基于FPGA的PCI接口運(yùn)動(dòng)控制卡的研究論文

1、 碩士學(xué)位論文題 目 基于FPGA的PCI接口運(yùn)動(dòng)控制卡的研究 76 / 84基于PCI的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究制造業(yè)是一個(gè)國(guó)家工業(yè)的基礎(chǔ)，而制造技術(shù)又是制造業(yè)的技術(shù)支柱，制造業(yè)水平的高低是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)達(dá)程度的重要標(biāo)志。以傳統(tǒng)機(jī)電工業(yè)為代表的制造業(yè)，正經(jīng)歷著深刻的變革。在這場(chǎng)革命中，大力發(fā)展先進(jìn)的制造技術(shù)已成為各國(guó)最重要的幾大技術(shù)戰(zhàn)略之一，先進(jìn)制造技術(shù)已經(jīng)是國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)與產(chǎn)品革新的一種重要手段。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過(guò)程進(jìn)行控制的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)，是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的最基本的裝備，是制造業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)，這個(gè)基礎(chǔ)牢固與否將直接影響到國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綜

2、合國(guó)力，關(guān)系到國(guó)家的戰(zhàn)略地位。運(yùn)動(dòng)控制器是以中央邏輯單元為核心，以傳感器為信號(hào)敏感元件，以電機(jī)/動(dòng)力裝置和執(zhí)行單元為控制對(duì)象的一種控制裝置。對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最重要的是控制各個(gè)電機(jī)軸的運(yùn)動(dòng)，這是運(yùn)動(dòng)控制器接收并依照數(shù)控裝置的指令來(lái)控制各個(gè)電機(jī)軸運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工的，數(shù)據(jù)加工中的定位控制精度、速度調(diào)節(jié)的性能等重要指標(biāo)都與運(yùn)動(dòng)控制器直接相關(guān)。目前對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的研究都集中在插入PC的NC控制器的研究上，而其核心部分就是對(duì)步進(jìn)、伺服電機(jī)進(jìn)行控制的運(yùn)動(dòng)控制卡的研究。對(duì)PC-NC來(lái)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)控制卡的性能很大程度上決定了整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的性能，而微電子和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展與其應(yīng)用，使運(yùn)動(dòng)控制卡的性能得到了不斷

3、改進(jìn)，集成度和可靠性大大提高。本課題通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的深入研究，并針對(duì)國(guó)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的研究起步較晚的現(xiàn)狀，結(jié)合當(dāng)前嵌入式領(lǐng)域的具體需要，緊跟當(dāng)前運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)研究的發(fā)展趨勢(shì)，吸收了數(shù)控技術(shù)和相關(guān)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的最新成果，提出了基于PCI和FPGA的方案 ，研制了一款比較新穎的、功能強(qiáng)大的、具有很大柔性的四軸多功能運(yùn)動(dòng)控制卡。本課題的具體研究主要有以下幾方面：首先，通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡與嵌入式系統(tǒng)等行業(yè)現(xiàn)狀的全面調(diào)研，和對(duì)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的深入學(xué)習(xí)，在比較了幾種常用的運(yùn)動(dòng)控制方案的基礎(chǔ)上，提出了基于FPGA 的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)方案，并規(guī)劃了板卡的總體設(shè)計(jì)。其次，根據(jù)總體設(shè)計(jì)，規(guī)劃了板卡的結(jié)構(gòu)，詳細(xì)劃分并實(shí)現(xiàn)了

4、FPGA各部分的功能；利用光電隔離原理設(shè)計(jì)了數(shù)字輸入/輸出電路。再次，利用FPGA的資源實(shí)現(xiàn)了PCI從設(shè)備接口，達(dá)到跟控制卡通信的目的，針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制中的一些具體問(wèn)題，如運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、實(shí)時(shí)控制以與多軸聯(lián)動(dòng)等，在FPGA上設(shè)計(jì)了四軸運(yùn)動(dòng)控制電路，定義了各個(gè)寄存器的具體功能，設(shè)計(jì)了功能齊全的加/減速控制電路、變頻分配電路、倍頻分頻電路和三個(gè)功能各異的計(jì)數(shù)器電路等，自動(dòng)降速點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、A/B相編碼器倍頻計(jì)數(shù)電路等特殊功能。最后，進(jìn)行了本運(yùn)動(dòng)控制卡的測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字測(cè)速在本運(yùn)動(dòng)控制卡中的應(yīng)用，從測(cè)試和應(yīng)用結(jié)果來(lái)看，該卡達(dá)到預(yù)期的要求。關(guān)鍵詞：PCI 數(shù)控 運(yùn)動(dòng)控制卡 FPGAThe Research of

5、Motion Control BoardBased on FPGACandidate：QinQinSupervisor： Lei YongMotion Controller (MC) is a control device that regards its central logic unit as the core, sensor as the sensitive component, and electromotor or executive unit as the controlled object.MC is very important in the ONCS, because it

6、 is the most important to control the movement of the motor of each axisin the NC system and the precision of position control and performance of velocity adjusting are directly related to MC. In the present, all of the researches of ONCS focus on that of the PC-based NC control device, whose key is

7、 the research of Motion Control Board (MCB) which is used to control stepping or servo motor. To PC-NC, in some degree, the performance of MCB decides thatof the whole NC system, further more, the development and application of technology of macroelectronics and Digital Signal Processing continuousl

8、y improve the performance of MCB and greatly increase the level of integration and dependability.During the research, through the overall survey of ONCS and deep study of Motion Control Technology (MCT), facing the behindhand actualityof research of domesticMCT, to meet the practicalrequirements of

9、the laser carving field, following the developing trend of the present MCT, drawing on the new production of the present ONCS and relating MCT, bringing forward the solution based on FPGA, we have developed a four-axis multifunctional MCB which is very original, powerful and flexible.In the paper, t

10、here are the following majorcontents:Firstly, through the overall survey of ONCS, embedded system and MCB, and deep study of MCT,after comparingthe common solutions ofmotion control, we brought forward thesolution of motion controlbased on FPGA, and made out the whole design solution of board.Second

11、ly, according to the whole design solution, we figured out the whole architecture of board, and plotted out and implemented the respective function of FPGA in detail. Further more, we designed digital input/output circuit according to the principle of photoelectricityisolation, four-channel analog o

