基于DSP的運動控制器的設計與研究_圖文

1、華中師范大學碩士學位論文基于DSP的運動控制器的設計與研究姓名：張玉姣申請學位級別：碩士專業(yè)：電路與系統(tǒng)指導教師：張國平20090501碩士學位論文摘要在當河的數(shù)控技術發(fā)展中，丌放式數(shù)控技術是一個主要方向，在高端數(shù)控技術高速高精度的運動控制器的開發(fā)占有舉足輕重的地位。以數(shù)字信號處理器（）為核心的運動控制器目前成為發(fā)展主流。這種運動控制器可以方便地嵌入機中，結合機強大的信息處理能力和開放式特點，廣泛應用于各種運動控制領域。本文通過對運動控制技術的深入研究，設計了款以和為主控單元、基：總線的運動控制卡。該控制器采用了高性能的位定點芯片作為核心控制：卷片，完成了整個運動控制系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方案的設計。

2、本文詳細說明了該運動控制系統(tǒng)的硬件結構，并對控制算法進行了分析與設計。完成了包括時鐘電路、電源電路、電路、通信電路、轉換電路、差分整形乜路等硬件的設計?？矗∵\動控制算法一，主要研究了位置控制、捅補算法和速度控制等關鍵技術，著重分析了一種在輪廓加：中很有效的數(shù)據采樣插補算法時分割法，并對這種算法的圓弧捅補算法進行了改進，使得捅補精度得劍了提高。在設計硬件電路和控制算法的叢礎之上，本文對控制器進行了軟件的設計。軟件設計包括主程序設計及各和一巾斷服務程序設計，并對改進前后的圓弧捕補算法的插補結果進行了比較分析，證實了改進方法的叮行性和有效性。關鍵詞：開放式數(shù)控；運動控制；插補算法碩士學位論文。（），

3、（）一，一，：；碩士學位論文華中師范大學學位論文原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師指導下，獨立進行研究工作所取得的研究成果。除文中已經標明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本聲明的法律結果由本人承擔。作者簽名：疋弘嗍：刁“月學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的艦定，即：學校有權保留并向幽家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權華中師范大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據庫進行

4、檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存承匯編本學位論文。同時授權中國科學技術信息研究所將本學位論文收錄到中國學位論文全文數(shù)據庫，并通過網絡向社會公眾提供信息服務。作者簽名：弘辦三日期研年占月日本人已經認真閱讀“高校學位論文全文數(shù)據庫發(fā)布章程”，同意將本人的學位論文提交“高校學位論文全文數(shù)據庫”中全文發(fā)布，并可按“章程”中的規(guī)定享受相關權益。圃童途塞握鑾卮進卮！旦主生；旦二生；旦三生筮塑：作者簽名：；之、×日期：年月日導師日期碩士學位論文第一章緒論開放式數(shù)控系統(tǒng)的概念在現(xiàn)代制造技術中，數(shù)控技術是關鍵技術。數(shù)控技術采用數(shù)字化信息對機械裝置的運動軌跡和工作過程進行控制，集機械制造技術

5、、計算機信息處理技術、自動控制技術、精密檢測技術、伺服驅動技術和網絡通信技術等高新技術于一體，具有高速、高精度、智能化、開放化等特點。隨著微電二和計算機技術的迅速發(fā)展，數(shù)控技術的發(fā)展也人大加快，傳統(tǒng)的制造業(yè)正發(fā)生著巨大的變化。同時，由于市場需求同新月異的變化，數(shù)控技術也面臨蓿臣大的挑戰(zhàn)。“數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)字控制系統(tǒng)的簡稱（），早期是由硬件電路構成的，年代以后，逐步由專用計算機代替，稱為計算機數(shù)控（，）。自年美國麻省理工學院采用電子管元件試制成功第一臺三舉標數(shù)控銑床以來，數(shù)控技術獲得了很大的發(fā)展，歷經了個階段，包括最初的電子管時代，晶體管時代，中小規(guī)模集成電路時代的硬件數(shù)控階段，以及年代后基于小型計

