【毕业学位论文】（Word原稿）基于FPGA的PCI接口运动控制卡的研究-控制理论与控制工程

四 川 大 学 副教授 控 制 理 论 与 控 制 工 程 计算机控制与管理 年 月 日 培 养 单 位 指 导 老 师 专 业 研 究 方 向 授予学位日期 题 目 基于 口运动控制卡的研究 作 者 完成日期 2006 年 5月 20日 四川大学 硕士学位论文 四川大学硕士学位论文 基于 口运动控制卡的研究 1 基于 嵌入式运动控制系统的研究 控制理论与控制工程 专业 研究生 指导教师 制造业是一个国家工业的基础，而制造技术又是制造业的技术支柱，制造业水平的高低是衡量一个国家工业发达程度的重要标志。以传统机电工业为代表的制造业，正经历着深刻的变革。在这场革命中，大力发展先进的制造技术已成为各国最重要的几大技术战略之一，先进制造技术已经是国际竞争与产品革新的一种重要手段。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，是先进制造 技术的基础，是发展新兴高新技术产业和尖端工业的最基本的装备，是制造业现代化的重要基础，这个基础牢固与否将直接影响到国家的经济发展和综合国力，关系到国家的战略地位。 运动控制器是以中央逻辑单元为核心，以传感器为信号敏感元件，以电机 /动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。对于数控系统来说，最重要的是控制各个电机轴的运动，这是运动控制器接收并依照数控装置的指令来控制各个电机轴运动从而实现数控加工的，数据加工中的定位控制精度、速度调节的性能等重要指标都与运动控制器直接相关。目前对数控系统的研究都集中在插入 制器的研究上，而其核心部分就是对步进、伺服电机进行控制的运动控制卡的研究。对 说，运动控制卡的性能很大程度上决定了整个数控系统的性能，而微电子和数字信号处理技术的发展及其应用，使运动控制卡的性能得到了不断改进，集成度和可靠性大大提高。 本课题通过对运动控制技术的深入研究，并针对国内运动控制技术的研究起步较晚的现状，结合当前嵌入式领域的具体需要，紧跟当前运动控制技术研究的发展趋势，吸收了数控技术和相关运动控制技术的最新成果，提出了基于四川大学硕士学位论文 基于 口运动控制卡的研究 2 方案 ，研制了一款比较新颖的、功能强大的 、具有很大柔性的四轴多功能运动控制卡。 本课题的具体研究主要有以下几方面： 首先，通过对运动控制卡及嵌入式系统等行业现状的全面调研，和对运动控制技术的深入学习，在比较了几种常用的运动控制方案的基础上，提出了基于 运动控制设计方案，并规划了板卡的总体设计。 其次，根据总体设计，规划了板卡的结构，详细划分并实现了 分的功能；利用光电隔离原理设计了数字输入 /输出电路。 再次， 利用 资源实现了 设备接口，达到跟控制卡通信的目的，针对运动控制中的一些具体问题，如运动平稳性、实时控制以 及多轴联动等，在 义了各个寄存器的具体功能，设计了功能齐全的加 /减速控制电路、变频分配电路、倍频分频电路和三个功能各异的计数器电路等，自动降速点运动、 A/ 最后，进行了本运动控制卡的测试，实现了全数字测速在本运动控制卡中的应用，从测试和应用结果来看，该卡达到预期的要求。 关键词 ： 数控 运动控制卡 川大学硕士学位论文 基于 口运动控制卡的研究 3 is a as as or as MC is in it is to of of in C of of C. In of on of C is is to or in CB of C of of CB of of of to of of on of we a CB is In 川大学硕士学位论文 基于 口运动控制卡的研究 4 of we of of to we of in we to of by AC in to in to in as we a CB in We of of in of , we of of on to of 基于 口运动控制卡的研究 I 目 录 1 绪论 . 1 放式数控及其发展 . 1 放式数控系统的基本特征 . 2 内外数控系统技术的发展 . 2 代数控技术的发展趋势 . 4 动控制器及其研究现状 . 5 动控制器的特点及发展现状 . 5 见运动控制系统上位控制方案 . 6 于 . 7 于单 . 11 课题的意义及论文的主要内容 . 11 2 系统总体方案设计 . 13 动系统的控制技术 . 13 续运动轨迹插补原理 . 13 置控制技术 . 14 于 运动控制卡 . 16 入式系统概念 . 16 3 运动控制卡硬件设计 . 17 编程逻辑器件简介 . 17 . 18 . 19 功能模块分析 . 19 模块 1 . 19 模块 2 . 19 围电路设计 . 19 电隔离原理 . 19 字 I/. 20 可编程器件的程序设计 . 22 四川大学硕士学位论文 基于 口运动控制卡的研究 序（或功能）模块 1（ . 25 功能说明 . 25 流程图（ C 等） /方框图（ . 26 . 30 4 基于 运动控制模块（ . 32 体结构 . 32 存器模块 . 34 存器寻址 . 34 数寄存器 . 34 令和状态缓冲器 . 36 度模式模块 . 40 率因子参数 . 41 冲频率 1 2. 41 速、减速参数寄存器 . 42 14 . 42 15 . 42 /减速时间 . 43 动降速点 . 43 出脉冲产生电路模块 . 46 /减速控制电路 . 47 频分配电路 . 49 率分 频电路 . 50 码器模块设计 . 50 数器模块电路 . 52 置计数器 . 52 动降速点计数器 . 52 前位置计数器 . 54 作模式模块 . 54 续模式 . 55 置模式 . 56 四川大学硕士学位论文 基于 口运动控制卡的研究 回零模式 . 56 5 基于 嵌入式运动控制卡的系统测试 . 59 数据交换 . 59 动控制芯片内的地址空间 . 59 . 60 数据交换 . 61 运动控制模块的内部寄存器 . 61 动控制函数库 . 61 动控制卡功能测试 . 64 数字转速测量在本卡中的实现 . 65 言 . 65 ，其水平高低是衡量一个国家工业发达程度的重要标志 1。大力发展先进的制造技术已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，是发展新兴高新技术产业和尖端工业的最基本的装备，是制造业现代化的重要基础 1。