12、utput circuit by the priciple of DAC and put forward effective anti-jammingmeasuresin allusion to common jamming phenomena.Thirdly, in allusion to some prcatical problems in the motion control, such as high speed, high precision, motionstabilization, real-time control and muti-axis contouring contro

13、l, etc, we designed a four-axis MCB in the FPGA.We defined the functions of all of the registers in detail, designed perfect Acceleration/ Deceleration Control Circuit, Variable Frequency Divider Circuit, Multiplication Factor FrequencyDivider Circuit and three different counter circuits, achieved s

14、pecial functions of the S-curve Acceleration/ Deceleration Control, Ramping-down Point Counter & Calculation Circuit and A/B encoder multi-frequency circuit, etc.Finally, we made out the test of board and came true the application of full-digital measure on the board. The motion control board me

15、t anticipative demand according to the result of test and application.Keywords: FPGA, NumericalControl, Motion Control Board PCI目 錄1 緒論11.1 開(kāi)放式數(shù)控與其發(fā)展11.1.1 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的基本特征21.1.2 國(guó)外數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展21.1.3 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)41.2 運(yùn)動(dòng)控制器與其研究現(xiàn)狀51.2.1 運(yùn)動(dòng)控制器的特點(diǎn)與發(fā)展現(xiàn)狀51.2.2 常見(jiàn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)上位控制方案61.2.3 基于PC機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制卡常見(jiàn)解決方案71.2.4 基于單FPGA的

16、方案111.3 本課題的意義與論文的主要容112 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)132.1 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制技術(shù)132.1.1 連續(xù)運(yùn)動(dòng)軌跡插補(bǔ)原理132.1.2 位置控制技術(shù)142.2 基于PCI的運(yùn)動(dòng)控制卡162.2.1 嵌入式系統(tǒng)概念163 運(yùn)動(dòng)控制卡硬件設(shè)計(jì)173.1 可編程邏輯器件簡(jiǎn)介17MPC07結(jié)構(gòu)示意圖18MPC07轉(zhuǎn)接卡結(jié)構(gòu)示意圖19功能模塊分析19模塊119模塊2193.4 外圍電路設(shè)計(jì)193.4.1 光電隔離原理193.4.2 數(shù)字I/O信號(hào)的接線方法20可編程器件的程序設(shè)計(jì)22程序（或功能）模塊1（PCI模塊）25功能說(shuō)明25流程圖（C等）/方框圖（FPGA）26PCI接口配置空間的實(shí)

17、現(xiàn)304 基于FPGA的運(yùn)動(dòng)控制模塊（MCM）324.1 MCM總體結(jié)構(gòu)324.2 寄存器模塊344.2.1 寄存器尋址344.2.2 參數(shù)寄存器344.2.3 命令和狀態(tài)緩沖器364.3 速度模式模塊404.3.1 倍率因子參數(shù)414.3.2 脈沖頻率、414.3.3 加速、減速參數(shù)寄存器R4、R5424.3.4 S-曲線加速部分寄存器R14424.3.5 S-曲線減速部分寄存器R15424.3.6 加/減速時(shí)間434.3.7 自動(dòng)降速點(diǎn)434.4 輸出脈沖產(chǎn)生電路模塊464.4.1 加/減速控制電路474.4.2 變頻分配電路494.4.3 倍率分頻電路504.5 編碼器模塊設(shè)計(jì)504.6

18、 計(jì)數(shù)器模塊電路524.6.1 預(yù)置計(jì)數(shù)器524.6.2 自動(dòng)降速點(diǎn)計(jì)數(shù)器524.6.3 當(dāng)前位置計(jì)數(shù)器544.7 操作模式模塊544.7.1 連續(xù)模式554.7.2 預(yù)置模式564.7.3 回零模式565 基于PCI的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制卡的系統(tǒng)測(cè)試595.1 PCI與CPLD的數(shù)據(jù)交換595.1.1 運(yùn)動(dòng)控制芯片的地址空間595.1.2 PC機(jī)對(duì)寄存器的讀寫(xiě)操作605.2 CPLD與FPGA的數(shù)據(jù)交換615.2.1 FPGA運(yùn)動(dòng)控制模塊的部寄存器615.2.2 運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫(kù)615.2.3 運(yùn)動(dòng)控制卡功能測(cè)試645.3 全數(shù)字轉(zhuǎn)速測(cè)量在本卡中的實(shí)現(xiàn)655.3.1 前言655.3.2 M/T轉(zhuǎn)速測(cè)

19、量法工作原理665.3.3 全數(shù)字轉(zhuǎn)速測(cè)量電路675.3.4 運(yùn)行結(jié)果與誤差分析696 全文總結(jié)與展望706.1 全文總結(jié)706.2 研究展望70參考文獻(xiàn)72聲 明致 1 緒論制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，其水平高低是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)達(dá)程度的重要標(biāo)志1。大力發(fā)展先進(jìn)的制造技術(shù)已成為世界各國(guó)最重要的幾大技術(shù)戰(zhàn)略之一。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過(guò)程進(jìn)行控制的技術(shù)，是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的最基本的裝備，是制造業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ) 1。要發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)，首先必須重視制造單元技術(shù)（數(shù)控技術(shù)、加工單元、柔性制造單元等）。計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)14（Computer Numerical Cont

20、rol，簡(jiǎn)稱CNC）集傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、成組技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、液壓氣動(dòng)技術(shù)、光機(jī)電于一體，是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)。它的廣泛使用給機(jī)械制造業(yè)生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、管理方式帶來(lái)深刻的變化。數(shù)控技術(shù)是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、柔性化、集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，現(xiàn)代CAD/CAM、FMS、CIMS等也都是以數(shù)控技術(shù)為基礎(chǔ)。因此數(shù)控技術(shù)水平的高低已成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化的重要標(biāo)志。數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控技術(shù)的核心，也是數(shù)控發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，其功能強(qiáng)弱、性能優(yōu)劣直接影響著數(shù)控設(shè)備的加工質(zhì)量和效能發(fā)揮，對(duì)整個(gè)制造系統(tǒng)的集成控制、高效運(yùn)行、更新發(fā)展都具有至關(guān)重要的影響3-4。因