6、算機和目前微處琿器結合的大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的軟件數(shù)控階段。在現(xiàn)代制造業(yè)中，數(shù)控技術是制造自動化的基礎和核心，一個幽家數(shù)控技術水平的高低和裝備的擁有量是衡量其工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標志，。傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)硬件結構封閉，控制軟件的靈活性和兼容性差，用戶無法根據自己的特殊需求對數(shù)控功能進行有針對性的修改和擴展。隨著經濟全球化的同益發(fā)展，這種結構顯然已經無法再適應現(xiàn)代制造業(yè)市場的巨大變化與競爭，也不能夠滿足其向著開放化、智能化、網絡化的制造模式發(fā)展的需要，并且市場卜對于具有良好柔性并適合中小批量加工的低成本數(shù)控產品的需求大大增加，因此，開放式數(shù)控系統(tǒng)成為現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢【。開放式數(shù)控系統(tǒng)的本

7、質是可以在統(tǒng)一的運行平臺上進行數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)，以通用個人計算機的硬件和軟件為基礎，采用層次化、模塊化的體系結構，能以各種不同的形式對外界提供統(tǒng)一的應用程序接口的系統(tǒng)，并可以將用戶的特殊應用需求集成到控制系統(tǒng)中，以實現(xiàn)不同品種不同層次的開放式數(shù)控系統(tǒng)【刀。美國電氣及電子工程師學會（）把開放式數(shù)控系統(tǒng)定義為“能使得各種應用系統(tǒng)可以有效地運行于不同供應商提供的不同平臺之上，可以與其它應用系統(tǒng)相互操作，并具有風格一致的用戶交互界面”。開放式數(shù)控系統(tǒng)一般來說具有以下五個方面的特征：互操作性、可移植性、可擴展性，可伸縮性和可互換性【。碩士學位論文（）互操作性：開放式數(shù)控系統(tǒng)是模塊化的，各個模塊之間相互獨立

8、，采用標準化應用程序接口。不同的功能模塊能夠采用標準的應用程序接口運行于統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺上。（）可移植性：系統(tǒng)的功能軟件與硬件設備無關，不依賴特定的操作系統(tǒng)平臺，系統(tǒng)允許用戶改變硬件配囂，軟件可以在控制級別上改變，各功能模塊能夠運行于不同的硬件平臺上。（）可擴展性：系統(tǒng)具有連續(xù)升級的能力，以滿足各個用戶不同的需求。第三方能在原來系統(tǒng)的基進行不同層次軟硬件的二次丌發(fā)，形成專用系統(tǒng)。（）可伸縮性：系統(tǒng)規(guī)?？梢造`活設置，用戶可以方便的修改控制系統(tǒng)的大小，根據自身需要進行模塊數(shù)量的增減和功能裁剪。（）可互換性：構成系統(tǒng)的各硬件模塊和功能軟件不受單一供應商的控制，不同廠商和開發(fā)人員可以根據性能要求采用不同

9、的算法實現(xiàn)功能相似、接口柑同的功能模塊，模塊的替換不影響系統(tǒng)的協(xié)調運行。運動控制卡的體系結構和研究現(xiàn)狀當前開放式數(shù)控系統(tǒng)已經成為技術發(fā)腱的必然趨勢，具有：放性的編程運動控制器是開放式數(shù)控系統(tǒng)的靈魂核心?！斑\動控制起源于早期的伺服控制”。簡單地說，運動控制就是使機械運動裝置按照預定的運動軌跡和運動參數(shù)運動，對機械運動進行實時精確的位罱控制、速度控制，它接受上位機的應程序命令，按照給定的模式實時完成運動規(guī)劃，并向驅動器發(fā)出運動指令例。基予運動控制器的開放式數(shù)控系統(tǒng)為不同的控制需求提供了良好的應用平臺，在很大程度上運動控制器的控制性能決定了整個數(shù)控系統(tǒng)的控制精度和響應速度，因此對運動控制器的研究已經