要发展先进制造技术，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 14（ 称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、光机电于一体，是现代制造技术的基础。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 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、更新发展都具有至关重要的影响 3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。 放式数控及其发展 数字控制技术 5（ 称 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（ 一种控制系统，它能自动完成信息的输入、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控装置、可编程控制器（ 称 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，它完成信息的输入、存储、变换、插补运算以及实现各种控制功能。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。 四川大学硕士学位论文 基于 口运动控制卡的研究 2 放式数控系统的基 本特征 根据国际电气和电子工程师协会（ 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各部件之间的开放化。开放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。 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的系统，也可以裁减其功能以适应低端应用。 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。 内外数控系统技术的发展 数控技术从一诞生起 就同其它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，数控系统已经历了四个发展阶段 6 1. 1956年 1974 年，专用硬件 代 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，因而限制了其进一四川大学硕士学位论文 基于 口运动控制卡的研究 3 步发展和应用。 2. 1975年 1989 年，专用计算机数控时代，即微处理器 70年代末、 80 年代初，随着超大规模集成电路、大容 量存储器、 普及应用， 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征，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。 3. 1990年 1995 年， 高速高精度 32位 精度的 总结上述数控系统 的三个发展历程， 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剪，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) 不能充分地利用已有的通用软件资源； 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，削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。 4. 1996年至今，开始全 数控系统进入基于 统阶段。 引入，不仅为 供 十分坚实的硬件资源和极其丰富的软件资源，更为 12 与国际先进水平相比，我国国内的数控技术和产业经过 40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 1。 四川大学硕士学位论文 基于 口运动控制卡的研究 4 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. 加工 控制的高速化、高精度化 15 加工速度和加工精度可靠性是衡量 统性能的主要指标。当今先进的统都已完成了由 16 位处理器向 32 位微处理器的过渡，大大提高了 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，为高速高精度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升降速控制、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。 2. 智能化、开放化、网络化 1、柔性化和集成化 1) 智能化 15运用体现在数控系统中以下几个方面： I. 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； 为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等； 简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等； 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 16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，以易于联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓、完善，使 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 信息集成方向发展。 四川大学硕士学位论文 基于 口运动控制卡的研究 5 动控制器及其研究现状 动控制器的特点及发展现状 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它工业自动化设备控制。主要数控技术的发展趋势就是采用“ 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。 