21、此，數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)不僅作為數(shù)控發(fā)展的先導(dǎo)技術(shù)，而且作為制造業(yè)的基礎(chǔ)性戰(zhàn)略技術(shù)，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視和發(fā)展。1.1開(kāi)放式數(shù)控與其發(fā)展數(shù)字控制技術(shù)5（Numerical Control，簡(jiǎn)稱NC），是近代發(fā)展起來(lái)的一種自動(dòng)控制技術(shù)，是使用數(shù)字信號(hào)對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)與加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種方法。數(shù)控系統(tǒng)（Numerical Control System）是一種控制系統(tǒng)，它能自動(dòng)完成信息的輸入、譯碼、運(yùn)算，從而控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)和加工過(guò)程。數(shù)控系統(tǒng)一般包括數(shù)控裝置、可編程控制器（Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱PLC）、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與進(jìn)給裝置等部分。數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心，它

22、完成信息的輸入、存儲(chǔ)、變換、插補(bǔ)運(yùn)算以與實(shí)現(xiàn)各種控制功能。伺服系統(tǒng)與進(jìn)給裝置接收數(shù)控裝置的指令，驅(qū)動(dòng)機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。1.1.1開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的基本特征根據(jù)國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）關(guān)于開(kāi)放式系統(tǒng)的定義：能夠在多種不同的平臺(tái)上運(yùn)行，可以和其他系統(tǒng)的應(yīng)用互操作，并能給用戶提供一種一致風(fēng)格的交互方式。開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)普遍采用模塊化、層次化的結(jié)構(gòu)，并通過(guò)各種形式向外提供統(tǒng)一的應(yīng)用程序接口，具有可移植性、可擴(kuò)展性、互操作性和可縮放性等特點(diǎn)，即系統(tǒng)組成的部開(kāi)放化和系統(tǒng)組成各部件之間的開(kāi)放化。開(kāi)放式系統(tǒng)具有以下基本特征：1. 開(kāi)放性。提供標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境的基礎(chǔ)平臺(tái)，允許不同功能和不同開(kāi)發(fā)商的軟硬件模塊介

23、入。2. 可互操作性。通過(guò)提供標(biāo)準(zhǔn)化接口、通信和交互機(jī)制，使不同的功能模塊與標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口運(yùn)行于系統(tǒng)平臺(tái)之上，并獲得平等的相互操作能力，協(xié)調(diào)工作。3. 可移植性。系統(tǒng)的功能軟件與設(shè)備無(wú)關(guān)，即應(yīng)用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式、交互模型、控制機(jī)理，使構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊可來(lái)源于不同的開(kāi)發(fā)商提供的硬件平臺(tái)之上。4. 可擴(kuò)展性。CNC系統(tǒng)的功能、模塊可以靈活設(shè)置，方便修改，既可以增加硬件或軟件構(gòu)成功能更強(qiáng)的系統(tǒng)，也可以裁減其功能以適應(yīng)低端應(yīng)用。5. 可互換性。不同性能、不同可靠性和不同能力的功能模塊可以相互替代，而不影響系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。1.1.2國(guó)外數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展數(shù)控技術(shù)從一誕生起就同其它技術(shù)緊密聯(lián)系在一

24、起，是機(jī)械、微電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)信息等技術(shù)交叉應(yīng)用的產(chǎn)物。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)無(wú)論在硬件或軟件方面發(fā)展都很快，數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段6-9：1. 1956年1974年，專用硬件NC時(shí)代這一階段的數(shù)控系統(tǒng)，各種控制功能均由硬件邏輯完成，成為“硬件”數(shù)控，其功能簡(jiǎn)單，靈活性差，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，系統(tǒng)可靠性低，因而限制了其進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。2. 1975年1989年，專用計(jì)算機(jī)數(shù)控時(shí)代，即微處理器NC時(shí)代70年代末、80年代初，隨著超大規(guī)模集成電路、大容量存儲(chǔ)器、CRT的普與應(yīng)用，CNC系統(tǒng)得到進(jìn)一步發(fā)展。它雖然仍以微處理器為基礎(chǔ)，但控制功能更為完備，具備了多功能的技

25、術(shù)特征，尤其在軟件技術(shù)方面發(fā)展更快，具有了交互式對(duì)話編程，三維圖形動(dòng)顯示/校驗(yàn)，實(shí)時(shí)軟件精度補(bǔ)償?shù)裙δ?。在系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)上，開(kāi)始出現(xiàn)了柔性化、模塊化的多處理機(jī)結(jié)構(gòu)。數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品也逐步實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。3. 1990年1995年，高速高精度CNC的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用階段32位CPU以其很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力在CNC中得到了應(yīng)用，使CNC系統(tǒng)進(jìn)入了面向高速、高精度的CNC的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用階段?？偨Y(jié)上述數(shù)控系統(tǒng)的三個(gè)發(fā)展歷程，NC裝置存在著以下局限性：1) 不能自由地從信息網(wǎng)上選取信息；2) 體系結(jié)構(gòu)不開(kāi)放，用戶接口不完善，機(jī)械廠家和用戶不能自主地根據(jù)需要對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行裁剪，用戶自身的技術(shù)訣竅不能方便地融入，創(chuàng)造

26、出自己的名牌產(chǎn)品；3) 不能充分地利用已有的通用軟件資源；4) 不能自由地獲取外部的工況信息；5) 體系結(jié)構(gòu)繁多，不利于批量生產(chǎn)、提高可靠性和降低成本，削弱了市場(chǎng)供應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力，同時(shí)限制了數(shù)控技術(shù)的發(fā)展。4. 1996年至今，開(kāi)始全PC開(kāi)放式智能化數(shù)控新階段數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入基于PC的CNC系統(tǒng)階段。PC的引入，不僅為CNC提供十分堅(jiān)實(shí)的硬件資源和極其豐富的軟件資源，更為CNC的開(kāi)放式提供了基礎(chǔ)12-14。與國(guó)際先進(jìn)水平相比，我國(guó)國(guó)的數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，從無(wú)到有，從引進(jìn)消化到擁有自己獨(dú)立的自主，取得了相當(dāng)大的進(jìn)步。但回顧這幾十年的發(fā)展，可以看到我國(guó)在數(shù)控領(lǐng)域的進(jìn)步主要還是按國(guó)外一些

27、模式，按部就班地發(fā)展，真正創(chuàng)新的成分不多1。1.1.3現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)為更好滿足市場(chǎng)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，滿足現(xiàn)代制造技術(shù)對(duì)數(shù)控技術(shù)提出的要求，當(dāng)今數(shù)控技術(shù)呈現(xiàn)新的發(fā)展趨勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)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CNC系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)。當(dāng)今先進(jìn)的CNC系統(tǒng)都已完成了由16位處理器向32位微處理器的過(guò)渡，大大提高了CNC的數(shù)據(jù)處理能力和程序執(zhí)行速度。不少系統(tǒng)通過(guò)配置多微處理器實(shí)現(xiàn)分散處理，采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)進(jìn)行并行處理的措施，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度，為高速高精度加工控制指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了必要的條件，使得高速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制中的自適