10、成為當前開放式數(shù)控系統(tǒng)研究的熱點和重點。基于的運動控制器從結構上主要分為以下三大類：（）基于計算機標準總線的運動控制器它是把具有開放式體系結構的運動控制器與計算機結合構成。這種運動控制器多采用高速作為，通過接口或者接口等標準接口與直接相連，使得數(shù)控系統(tǒng)可以享用計算機的部分資源。這種運動控制器采用專用數(shù)控軟件，用戶可以根據不同需求自行開發(fā)應用軟件，組成各種專用控制系統(tǒng)。目前這種運動控制器應用十分廣泛，是市場上開放式數(shù)控系統(tǒng)的主流產品。（）全軟件型丌放式嵌入式結構的運動控制器這種運用控制器的運動控制軟件全部裝在計算機中，也就是由計算機完成數(shù)控碩士學位論文人系統(tǒng)中所有的實時任務和非實時任務。硬件部分

11、僅是計算機與外部和伺服驅動器之間的標準化通用接口。用戶可以在平臺和其他操作系統(tǒng)下，利用二放的運動控制內核，在計算機巾進行功能擴展，開發(fā)所需的控制功能，它提供給用戶最火的選擇和靈活性。食軟件型丌放式運動控制器的丌發(fā)制造成本相對較低，但于系統(tǒng)用于實時控制的局限性，這種運動控制器較難實現(xiàn)。（）嵌入式結構的運動控制器這種運動控制器把計算機嵌入到運動控制器中，能夠獨立運行?？刂破魍瓿晌恢每刂啤⒉逖a等實時控制任務。計算機完成一些非實時控制的任務?？刂破髂軌蛳碛糜嬎銠C豐富的軟件資源。運動控制器依然采用計算機總線與計算機通信，實質上這是基于標準總線結構的運動控制器的一種變種。嵌入式運動控制器也可配置硬盤驅動器

12、，還可以通過網絡進行遠程診斷【。嵌入式結構的運動控制器傳送速度快、系統(tǒng)響應快，其缺點是不能：直接使用通用計算機，開放程度受到限制。運動控制卡是一種安裝在計算機中，用于實時控制步進電機和伺服電機，從而將主機從繁重的運動控制任務解放“來的板卡，它通常采用拿業(yè)運動控制芯片或作為運動控制核心。一個典型的運動控制系統(tǒng)吐微控制器、伺服驅動器和伺服電機三部分組成¨，運動控制卡與計算機一般構成主從式結構：討算機負責人機交互界面的管理和實時齡控等方面的工作（例如系統(tǒng)狀念的顯示，鍵盤和鼠標的管理，控制指令的發(fā)送等）；運動控制卡負責完成運動控制的所有細節(jié)（包括伺服電機的速度、位置控制，插補運算，脈沖和方向

13、信號輸出，原點限位信號檢測，時序邏輯控制等）。軟件部分則著重加強了控制軟件的控制策略，用以改善系統(tǒng)的的穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)特性，以使系統(tǒng)達到更高性能的要求。目前，開放式運動控制系統(tǒng)得到了各個發(fā)達工業(yè)國家的高度重視。國外最具有影響力的有美國的、等公司，其中公司刀發(fā)的系列可編程多軸運動控制卡代表了國外運動控制卡的最高水平，它以公司的為微處理器，利用強大的運算能力實現(xiàn)了最多八軸的多軸實時伺服控制。此系列運動控制卡被廣泛應用于醫(yī)療器械等各種需要實時高精度位置控制的領域。美國還專門成立了美國運動控制器工程師協(xié)會（），不難看出運動控制技術的重要性。日本將開放式運動控制系統(tǒng)視為第三次工業(yè)革命，代表性的廠商有和等。

