点 . 70 态链接库的设计 . 71 现运动控制器的开放式功能 . 72 试软件开发 . 73 章小结 . 76 结论 . 77 参考文献 . 78 攻读学位期间发表的学术论文 . 81 致谢 . 82 - 1 - 第 1章 绪论 开放式运动控制 技术概述 开放 式 数控系统 数控 （ 或计算机数控 （ 系统作为制造形状复杂 、 高质量 、 高精度产品所必备的基础设备 ， 已成为当今先进制造技术的一个重要组成部分 。然而 ， 常规 统为专用结构 其组成的硬件模块和软件结构绝大多数是专用的 、 互不兼容的系统 ， 各模块间的交互方式 、 通信机制也各不相同 ， 这就造成了不同厂家控制系统的相对独立 ， 彼此封闭 。 随着技术的进步 ， 市场竞争的加剧 ， 这种专用体系结构的数控系统越来越暴露出其固有的缺陷 。 一方面 ， 各控制系统间互连能力差 ， 影响了系统的相互集成 ，风格不一的操作方式以及专用件的大量使用 ， 不但使用户培训费用增加 ， 还给数控设备用户 （ 统的最终用户 ） 带来很多不便 ； 另一方面 ， 系统的封闭性使它的扩充和修改极为有限 ， 造成数控设备制造商 （ 统中间用户 ） 对系统供应商的依赖 ， 并难以将自己的专门技术 、 工艺经验集成入控制系统并形成自己的产品特点 ， 这将不利于提高主机产品的竞争力 。 此外 ， 专用的硬软件结构也限制了系统本身的持续开发 ， 使系统的开发投资大 、 周期长 、 风险高 、更新换代慢 、 不利于数控产品的技术进步 。 总之 ， 数控系统的这一现状已不能适应当今制造业市场变化与竞争 ， 也不能满足现代制造业向信息化 、 模块化和敏捷制造模式发展的需要 。 开放式数控系统已成为当今数控技术的发展方向 1， 研究 开发 开放式数控系统的主要目的是解决变化频繁的需求与封闭控制系统之间的矛盾 ， 从而建立一个统一 的可重构的系统平台 ， 增强数控系统的柔性 。 通俗地讲 ， 开放的目的就是使 制器与当今的 类似 ， 使整个系统构筑于一个开放的平台之上 ， 具有模块化组织结构 ， 允许用户根据需要进行选配和集成 ， 更改或扩展系统的功能 ， 迅速适应不同的应用需求 ， 而且 ， 组成系统的各功能模块可以来源于不同的部件供应商并相互兼容 。 开放式运动控制系统的研究始于 1987 年 ， 美国空 军 在 美国政府资助下发表了著名的 下一代控制器 ） 研究计划 ， 提出了开放体系结构控制器的 - 2 - 概念和开放系统体系结构标准规格 （ 。自 1996 年开始 ， 美国几个大的科研 机构对 划分别发表了相应的研究内容 2， 如美国国际标准研究院提出了 增强型机床控制器 ） ；由美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司提出和研制了 开放式模块化体系结构控制器 ）， 其目的是用更开放、更加模块化的控制结构使制造系统更加具有柔性、更加敏捷，该计划启动后不久便公布了一个名为 规范，并促成了一系列相关研究项目的运行。 开放式数控系统能够在多种平台上运行 ， 可以和其他系统互操作 ， 并能给用户提供一种统一风格的交互方式 。 开放式数控系统应具有以下基本特征 ： 1 可互操作性 。 通过提供 标准化接口 、 通信和交互机制 ， 使不同功能模块能以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 。 2 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 ， 使构成系统的各功能模块可来源于不同的开发商 ， 并且通过一致的设备接口 ， 使各功能模块能运行于不同供应商提供的硬件平台之上 。 3 档次皆宜性 。 统的功能 和 规模可以灵活设置 、 方便修改 ， 既可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 。 4 可互补性 。 指构成系统的各硬件模块 、 功能软件的选用不受单一供应商的 控制 ， 可根据其功能 、 可靠性及性能要求相互替换 ， 而不影响系统整体的协调运行。 基于 的 开放式运动控制器 目前的开放式数控系统多以 为基础，配上各种 开放式 运动控制 器 ，如图 1示 ， 这 是一个非常典型的开放式数控系统模型 3。 