28、應(yīng)平滑升降速控制、自由曲線加工的部矢量精插補(bǔ)等復(fù)雜算法得以實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的控制指標(biāo)大幅度提高。2. 智能化、開(kāi)放化、網(wǎng)絡(luò)化1、柔性化和集成化1) 智能化15運(yùn)用體現(xiàn)在數(shù)控系統(tǒng)中以下幾個(gè)方面：I. 為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成；II. 為提高驅(qū)動(dòng)性能與使用連接方便方面的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等；III. 簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作方面的智能化，如智能化的自動(dòng)編程，智能化的人機(jī)界面等；IV. 智能診斷、智能監(jiān)控方面的容，方便系統(tǒng)的診斷與維修等。2) 數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開(kāi)放性16-17主要是為了滿足數(shù)控進(jìn)線、聯(lián)網(wǎng)、普與型個(gè)

29、性化，多品種、小批量、柔性化與數(shù)控迅速發(fā)展的要求。3) 柔性化和集成化柔性化技術(shù)的重點(diǎn)是以提高系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用化為前提，以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標(biāo)，注重加強(qiáng)單元技術(shù)的開(kāi)拓、完善，使CNC單機(jī)易于向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展，使數(shù)控機(jī)床與其構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)能方便地與CAD、CAM、CAPP、MTS聯(lián)網(wǎng)，向信息集成方向發(fā)展。1.2 運(yùn)動(dòng)控制器與其研究現(xiàn)狀1.2.1運(yùn)動(dòng)控制器的特點(diǎn)與發(fā)展現(xiàn)狀運(yùn)動(dòng)控制器是以微處理器為核心，以傳感器為信號(hào)敏感元件，以電機(jī)/動(dòng)力裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)為運(yùn)動(dòng)控制對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定運(yùn)動(dòng)軌跡目標(biāo)的一種控制裝置。隨著自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制器（步進(jìn)、交流、直流）的應(yīng)用已走出機(jī)械加

30、工行業(yè)，越來(lái)越多地應(yīng)用于其它工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備控制。主要數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)就是采用“PC+運(yùn)動(dòng)控制器”的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，它不僅具有信息處理能力強(qiáng)、開(kāi)放程度高、運(yùn)動(dòng)軌跡控制精確、通用性好等特點(diǎn)，而且還從很大程度上提高了現(xiàn)有加工制造的精度、柔性和應(yīng)付市場(chǎng)需求的能力。與傳統(tǒng)的數(shù)控裝置相比，運(yùn)動(dòng)控制器具有以下特點(diǎn)：1. 技術(shù)更新，功能更加強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)軌跡的控制，是傳統(tǒng)數(shù)控裝置的換代產(chǎn)品；2. 結(jié)構(gòu)形式模塊化，可以方便地相互組合，建立適用不同場(chǎng)合、不同功能需求的控制系統(tǒng)；3. 操作簡(jiǎn)單，在PC機(jī)上經(jīng)簡(jiǎn)單編程即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，而不一定需要專門(mén)的數(shù)控軟件。以運(yùn)動(dòng)控制器作為獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)部件可以明顯縮短新產(chǎn)

31、品的研制開(kāi)發(fā)周期，有利于使用者創(chuàng)造自己的品牌產(chǎn)品。目前，由于以DSP為代表的高速、高性能專用微處理器的出現(xiàn)和PC機(jī)的廣泛普與，開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器的發(fā)展趨勢(shì)是以DSP芯片作運(yùn)動(dòng)控制處理器，以PC機(jī)作為信息處理平臺(tái)，運(yùn)動(dòng)控制器以插卡形式嵌入PC機(jī)，即“PC+運(yùn)動(dòng)控制器”的模式。這樣將PC機(jī)的信息處理能力和開(kāi)放式的特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)軌跡控制能力有機(jī)地結(jié)合在一起，具有信息處理能力強(qiáng)、開(kāi)放程度高、運(yùn)動(dòng)軌跡控制準(zhǔn)確、通用性好的特點(diǎn)。1. 國(guó)外廣大的科技人員對(duì)基于DSP的運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行了深入研究，并取得了較好的成績(jī)，主要研究成果 7-14有美國(guó)Delta Tau公司、NI（美國(guó)國(guó)家儀器）和德國(guó)MOVTEC

32、公司的各種運(yùn)動(dòng)控制卡，其中，美國(guó)Delta Tau公司開(kāi)發(fā)出基于DSP的PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡，可完成插補(bǔ)運(yùn)算，伺服控制， PLC控制等實(shí)時(shí)控制功能。具有S曲線加/減速功能，可以實(shí)現(xiàn)直線、圓弧、螺旋線等多種插補(bǔ)方式，提供全新的高性能數(shù)字控制技術(shù)和WINDOWS平臺(tái)，并且可以方便地加入系統(tǒng)的硬件和軟件，能夠根據(jù)實(shí)際需要擴(kuò)展功能，滿足用戶在自動(dòng)控制各領(lǐng)域中的應(yīng)用。 PMAC可同時(shí)控制18根軸，每秒可執(zhí)行500個(gè)程序段，得到較為廣泛的應(yīng)用。2. 國(guó)針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器的研究從近幾年開(kāi)始開(kāi)展的比較多，但目前沒(méi)有專門(mén)用于開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制器，從現(xiàn)有的文獻(xiàn)來(lái)看主要是各個(gè)高校或科研院所為自己設(shè)計(jì)的基于PC的數(shù)控

33、系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制卡，并沒(méi)有形成一種通用的、系列化供應(yīng)于市場(chǎng)的產(chǎn)品。1.2.2 常見(jiàn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)上位控制方案運(yùn)動(dòng)控制器是控制技術(shù)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物。在現(xiàn)代電子技術(shù)的支持下，它通常以微處理器為核心，綜合軟件編程、運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)、控制算法分析、各運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)等功能，達(dá)到總體運(yùn)動(dòng)控制效果。在運(yùn)動(dòng)控制中，運(yùn)動(dòng)控制器還需對(duì)具體的運(yùn)動(dòng)速度、加速度、位置誤差等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)相關(guān)情況等作出反應(yīng)。運(yùn)動(dòng)控制器是從主機(jī)接收控制指令，從位置傳感器接收位置信息，向伺服電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路輸出運(yùn)動(dòng)指令。對(duì)于伺服電機(jī)位置閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它們主要是完成了位置環(huán)作用，可稱為數(shù)字伺服運(yùn)動(dòng)控制器，適用于一切交直流和步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)