14、與國外相比，我國對于開放式運動控制系統(tǒng)的研究起步較晚，從事這項技術研究和開發(fā)的單位還為數(shù)不多，應用水平還不高。深圳固高科技有限公司是國內第一家專業(yè)開發(fā)開放式運動控制器產品的公司，并且已經開發(fā)出一系列的運動控制器，碩士學位論文人其后又有幾家公司進入該領域，但總體看來，目前國內還沒有較完善的丌放式運動控制系統(tǒng)，從數(shù)控系統(tǒng)的長遠發(fā)展來看還有許多需要改進的地方。這些數(shù)控系統(tǒng)并不是獨立的開放式運動控制產品，其底層軟件功能還不夠完善，缺乏靈活性，用戶使用時不能夠在原有的基礎上根據客觀應用要求重組或二次了：發(fā)，必須重復性的進行大量硬件接程序和各種運動功能的的丌發(fā)等繁雜的：作，而難以將工作重心集中在真正需要的

15、功能上。目前國內的運動控制器產晶大致可以分為以下三類川：（）以單片機或微處理器作為核心，結合存儲器、編碼器信號處理電路以及轉換電路等組成的運動控制器。這類運動控制器價格相對便宜，但由于微處理器一般采用馮諾依曼總線結構，處理速度和處理能力都有限，可靠性和控制精度也不高。并且單片機系統(tǒng)的靈活性差，只能實現(xiàn)一些較為簡單的控制算法，不易更改控制參數(shù)，軟硬件的設計工作量也較大。同時，單片機的集成度較低，片上不具有運動控制所需要的專用外設，需要外加各種電路實現(xiàn)所需功能，如產生電路等。由二于其使用元器件多，外圍電路復雜，體積人，導致了系統(tǒng)電路板復雜，降低了系統(tǒng)的可靠性。因此，此類運動控制器適用一一些低速的點

16、位運動控制場合和對運動軌跡精度要求不高的輪廓運動控制場合，性能的限制，其在市場上的應用并不廣泛。（）以專用運動控制：卷片（）作為核心的運動控制器。這類運動控制器由專用運動控制芯片完成伺服控制算法、編碼器信號處理等功能，具有響應速度快、集成度高、可靠性高、實時性好等優(yōu)點。但由于軟件算法已經固化在芯片內部，系統(tǒng)的靈活性差，不具備擴展能力，用戶不能夠對專用：卷片進行編程，因此，很難實現(xiàn)系統(tǒng)的升級。這類控制器大多數(shù)工作于開環(huán)控制方式，只能輸出脈沖信號，能基本滿足單軸的點位控制場合的要求，但是對于要求多軸聯(lián)動和高速插補控制的場合則不能完全勝任。系統(tǒng)開發(fā)的靈活性較小，丌發(fā)人員無法引入復雜的控制算法，而且專

17、用運動控制芯片價格昂貴，故此方案成本很高。（）以數(shù)字信號處理器（）作為核心的運動控制器。中設置有硬件乘法器和（乘法并累加），使其在進行乘和累加運算時速度更快。采用多總線哈佛結構，極大地提高了運算速度，同時具有非常靈活的指令系統(tǒng)，與傳統(tǒng)運動控制中的單片機相比，在實現(xiàn)運算復雜、實時性要求高的數(shù)字信號處理任務時，具有更多的優(yōu)勢。芯片還集成了電機控制所必須的轉換、事件捕捉等外設能力，正是充分利用了的種種外設資源，此類運動控制器能夠完成復雜的運動軌跡規(guī)劃、實時插補、伺服控制、濾波等功能，能夠獨立實現(xiàn)閉環(huán)控制，碩士學位論文而無需占用機的資源，因此上位機可以專注于預處理、人機界面、輸入輸出、故障診斷等功能。