运动控制器 驱动器及接口 伺服电机、编码器 编码器反馈 图 1型的开放式数控系统模型 C - 3 - 运动控制器是 通过由 电机驱动的执行机构对设备进行运动控制，以实现预定运动轨迹目标的装置，它是数控系统中的重要部件。由于它具有极大的灵活性 和良好的运动轨迹控制能力，从而使许多工业生产设备焕发出勃勃生机 ，它是广义上的数控装置。数控技 术的发展趋势就是采用运动控制器的开放式的数控系统。随着自动化技术的进一步发展，运动控制器的应用已走出机械加工行业，越来越多地应用于其它工业自动化设备控制，如 机器人控制、 电子机械、木工机械、纺织机械、印刷机械等诸多行业。 计算机技术的发展在工业控制领域导致了技术面貌的迅速改变。工业控制机，特别是采用 术的工业 的大量涌现，大大的推动和促进了开放式运动控制系统的发展。基于工业 运动控制器可以利用 大的软件环境和技术支持，摆脱专用封闭式控制系统的束缚和不便，树立运动控制系统的新概念。 技术引 入运动控制领域，可以从两方面来考虑其 对于开放式运动控制 技术 发展所带来的 作用： 1 软件方面 ， 利用计算机的高效运算功能、管理与监控能力以及丰富的软件资源，可以实现高级的控制算法、轨迹插补算法以及补偿算法，改善运动控制软件，提高伺服扫描速度和系统的分辨率，实现最小的移动单位和最大的进给速度，便于用微小的程序段连续以高速度、高精度实现轨迹形状复杂曲线和曲面运动，使控制单元精细化 ，利用 其提供的标准应用程序接口，可以方便的实现数控系统的移植性和互操作性 。 尤其是在 需要大量轨迹插补运算的运动控制系统中 ，具有 线的计 算机系统由于其丰富的软件资源而得到越来越广泛的应用。在这类系统中，坐标变换、轨迹规划、 粗 插补运算等由 完成，而多轴伺服电机的 实时 控制由运动控制器实现。 2 硬件方面 ， 利用 用平台，可以建立开放式的模块化结构的伺服运动控制系统，同时伺服控制器的模块化 为 直接利用计算机做伺服控制算法的研究和实时监控提供了方便，也为多轴联动参数匹配设计提供了方便，在高性能的硬件支持下，为进一步研制开发更高性能的智能型伺服模板打 下基础，也为运动控制系统的级联运行及并入网络构成 造了条件。 - 4 - 开放式 运动 控制器研究现状 、 不足及 发展趋势 运动控制器 的 分类 目前 ， 运动控制器生产厂商提供的 运动控制器 主要包括如下 3 类 4： 1 基于通用微处理器型 。 以 8031、 8088 等通用微处理器为核心器件， 外加存储器、编码器信号处理电路及 D/A 转换电路等组成控制系统。其位置、速度等控制由事先编好固化在存储器中的程序实现。此方案 成本相对较低，但速度较慢 ， 精度不高 ， 采用的元器件较多，可靠性低，体积比较大，而且控制参数不易更改，软硬件设计工作量大 ， 在一些只需要低速点位运动控制和对轨迹要求不高的轮廓运动控制场合应用。 2 以专用芯 片 （ 作为核心处理器的运动控制器 。 常用的专用电机控制芯片有 ， 用一个芯片即完成速度曲线规划、 服控制算法、编码器信号的处理等多种功能。一些需要用户经常更改的参数如电机位置、速度、加速度、 数等均在芯片内部的 内，可由 用指令很方便的修改。但由于数据传输速度、运算速度的限制，复杂的控制算法和功能很难实现。 这类控制器对单轴的点位控制场合是基本满足要求 ， 但对于要求多轴协调运动和高速轨迹插补控制的设备，这类运动控制器不能满足要求。另外 ,由于硬件 资源的限制，这类控制器的圆弧插补算法通常都采用逐点比较法，插补的精度也不高，特别是对于 如模具雕刻这样的 需要 大量的小线段连续运动的场合，不能使用这类控制器。 3 基于 线的以 为核心处理器的开放式运动控制器 。 以 作为信息处理平台，运动控制器以插卡形式嵌入 ，即动控制器的模式。这样将 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。这类运动控制器通常都能提供多轴协调运动 控制与复杂的运动轨迹规划、实时的插补运算、误差补偿、伺服滤波算法，能够实现闭环控制。由于采用 术来进行硬件设计，方便运动控制器供应商根据客户的特殊工艺要求和技术要求进行个性化的定制，形成独特的产品。 能同时控制多轴，有的还包含了运动轨迹插补算法及包含有前馈补偿功能的 法，这为多轴的伺服电机的控制带来极大的方便。 - 5 - 国内外 开放式 运动控制器的研究现状 在国内外，已有多种商品化的开放式运动控制 器 ，较著名的有 美国的运动控制器 ， 国内 最 成熟 的是 深圳 固高 公司的 系列 控制器 。 这些 运 动控制 器 的 特点是： 1 均 以 为基础， 具有 线、 部总线通讯功能； 2 控制器 均 可在 台下工作，可使用 、 高级语言进行编程 控制 ； 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控制，在启动和停止阶段具有加速度控制，使系统具有较好的动态响应特征； 6 可对交、直流伺服电机及液压伺服马达进行控制。 美国 司推出的 列伺服控制器比较有代表性。 司的 微处理器，主频 20/30 0/40 微秒 /轴的伺服更新率， 36 位 （ 64 千兆） 位置 计数 范围， 16 位 出分辨率， 10/15码计数率，每秒可处理多达 500 条程序，可以完成直线或圆弧插补， “ 加速和减速，三次轨迹计算、样条 曲线 计算。利用 大的运算功能单卡可实现 l 32 轴多轴实时伺服控制。 制器 本身就相当于一个完整的计算机系统。依靠集成在卡上 的程序，它能独立完成实时 、多任务控制，而无需主机介入。 制 器 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 用这些命令和函数，编程较为方便。另外制造商还提供 函数库 作为开发工具 ，用户可用高级语言调用自己所需的函数，完成控制软件的开发。 统通过 放数据库连接）、 标连接和嵌入）、 态数据交换）等运行专门设计的第三方软件程序。对于 始设备制造商）， 司提供 件库的C+源代码许可证，允许整个系统全部用户化。 要利用 总线方式与上位机交换信息 56。 八五期间 ， 我国广大科研工作者也成功开发了两种数控平台和华中型、蓝天型、航天型、中华型等 4 种基本系统，这些系统采用模块化、嵌入式的软硬件结构，其中以华中型较具代表性，它采用工业 上插接口卡的结构 ,运行 - 6 - 在 台上，具有较好的模块化、层次化特征，有一定扩展性和伸缩性，但从整体来说这些系统是数控系统，不是独立的开放式运动控制器产品。 我国在 开放式 运动控制器产品开发方面 相对落后， 1999 年固高科技有限公司在深圳成立，是国内第一家专业开发、生产开放式运动控制器产品的公司。其后，国内又有其他几家公司涉足该领域，但实际上，大多是在国内推广国外生产的运动控制器产品 ， 真正进行自主开发的公司较少。 固高公司 的运动控制器 以 字信号处理器 为核心 ，可以通过 线与 通讯 。 其 动控制器最多可以实现 8 轴的控制，通过 线与 通讯。其主要特点为：可编程伺服采样周期，最小插补周期为 200 微秒，单轴点位运动最小控制周期为 25 微秒；支持单轴点位运动、直线插补、圆弧插补、速度控制、电子齿轮等运动方式；可编程梯形曲线规划和 S 曲线规划，在线刷新运动控制参数；所有计算参数和轨迹规划参数均为 32 位，具有连续插补功能；提供 4K 底层循环程序缓冲区存储用户运动信息；支持外部输入中断、事件中断（包括位置信息、特殊运动事件等）以及时间中断；具有 例 微分）数字滤波器，带速度和加速度前馈，带积分限值、偏差补偿和低通滤波器 ；硬件捕获原点开关和编码器 号，实现高精度机器原点位置锁存 7。 目前 基于 运动控制器 存在 的不足 虽然国外的 运动控制器 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，。以 动控制 器 为例 ，其不足 主要表现在以下几方面： 1 价格昂贵 。 一个 四 轴的 动控制 器价格约为 14 500 元， 加上其它一些辅助设施 可 达到 20 000 元 左右； 2 使用不方便。运动控制器虽然功能强大，但软硬件复杂，参数众多，学习周期特别长； 3 售后服务及技术支持相对较差。 动控制器可以从国内的代理商中购买，但是缺乏有控制器底层开发经验的技术人员的技术支持，控制器出现在实用过程中故障也无法及时得到修复。 国内的固高运动控制器在一定程度上解决了 在的不足，例如其四轴控制器 配套接口板的价格较低，一共 9 000 元左右，能提供良的技术支持和售后服务，但是仍存在着一些不足，技