34、控制。專用控制器的使用可把主機(jī)的軌跡插補(bǔ)與伺服閉環(huán)控制分離開(kāi)來(lái)，減少了主機(jī)計(jì)算負(fù)擔(dān)，且所有控制參數(shù)都可以由程序設(shè)定，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，位置環(huán)容易調(diào)整，有利于提高系統(tǒng)可靠性。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的上位控制方案一般有以下幾種18：1. 單片機(jī)系統(tǒng)采用單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，成本較低，但開(kāi)發(fā)難度較大，周期長(zhǎng)。這種方案適應(yīng)于產(chǎn)品批量較大、控制系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單、有單片機(jī)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的用戶。2. 專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制PLC許多品牌的PLC都可選配定位控制模塊，有些PLC的CPU單元本身就具有運(yùn)動(dòng)控制功能（如松下FP0）。這種方案一般適用于運(yùn)動(dòng)過(guò)程比較簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)軌跡固定的設(shè)備，如送料系統(tǒng)、自動(dòng)焊機(jī)等。如果需要簡(jiǎn)單修改少量運(yùn)動(dòng)參數(shù)

35、，如速度、位移等，可與工業(yè)人機(jī)界面配合使用。3. PC機(jī)和I/O卡用I/O卡通過(guò)PC機(jī)也可以輸出脈沖和方向信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)或數(shù)字式伺服電機(jī)，但所發(fā)的脈沖只能由軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以在運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)脈沖將占用PC機(jī)CPU大量的時(shí)間；另外，軟件發(fā)脈沖受到微機(jī)定時(shí)器的限制，最大脈沖頻率一般在100KHz左右，在控制伺服電機(jī)時(shí)會(huì)有速度和精度的矛盾問(wèn)題；再者，在Windows環(huán)境下由于其多任務(wù)的機(jī)制，若沒(méi)有深入Windows核進(jìn)行底層編程來(lái)發(fā)脈沖，幾乎不可能保證脈沖的均勻性。4. PC機(jī)和專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制卡這種方案隨著PC機(jī)的普與使用越來(lái)越多，將是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)主要的發(fā)展趨勢(shì)。這種方案可充分的利用計(jì)算機(jī)資源，可用

36、于運(yùn)動(dòng)過(guò)程、運(yùn)動(dòng)軌跡都比較復(fù)雜，而且柔性要求高的設(shè)備。在這種方案中，運(yùn)動(dòng)控制卡只需要從微機(jī)接收控制命令，然后自己完成與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的控制：發(fā)脈沖/方向信號(hào)、檢測(cè)限位/原點(diǎn)等信號(hào)，幾乎不占用微機(jī)CPU時(shí)間。這樣微機(jī)可處理其它控制和檢測(cè)任務(wù)：檢測(cè)其它狀態(tài)、處理鍵盤(pán)和顯示消息、數(shù)據(jù)分析和計(jì)算等。大多數(shù)專用運(yùn)動(dòng)控制卡都提供了Windows環(huán)境下的動(dòng)態(tài)庫(kù)，使用非常方便，不僅大大縮短產(chǎn)品研制和開(kāi)發(fā)周期，而且能夠?qū)崿F(xiàn)更完善的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。1.2.3 基于PC機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制卡常見(jiàn)解決方案從用戶使用的角度來(lái)看，基于PC機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制卡主要是功能上的差別：硬件接口（輸入/輸出信號(hào)的種類、性能）和軟件接口（運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫(kù)的

37、功能函數(shù)）。根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制卡的主控芯片，一般有以下幾種方案：1. 基于大規(guī)模集成電路，如8253、8254，利用其部的計(jì)數(shù)器功能，可通過(guò)編碼器改變其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度和位置控制。其硬件組成如圖1.1。信號(hào)交換器電路控制總線、地址總線緩沖電路時(shí)鐘電路輸出鎖存電路卡地址譯碼選擇電路信號(hào)分頻電路輸出放大電路數(shù)據(jù)總線緩沖電路通道A輸出通道B輸出PC總線接口圖1.1 基于8254的步進(jìn)電機(jī)控制卡硬件組成框圖2. 基于單片機(jī)，如8031、8098，這種方案比第一種要靈活的多，可通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)許多功能。以單片機(jī)為主控芯片，成本較低，外圍電路較為復(fù)雜，要加上存儲(chǔ)器、編碼器信號(hào)處理與D/A

38、轉(zhuǎn)換電路等，其控制算法有事先編好的程序固化在存儲(chǔ)器中。該方案采用在程序中靠延時(shí)來(lái)控制發(fā)脈沖，脈沖波形的質(zhì)量和頻率都受到限制，所以一般用于步進(jìn)電機(jī)控制。圖1.2是基于80C196的交流伺服電機(jī)控制卡的硬件結(jié)構(gòu)框圖19。/BB/AAINT1(IRQ11)INT0(IRQ10)ISA總線INT1INT0上位機(jī)數(shù)據(jù)緩沖器數(shù)據(jù)鎖存器地址譯碼器80C196KCCPU位置控制部分光 電編碼器差 分接收器光電隔離四倍頻電路8254計(jì)數(shù)器圖1.2基于80C196的交流伺服電機(jī)控制卡硬件結(jié)構(gòu)框圖數(shù)據(jù)線PC總線接口地址譯碼步進(jìn)電機(jī)控制器緩沖器光隔離輸出脈沖、方向信號(hào)輸出中斷選擇譯碼控制器光隔離輸入開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入I/O

39、模塊TTL輸出TTL輸入地址線圖1.3 步進(jìn)電機(jī)控制卡硬件組成框圖3. 基于專用運(yùn)動(dòng)控制芯片。該方案是將實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制所需的各種邏輯功能做在一塊專用集成電路，并提供一些專用的控制指令，同時(shí)具有一些諸如限位、零位開(kāi)關(guān)處理、電機(jī)使能、報(bào)警等必須的輔助功能，使用戶的軟件設(shè)計(jì)工作都減少到最小程度。集成度高，可靠性、實(shí)時(shí)性等較好；輸出脈沖頻率可達(dá)到幾兆赫茲，能夠滿足對(duì)步進(jìn)電機(jī)和數(shù)字式伺服電機(jī)的控制。其硬件組成如圖1.3。4. 基于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）型。90年代以來(lái)，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）在運(yùn)動(dòng)控制中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，這主要是因?yàn)樗母咚龠\(yùn)算使得很多復(fù)雜的控制算法和功能得以實(shí)現(xiàn)，而且集成度高，可