18、這類運動控制器具有信息處理能力強、開放程度高、運動軌跡控制準確、集成度高等特點，是目前困內運動控制器產品的主流，并且將在很長一段時期內占據運動控制器市場的重要地位。本文研究內容隨著和復雜可編程邏輯器件（，）技術的發(fā)展，采用結構的數(shù)寧系統(tǒng)逐漸顯示出其優(yōu)越性：一方酊可以發(fā)揮運算速度快、尋址方式靈活、外設資源豐富的優(yōu)點，另一方面器件編程靈活、集成度高、設計了：發(fā)周期短、適用范圍寬、設計制造成本低，可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路設計。利用器件以硬件方式實現(xiàn)各種邏輯，有利于系統(tǒng)集成化和穩(wěn)定性，并具有結構靈活、易于維護和便于擴展等特點。因此，本文的目標是設計開發(fā)一款以和為核心的運動控制卡，能夠實現(xiàn)三軸聯(lián)動直線插補和

19、兩軸聯(lián)動圓弧插補，并采用總線實現(xiàn)機與的數(shù)據傳輸，以提高數(shù)據傳輸速率，保證數(shù)控系統(tǒng)的實時性。奉論文的內容安排如下：第一章主要介紹了了隗：式數(shù)控系統(tǒng)的概念，國內外丌放式運動控制器的研究現(xiàn)狀以及本論文的研究內容。第二章對運動控制卡進行功能分析，確定本運動控制卡的總體設計方案。包括硬件電路設計、硬件電路設計、主機通信模塊（總線接口）的電路設計、數(shù)模轉換電路設計、輸入輸擴展接口和差分整形模塊的電路設計。第三章對運動控制中的關鍵技術進行了研究，包括位簧控制算法，插補算法和速度控制算法。著重分析了在輪廓加工中用到的數(shù)據采樣插補算法時間分割插補法，并對這種算法進行改進，使得插補精度得到了提高。第四章是運動控制

20、卡的軟件設計。詳細介紹了中的主程序設計，中斷服務程序設計，以及時間插補法的編程實現(xiàn)和性能比較。第五章總結了本文所做的工作，并提出后續(xù)研究工作的展望。碩士學位論文系統(tǒng)總體規(guī)劃第二章運動控制卡總體設計通過對目前市場上運動控制卡的發(fā)展現(xiàn)狀和需求的分析，本文所設計的運動控制卡定位為一款以美國（）公司生產的位定點芯片（以下簡稱）為核心的具有高性價比的運動控制卡。本運動控制卡的硬件結構如圖所示，主要由以下幾個模塊組成：主控模塊，驅動與擴展模塊，串行通信接口模塊，外圍存儲模塊（），轉換模塊和差分整形模塊，虛線框內為運動控制卡部分。上位機將運動控制指令和參數(shù)通過總線接傳遞給運動控制卡的主控芯片，讀入數(shù)據之后進

21、行位置控制，插補運算和速度控制等，之后經由轉換，數(shù)字信號轉化為能夠控制電機轉動的模擬信號傳送給電機驅動。主要用于處理外圍事物，包括系統(tǒng)電路的地址譯碼，協(xié)調各個功能模塊的工作，增加系統(tǒng)的靈活性和可擴展性等。差分整形模塊使用差分接收心，把反饋的差分信號轉換成單端信弓，供內的編碼器信號處理電路進行處理。上位機模塊）芯片的選型和特點圖運動控制卡的硬件結構圖電機驅動伺服電機選擇芯片是運動控制卡設計中一個至關重要的環(huán)節(jié)，只有選擇了合適的碩士學位論文芯片才能夠進一步進行其他外圍電路的設計。根據系統(tǒng)的具體應用需求，選擇芯片時一般重點考慮以下因素：芯片的運算速度、運算精度、性價比、存儲器容量、片內的資源、功耗等