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，功能更加强大，可以实现多种运动轨迹的控制，是传统数控装置的换代产品； 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 上经简单编程即可实现运动控制，而不一定需要专门的数控软件。 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 代表的高速、高性能专用微处理器的出现和 的广泛普及，开放式运动控制器的发展趋势是以 动控制器以插卡形式嵌入 “ 动控制器”的模式。这样将 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. 国外广大的科技人员对基于 运动控制器进行了深入研究，并取得了较好的成绩，主要研究成果 7美国 司、 国国家仪器）和德国 中，美国 司开发出基于完成插补运算，伺服控制， 制等实时控制功能。具有 减速功能，可以实现直线、圆弧、螺旋线等多种插补方式，四川大学硕士学位论文 基于 口运动控制卡的研究 6 提供全新的高性能数字控制技术和 台，并且可以方便地加入系统的硬件和软件 ，能够根据实际需要扩展功能，满足用户在自动控制各领域中的应用。 同时控制 18 根轴，每秒可执行 500 个程序段，得到较为广泛的应用。 2. 国内针对运动控制器的研究从近几年开始开展的比较多，但目前没有专门用于开放式体系结构的运动控制器，从现有的文献来看主要是各个高校或科研院所为自己设计的基于 数控系统的运动控制卡，并没有形成一种通用的、系列化供应于市场的产品。 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，并对相关情况等作出反应。 运动控制器是从主机接收控制指令，从位置传感器接收位置信息，向伺服电机功率驱动电路输出运动指令。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开来，减少了主机计算负担，且所有控制参数都可以由程序 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 18： 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、控制系统功能简单、有单片机开发经验的用户。 2. 专业运动控制 多品牌的 可选配定位控制模块，有些 元本身就具有运动控制功能（如松下 。这种方案一般适用于运动过程比较简单、运动轨四川大学硕士学位论文 基于 口运动控制卡的研究 7 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。 3. ，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 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 100右，在控制伺服电机时会有速度和精度的矛盾问题；再者，在境下由于其多任务的机制，若没有深入 核进行底层编程来发脉冲，几乎不可能保证脉冲的均匀性。 4. 这种方案随着 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 样微机可处理其它控制和检测任务：检测其它状态、处理键盘和显示消息、数据分析和计算等。大多数专用运动控制卡都提供了 境下的动态链接库，使用非常方便，不仅大大缩短产品研制和开发周期，而且能够实现更完善的运动控制系统。 于 的运动控制卡常见解决方案 从用户使用的角度来看，基于 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： 1. 基于大规模集成电路，如 8253、 8254，利用其内部的计数器功能，可通过编码器改变其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 四川大学硕士学位论文 基于 口运动控制卡的研究 8 图 于 8254 的步进电机控制卡硬件组成框图 2. 基于单片机，如 8031、 8098，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 019。 信号交换 器 电路 控制总线、地址 总线缓冲电路 时钟 电路 输出锁存 电路 卡地址译码选择 电路 信号分频 电路 输出放大 电路 数据总线 缓冲电路 通道 A 输出 通道 B 输出 线接口 四川大学硕士学位论文 基于 口运动控制卡的研究 9 图 于 80交流伺服电机控制卡硬件结构框图 图 进电机控 制卡硬件组成框图 数据线 P C 总 线 接 口 地址译码 步进电机 控制器 缓冲器 光隔离 输出 脉冲、方向信号输出 中断选择 译码 控制器 光隔离 输入 开关信号输入 I/O 模块 出 入 地址线 /B B /A A 位机 数据 缓冲器 数据 锁存器 地址 译码器 80置控制部分 光 电 编码器 差 分 接收器 光电 隔离 四倍频 电路 8254 计数器 四川大学硕士学位论文 基于 口运动控制卡的研究 10 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。 4. 基于数字信号处理器（ 。 90年代以来，数字信号处理器（ 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。成都步进机电有限公司研制的基于数字信号处理器（ 现场可编程门阵列（ 件的 的运动控制卡，其速度高、性能好、精度高和平稳性好等优点在激光雕刻行业得到广泛应用。其硬件组成如图 图 于 制卡硬件组成框图 20 线控制器( 路模拟 信号输出 普通光耦 高速光耦 高速光耦 编码器反馈信号 外部机械信号输入 输出脉冲方向信号 四川大学硕士学位论文 基于 口运动控制卡的研究 11 于 单 方案 通过运动控制卡的上位控制方案和常见基于 们基本具备以下特点： 1、 采用专用芯片，价格昂贵 2、 采用多块芯 片，通信复杂 基于上述的分析，本论文，设计一款基于 于 线解决了上述因素带来的局限性，因此本论文对嵌入式运动控制技术的发展具有一定的推动作用。 课题的意义及论文的主要内容 本课题通过对开放式数控技术的全面调研和对运动控制技术的深入研究，并针对国内运动控制技术研究起步较晚的