40、以實(shí)現(xiàn)高精度多軸伺服控制。步進(jìn)機(jī)電研制的基于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）器件的MPC03型的運(yùn)動(dòng)控制卡，其速度高、性能好、精度高和平穩(wěn)性好等優(yōu)點(diǎn)在激光雕刻行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。其硬件組成如圖1.4。PCI局部總線PCI總線控制器(PCI_DP) PCI總線接口DSPFlashSRAMFPGADACEPROM四路模擬信號(hào)輸出普通光耦高速光耦高速光耦編碼器反饋信號(hào)外部機(jī)械信號(hào)輸入輸出脈沖方向信號(hào)圖1.4 基于DSP和FPGA控制卡硬件組成框圖201.2.4 基于單FPGA的方案通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡的上位控制方案和常見(jiàn)基于PC的運(yùn)動(dòng)控制卡的用分析，它們基本具備以下特點(diǎn)：1、 采用專用

41、芯片，價(jià)格昂貴2、 采用多塊芯片，通信復(fù)雜基于上述的分析，本論文，設(shè)計(jì)一款基于FPGA實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制功能的四軸運(yùn)動(dòng)控制卡。由于PCI總線解決了上述因素帶來(lái)的局限性，因此本論文對(duì)嵌入式運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展具有一定的推動(dòng)作用。1.3本課題的意義與論文的主要容本課題通過(guò)對(duì)開(kāi)放式數(shù)控技術(shù)的全面調(diào)研和對(duì)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的深入研究，并針對(duì)國(guó)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)研究起步較晚的現(xiàn)狀，結(jié)合電機(jī)控制應(yīng)用領(lǐng)域的具體需要，緊跟當(dāng)前運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，吸收了世界開(kāi)放式數(shù)控技術(shù)和相關(guān)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的最新成果，通過(guò)PCI總線并基于CPLD(Complex Programmable Logic Device)和FPGA(Field Pro

42、grammable Gate Array)相結(jié)合的方案，研制了一款比較新穎的、功能強(qiáng)大的、具有很大柔性的四軸多功能運(yùn)動(dòng)控制卡。通過(guò)本課題全面深入的研究，提供了一套符合開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)要求的、采用PCI總線和基于FPGA的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制的方案，為小型機(jī)械控制的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)提供了更新更優(yōu)的控制方案，這必將為嵌入式控制系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)提供有價(jià)值的參考與借鑒，對(duì)我國(guó)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用起到推動(dòng)作用。本論文主要容如下：1. 對(duì)上位控制、運(yùn)動(dòng)控制卡與其行業(yè)現(xiàn)狀進(jìn)行全面調(diào)研和深入研究。2. 在對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制技術(shù)深入學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，比較幾種常用的運(yùn)動(dòng)控制方案，確定采用基于FPGA 的PCI總線運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)計(jì)方

43、案，并規(guī)劃板卡的總體結(jié)構(gòu)。3. 基于總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制卡的硬件電路。針對(duì)不同的情況和需要設(shè)計(jì)外圍電路。根據(jù)光電隔離原理設(shè)計(jì)數(shù)字輸入/輸出電路；結(jié)合DAC原理設(shè)計(jì)四路模擬輸出電路，以與設(shè)計(jì)PCI接口電路。4. 基于FPGA設(shè)計(jì)功能相互獨(dú)立的四軸運(yùn)動(dòng)控制電路，規(guī)劃并定義各個(gè)寄存器的具體功能，設(shè)計(jì)加/減速控制電路、變頻分配電路、倍頻分頻電路和三個(gè)功能各異的計(jì)數(shù)器電路等，設(shè)計(jì)S-曲線升/降速運(yùn)動(dòng)、自動(dòng)降速點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、A/B相編碼器倍頻計(jì)數(shù)電路等。5. 對(duì)整個(gè)嵌入式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。基于該卡設(shè)計(jì)全數(shù)字轉(zhuǎn)速測(cè)量電路以驗(yàn)證該卡設(shè)計(jì)的可行性。6. 最后總結(jié)研制過(guò)程中的得失，并展望數(shù)控的發(fā)展趨勢(shì)。2系統(tǒng)總體方

44、案設(shè)計(jì)2.1 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制技術(shù)在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，按機(jī)械運(yùn)動(dòng)的軌跡分類，可分為點(diǎn)位、直線、輪廓控制等。點(diǎn)位控制(Position Control)又稱為點(diǎn)到點(diǎn)控制(Point to Point Control)，是一種從某個(gè)位置向另一位置移動(dòng)時(shí)，不管中間的移動(dòng)軌跡如何，只要最后能到達(dá)目標(biāo)位置的控制方式。這類控制在移動(dòng)過(guò)程中，對(duì)兩點(diǎn)間的移動(dòng)速度與運(yùn)動(dòng)軌跡沒(méi)有嚴(yán)格要求，可以先沿一個(gè)坐標(biāo)移動(dòng)完畢，再沿另一個(gè)坐標(biāo)移動(dòng)，也可以沿多個(gè)坐標(biāo)同時(shí)移動(dòng)。直線控制(Strait Control)又稱為平行控制(Parallel Control)，這類運(yùn)動(dòng)除了控制點(diǎn)到點(diǎn)的準(zhǔn)確位置外，還要保證兩點(diǎn)之間移動(dòng)的軌跡是一條

45、直線，而且對(duì)移動(dòng)的速度也要進(jìn)行控制。輪廓控制(Contouring Control)又稱為連續(xù)軌跡控制(Continuous Path Control)，這類運(yùn)動(dòng)能夠?qū)蓚€(gè)或兩個(gè)以上運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的位移與速度進(jìn)行連續(xù)相關(guān)的控制，因而可以進(jìn)行曲線或曲面的運(yùn)動(dòng)21。在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，按執(zhí)行部件的類型分類可分為開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)。采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，沒(méi)有位置反饋和校正系統(tǒng)，其位移精度取決于步進(jìn)電機(jī)的步距角與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度等。而閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位移測(cè)量和位置比較環(huán)節(jié)，這樣可以達(dá)到比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)更高的精度與運(yùn)行速度21。2.1.1 連續(xù)運(yùn)動(dòng)軌跡插補(bǔ)原理連續(xù)運(yùn)動(dòng)軌跡是諸如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等機(jī)械