22、。足系列中的一種，它是首批位控制專用、高達主頻的數(shù)字信號處理器鍆，它既具有高速運算能力和信號處理能力，又集成了非常豐富的片內外設，為高性能的數(shù)字控制系統(tǒng)提供了一個理想的解決方案。的主要性能指標【。如下：（）高性能靜態(tài)技術，主頻最高町達，低功耗，內核電壓，口電壓，編程電壓。（）采用哈佛結構，統(tǒng)一尋址模式，采用流水線技術，取指、譯碼和執(zhí)行指令可以同時進行。有專用的硬件乘法器，可以在單周期內完成乘法操作。（）采用特殊的指令，具有高效的代碼，支持和匯編語言?！埃┐鎯ζ鳎海瑪?shù)據耀序存儲器；提供外部存儲器擴展接口，可達的存儲器尋址空間。（）片內外設：兩個事件管理器模塊（和），專為運動控制和電機控制而設計。

23、每個事件管理器模塊分別包括通用定時器，單元，捕獲單元，交編碼乜路（）和中斷邏輯電路等。中斷：個外部中斷（電源驅動保護，復位，），外圍中斷擴展（）模塊可支持個外設級斷，目前用到個外圍中斷。模數(shù)轉換模塊：通道的位接口，最小轉換時間，可靈活設置采樣方式。通信接口：支持高速同步串行通信接口（），接口模塊的串行通信接口（），多通道緩沖串行接口（）和總線接口模塊。（）看門狗定時器模塊，支持動態(tài)改變鎖相環(huán)模塊的參數(shù)值。（）通用輸入輸出多路復用器（），擁有多達個獨立可編程的口。的時鐘電路和復位電路上很多部件都需要時鐘，如、看門狗電路、事件管理器等外設。上集成了（鎖相環(huán)）電路，可以為芯片和外設提供所需的時鐘信號

24、，倍頻系數(shù)由控制寄存器低位控制，的最碩士學位論丈高可工作在主頻下。本系統(tǒng)采用外部晶體作為外部時鐘信號源，時鐘經倍頻成供使用，因而的速度可達到。同時，晶體也是器件的外部時鐘信號源，圖為的時釗乜路。幽的時鐘電路的電源電路芯片的內核電壓為，口電壓為，而許多外圍電路還需要電壓，所以在該系統(tǒng)中經常出現(xiàn)電壓混接的情況。并且要求上電時口先上電，內核后上電，掉電時口先掉電，內核后掉電，所以在上電和掉電過程中需要有電源的時序配合。電源電路如圖所示，電源可以由外部電源提供，為電源插孔，電壓為直流，提供電流以上。電源也可以由接口引入，通過跳線選擇。為電源開關。電壓轉換芯片是轉的高性能穩(wěn)壓芯片，提供主電源，提供電壓給

25、轉換等模塊使用。電壓轉換芯片是轉的穩(wěn)壓芯片，提供給內核使用。因為的基準電壓是由提供的，所以時序滿足要求。碩士學位論丈一；乏止面呂隨芯片內部包括的和的。但在實使用中，考慮到在工作過程中需要處理大量的數(shù)據，儀依靠：卷片內部存儲空問遠遠不夠，因此本系統(tǒng)外擴了一片是一種高速異步靜態(tài)的，其讀寫周期為，與之間可以無需插入等待周期便可以進行讀寫操作引。它通過完成與問的數(shù)據交換。另外，還需要通過完成與機的實時通信，由于地址碼模塊在中實現(xiàn)，所以其數(shù)據和地址總線要分別連接和兩塊片?？梢灾苯佑成涞酵獠看鎯涌诘幕蛘邊^(qū)域在本系統(tǒng)中直接與的接口相連，片選信號為，基地為。由于采用統(tǒng)一尋址方式，既可作為數(shù)據存儲器也可作為程