46、的一種典型運(yùn)動(dòng)方式，這種控制在本質(zhì)上屬于伺服系統(tǒng)。插補(bǔ)是一個(gè)實(shí)時(shí)進(jìn)行的數(shù)據(jù)密化的過(guò)程，不論是何種插補(bǔ)算法，運(yùn)算原理基本一樣，其作用都是根據(jù)給定的信息進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，不斷計(jì)算出參與運(yùn)動(dòng)的各坐標(biāo)軸的進(jìn)給指令，然后分別驅(qū)動(dòng)各自相應(yīng)的執(zhí)行部件產(chǎn)生協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，以使被控部件按理想的路線與速度移動(dòng)，由此，軌跡插補(bǔ)與坐標(biāo)軸位置伺服控制是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的兩個(gè)主要環(huán)節(jié)。插補(bǔ)運(yùn)算是軌跡控制中最重要的計(jì)算任務(wù)，而插補(bǔ)計(jì)算又必須是實(shí)時(shí)的，即必須在有限的時(shí)間完成計(jì)算任務(wù)。因此，除了要保證插補(bǔ)計(jì)算的精度外，還要求算法簡(jiǎn)單，一般采用迭代算法，這樣可以避免三角函數(shù)計(jì)算，同時(shí)減少乘除與開(kāi)方運(yùn)算，它的運(yùn)算精度直接影響運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制速度，

47、而插補(bǔ)計(jì)算精度又影響整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的精度，人們一直在努力探求計(jì)算速度快同時(shí)計(jì)算精度又高的插補(bǔ)方法。目前普遍使用的插補(bǔ)算法分為兩大類：基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)和數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)22?；鶞?zhǔn)脈沖插補(bǔ)又稱脈沖增量插補(bǔ)或行程標(biāo)量插補(bǔ)，其特點(diǎn)是每插補(bǔ)運(yùn)算一次，最多給每一運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸送出一個(gè)進(jìn)給脈沖。每次插補(bǔ)結(jié)束，數(shù)控裝置向每一軸輸出基準(zhǔn)脈沖序列，每個(gè)脈沖代表其最小位移量，脈沖序列的頻率代表運(yùn)動(dòng)的速度，脈沖的數(shù)量表示其位移量?；鶞?zhǔn)脈沖插補(bǔ)適用于步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)裝置的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)又稱為時(shí)間標(biāo)量插補(bǔ)或數(shù)字增量插補(bǔ)。其特點(diǎn)是插補(bǔ)運(yùn)算分粗插補(bǔ)和精插補(bǔ)兩步完成。它是在給定起點(diǎn)和終點(diǎn)的曲線之間插入若干等分點(diǎn)，用若干條微小直線段

48、來(lái)逼近給定的曲線。精插補(bǔ)是在粗插補(bǔ)算出的每一微小直線段的長(zhǎng)度基礎(chǔ)上再作“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化”工作，相當(dāng)于對(duì)直線的脈沖增量插補(bǔ)。數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)方法適用于閉環(huán)、半閉環(huán)以與直流和交流伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)裝置的位置采樣控制系統(tǒng)。2.1.2 位置控制技術(shù)位置控制是常被稱之為伺服控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本功能，它要求體現(xiàn)調(diào)速圍寬、負(fù)載特性硬、反應(yīng)速度快、多軸聯(lián)動(dòng)響應(yīng)一致等多方面的性能指標(biāo)，其中的重要指標(biāo)是跟追誤差、定位精度與允許運(yùn)動(dòng)速度的高低等。因此，研究與開(kāi)發(fā)高性能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與位置控制系統(tǒng)，一直是研究數(shù)控機(jī)床與機(jī)器人等的關(guān)鍵技術(shù)之一21。位置控制系統(tǒng)又分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種，開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)一般用于精度與速度要求不高、成本低

49、的場(chǎng)合。而在要求高精度、高速度的場(chǎng)合，則采用直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)的閉環(huán)位置控制。位置控制的職能是精確地控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的坐標(biāo)位置，例如數(shù)控計(jì)算機(jī)將插補(bǔ)計(jì)算得出的各軸位移量送入位置控制單元，而對(duì)閉環(huán)位置控制系統(tǒng)（又稱為位置伺服系統(tǒng)）來(lái)說(shuō)，位置控制單元根據(jù)位移量大小產(chǎn)生進(jìn)給速度指令，并接收位置反饋修正速度指令值，實(shí)現(xiàn)快速而準(zhǔn)確的跟追位置指令的運(yùn)動(dòng)。1. 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的有關(guān)控制技術(shù)步進(jìn)電機(jī)是一種增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件，這種元件是將數(shù)字脈沖輸入轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的一種裝置，當(dāng)采用適當(dāng)?shù)目刂茣r(shí)，步進(jìn)電機(jī)的輸出步數(shù)總是和輸入指令的電脈沖相等，因此它可以作為開(kāi)環(huán)位置系統(tǒng)工作。在增量運(yùn)動(dòng)方面，

50、步進(jìn)電機(jī)可以用作具有迅速加速、減速和停機(jī)功能的起停運(yùn)動(dòng)控制器。步進(jìn)電機(jī)以具有轉(zhuǎn)子慣量、無(wú)漂移和無(wú)累積誤差為特征，而且其控制路線經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單，不需反饋編碼器和相應(yīng)的電子線路，特別是近年來(lái)微機(jī)方面的發(fā)展，使步進(jìn)電機(jī)的控制性能大為改善，所以在很多位置和速度控制的應(yīng)用中都是比較理想的。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要是由步進(jìn)控制器、功率放大器與步進(jìn)電機(jī)組成。純硬件的步進(jìn)電機(jī)控制器由脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器、控制邏輯等組成。它的作用就是能把代表轉(zhuǎn)速的脈沖串分配給步進(jìn)電機(jī)的各個(gè)繞組，讓步進(jìn)電機(jī)按既定的方向和轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。若采用微機(jī)技術(shù)，以軟件與硬件相結(jié)合的方式改造上述步進(jìn)控制器，則不僅可在硬件上簡(jiǎn)化電路，降低成本，而且可靠性也

51、會(huì)大為提高。2. 伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的位置閉環(huán)控制采用伺服電機(jī)的閉環(huán)系統(tǒng)主要由執(zhí)行元件（如交直流伺服電機(jī)、液壓馬達(dá)等）、反饋檢測(cè)元件、比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)線路和機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)五部分組成。其中，比較環(huán)節(jié)的作用是將指令信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差，經(jīng)驅(qū)動(dòng)控制執(zhí)行元件帶動(dòng)機(jī)械位移，直到跟隨誤差為零。根據(jù)比較環(huán)節(jié)組成的閉環(huán)位置控制方式，伺服系統(tǒng)也有多種形式。隨著微處理器與控制技術(shù)的介入和完善，由硬件組成的比較環(huán)節(jié)將由軟件實(shí)現(xiàn)的位置控制環(huán)取代，即由模擬式向數(shù)字化方向過(guò)渡，以適應(yīng)更高速度與精度的需要，而且系統(tǒng)中的電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的反饋控制全部數(shù)字化，全部伺服的控制模型均由高速微處理

52、器與其控制軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，采樣周期只有零點(diǎn)幾毫秒，采樣前饋與反饋結(jié)合的復(fù)合控制可以實(shí)現(xiàn)高精度和高速度，近年來(lái)又出現(xiàn)了學(xué)習(xí)控制這一智能型伺服控制，在周期性的高速度、高精度跟蹤中，幾乎可以消除第一個(gè)周期以外的全部伺服誤差，數(shù)字化的軟件伺服是當(dāng)今的發(fā)展趨勢(shì)。2.2 基于PCI的運(yùn)動(dòng)控制卡根據(jù)我國(guó)加工業(yè)快速發(fā)展的需要，發(fā)展符合中、低端數(shù)控設(shè)備需求的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，有其廣闊的市場(chǎng)前景。這類系統(tǒng)必須具有嵌入式特征和較低廉的價(jià)格。因此，本論文提出一種基于PCI的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)解決方案。為此，有必要先介紹一下嵌入式系統(tǒng)和嵌入式計(jì)算機(jī)與其應(yīng)用。2.2.1 嵌入式系統(tǒng)概念嵌入式系統(tǒng)是指操作系統(tǒng)和功能軟件集成于計(jì)

53、算機(jī)硬件系統(tǒng)之中，即系統(tǒng)的應(yīng)用軟件與系統(tǒng)硬件一體化。具有軟件代碼小、高度自動(dòng)化、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。特別適合于要時(shí)的和多任務(wù)的體系。嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的，它是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。在模塊化設(shè)計(jì)出現(xiàn)以前，主要有兩種嵌入式微機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法：基于芯片和基于模塊的設(shè)計(jì)方法。前者是指設(shè)計(jì)全部從芯片開(kāi)始，它可以有針對(duì)性的滿足用戶系統(tǒng)要求，產(chǎn)品成本也較低。但缺點(diǎn)是開(kāi)發(fā)費(fèi)用高，研發(fā)周期長(zhǎng)，因而滿足不了當(dāng)今競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)環(huán)境。后者是指用市場(chǎng)上銷售的總線模塊板來(lái)組建自己的微機(jī)系統(tǒng)，它能大大縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，但產(chǎn)品往往成本高、體積大、靈活性差，限制了

54、其在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用，如國(guó)的STD總線工控機(jī)。隨著芯片集成度的提高、功能的加強(qiáng)、價(jià)格的下降、PCB板制作工藝的改進(jìn)、元器件封裝和安裝技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)，并逐漸成為嵌入式微機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)趨勢(shì)。所謂“模塊”是指一種體積較小的多集成塊組件，通常是一塊12906452mm2的電路板，多個(gè)模塊可以采用插針和插座的方式連接，也可以象安裝集成塊那樣將模塊插入用戶專用底板上。3 運(yùn)動(dòng)控制卡硬件設(shè)計(jì)3.1 可編程邏輯器件簡(jiǎn)介隨著半導(dǎo)體技術(shù)、集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)手段發(fā)生了很大的變化，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法逐漸退出歷史舞臺(tái)，而基于EDA(Electronics Design A

55、utomation)技術(shù)的芯片設(shè)計(jì)方成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流25。大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD(Complex Programmable Logic Device)和FPGA是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的兩類可編程專用集成電路ASIC（Application Specified Integrate Circuit）。電子設(shè)計(jì)工程師利用它可以在辦公室或?qū)嶒?yàn)室里設(shè)計(jì)出所需要的專用集成電路，從而大大縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間，降低了開(kāi)發(fā)成本。此外，可編程邏輯器件還具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以象軟件一樣通過(guò)編程來(lái)修改，這樣就極提高了電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性和通用性25?？删幊踢壿嬈骷?，主要是指C

56、PLD和FPGA。由于以EEPROM、SRAM或FLASH為基礎(chǔ)，用戶可以通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)芯片進(jìn)行編程，大大降低成本和縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。FPGA是一種將門(mén)陣列的通用結(jié)構(gòu)與PLD的現(xiàn)場(chǎng)可編程特性結(jié)合于一體的新型器件，可以實(shí)時(shí)地對(duì)外加或置的RAM或EPROM編程，實(shí)時(shí)地改變器件功能，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)可編程（基于EPROM）或在線重配置（基于RAM）是科學(xué)試驗(yàn)、樣機(jī)研制、小批量生產(chǎn)的最佳選擇26。電路設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)一個(gè)電路首先要確定電路（也可以用VHDL進(jìn)行行為描述，然后做邏輯綜合），然后進(jìn)行軟件模擬與優(yōu)化，以確認(rèn)設(shè)計(jì)電路的功能和性能。然而隨著電路規(guī)模的不斷增大和工作頻率的提高，將會(huì)給電路引入很多分布參數(shù)的影響，而這些影響很難用軟件來(lái)反映，所以有必要做硬件仿真。FPGA就可以實(shí)現(xiàn)硬件仿真，將軟件模擬后的線路經(jīng)過(guò)處理后下載到FPGA，設(shè)計(jì)者就可以直觀地測(cè)試其邏輯功能與性能指標(biāo)26。采用系統(tǒng)可再編程的技術(shù)，使得系統(tǒng)硬件的功能可以象軟件一樣被編程配置，從而可以實(shí)時(shí)地進(jìn)行更改和開(kāi)發(fā)