26、序存儲器。與的連接示意圖如圖所示碩士學位論文人二撐薰巫礎業(yè)墜盟一占美瀑封洲劃圖的存儲器擴展電路驅動與擴展模塊是一種用戶可以根據具體應用需要而自行構造邏輯功能的數(shù)字集成電路，由可編程與或門陣列以及宏單元構成。與，或門陣列可以重新編程，實現(xiàn)多種邏輯功能。宏瞥元可以實現(xiàn)組合或時序邏輯，可由用戶根據特定的功能需要生成特定的電路結構【。具有編程靈活、集成度高、適用范圈寬、系統(tǒng)斷電后編程信息不丟失、使用簡單、設計開發(fā)周期短、保密性好、費用低等眾多優(yōu)點，可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路設計，在工業(yè)領域的產品生產中得到了很廣泛的應用。的基本設計方法是借助集成開發(fā)軟件平臺，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應的目標文件，

27、通過下載電纜（在系統(tǒng)編程）將代碼下載到目標芯片中，從而設計出理想的數(shù)字系統(tǒng)【。本系統(tǒng)中選用的是公司系列的芯片。由于是控制核心，負載較多，引腳的輸出驅動能力有限，所以本系統(tǒng)將所有的輸出信號都經過驅動后輸出，通過對的編程設計，【觸舵肥斛胚們舳舶削烈斛提高了信號的驅動能力。此外還用于協(xié)調各個功能模塊的工作，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的地址譯碼，邏輯控制等功能，增加系統(tǒng)設計的靈活性和可擴展性。是一款基于，以先進的工藝制造的高功能低功耗可編程邏輯器件，支持在系統(tǒng)可編程（）、支持電壓、可提供個可用門電路、引腳延時為、計數(shù)速度高達，滿足系統(tǒng)設計需求。為路輸入通道和路輸通道提供了接口。圖所示為模塊的電路，展的路輸入通道，】

28、為擴展的路輸出通道。）阱）】碡【）艘咽甜。婚（，盯¨）隧垡絲絲（：仆，：蹙型塑翱釋孵目重薹薹冒蓁蓁垂蓁蘭蘭三蘭璺曼墨薹旦笙蘭星寶寶星星呈笙星呈寶呈星譬星星呈星星蘭星星笠星譬旦筍盤盈百百一一曼囂昌囂器霉；譬零爿；零蠱寶曼墨墨墨高圖模塊電路、?。ǎ┚祝荆荆∷?！墜！：！圣）：（）日舢、們羔工，）一卜卜一碩士學位論文人主機通信模塊豐機通信模塊實現(xiàn)主機與之問的數(shù)據交互。目前，市場上運動控制卡的通信接口以總線和總線為蕾，總線的傳輸速率較低，其最人傳輸速率僅為，總線傳輸速度快，可以達到，但總線接【數(shù)量有限且插拔不方便，一旦需要驅動新的外圍設備就必須重新啟動系統(tǒng)，因此這類接口的使用受到了很火

29、的限制。通用串行總線（）的出現(xiàn)很好的解決了以上的問題。運動控制卡與機通過總線通信，能夠達到很高的數(shù)據傳輸速率，從而保證了數(shù)控系統(tǒng)的實時性。接口主要有以下特點：即插即用，不需要頻繁地開關機；支持熱插拔，可以帶電插拔設備；傳輸速率高，總線接口的最高傳輸速率可以達到；糾錯能力強，協(xié)議中包含了傳輸錯誤管理、錯誤恢復等功能，能夠根據傳輸數(shù)據不同的類型來處理傳輸錯誤；擴展能力強，利用集線器可以接入個設備田。本系統(tǒng)采用了公司的芯片實現(xiàn)機和之間的通信。之所以選擇芯片作為接口醛片是岡為它是基于應用層編程的接門器件，內部不帶處理器，除了簡單配置幾個寄存器外，不需要太多規(guī)范的知識，接口簡單，編程簡單，支持高速模式（

30、），使村和開發(fā)都很方便。上集成了收發(fā)器、串行接口引擎、存儲器、數(shù)據總線和地址總線。圖為接口電路。有兩個外部接口，命令接口和數(shù)據接口，命令接口用來訪問的寄存器，緩沖器及描述表，數(shù)據接口用來訪問四個的中的數(shù)據。在本系統(tǒng)中作為的外設，占用的空間，地址范圍為。地址分配表如表所示。表與連接的地址分配表訪問空間類型：】地址命令口）【保留保留保留、：碩士學位論文）；髓瞪小一一卜×卜×刪礦）砷兀吖謝數(shù)模轉換電路圖接口電路豎釜壁竺鷺）數(shù)控系統(tǒng)需要用模擬量控制電機驅動電路，所以必需為運動控制卡設計數(shù)模轉換電路。運動控制的精度與數(shù)字輸出量的位數(shù)有很大的關系，轉換位數(shù)越多，轉換時間越短，其轉換精度

31、就越高。綜合考慮各因素，本系統(tǒng)選用了性價比較合適的數(shù)模轉換器件。是公司出品的一款位單通道并行電壓輸入型數(shù)模轉換器。該芯片有如下特點：低功耗，最大功率為；的內部參考電壓，可以配置成、士、的輸出電壓；位單調變化：單雙極性操作，建立時問為（士誤差）；雙數(shù)據緩沖輸入，輸入數(shù)據寄存器回讀裝眥一嘶碩士學位論文【】。數(shù)模轉換輸出電路電路和運放電路組成，具體電路如圖所示。一蓉上【）（，）【移）（，）（坩）（，）（妒）（；）（鏟）（）口：。醛刪尼爪）匕¨）灶黜器：，圖的接口王路山于需要士雙電源供，本系統(tǒng)選用了土雙電壓輸出的電源芯片，它采用的單電源供電，電路簡單，實現(xiàn)起來容易，具體電路如圖所示。圖

32、77;雙電源供電電路：碩士學位論文輸入輸出擴展接口考慮到運動控制卡的實際功能需求和可擴展性，本系統(tǒng)設計了路數(shù)字量輸入通道和路數(shù)字量輸出通道。數(shù)字量輸入通道可山用戶根據具體要求來定義其用途，如作為傳感器接口，用于原點限位信號的輸入等。而數(shù)字量輸出通道可以用于各軸方向、脈沖信號的輸出和一些外部設備的啟停等¨。輸入和輸出均需要經過光電隔離電路，以提高系統(tǒng)的抗干擾性。本系統(tǒng)中通過光耦把控制接口與外部進行光電隔離，如圖所示，從而有效地抑制了尖脈沖和各種噪音干擾，這樣可以使運動控制卡不易受到外部電源的干擾，提高過程通道一：的信噪比。圖光耦隔離接電路差分整形模塊差分整形電路是反饋回路中很重要的部分

33、。本運動控制卡使用公司的差分接收芯片，把編碼器輸出的差分信號轉換成單端信號傳送到內的編碼器信號處理電路進行處理。是四差分接收器，具有三態(tài)輸出，采用電源供電，每對接收端都有使能端，靈敏度可達，抗干擾性強。本運動控制卡可以接收路單端信號作為位置反饋，每路均為、三相差分信號，把來自編碼器的差分信號和一，和一，和變換成單端信號，從而提高信號的傳輸可靠性。圖為差分整形電路。裝融囊塞辜霧霹鏨享端掣阱孑二贏苫二正碩士學位論文第三章運動控制關鍵技術研究數(shù)控系統(tǒng)是按照事先編制好的控制算法來進行運動控制的，而控制算法是根據用戶對數(shù)控系統(tǒng)所提出的要求進行設計的。不同的數(shù)控系統(tǒng)其功能和控制方案也不同，所以系統(tǒng)的控制算

34、法思想是系統(tǒng)設計的關鍵，它直接影響系統(tǒng)的精度和速度。在現(xiàn)代數(shù)控中一般按照以下控制流程實現(xiàn)系統(tǒng)功能，如圖所示。本系統(tǒng)也是基于這種控制流程設計的，接下來本章將依次分析運動控制中最關鍵的技術：位置控制、插補算法和速度控制。控制對象圖系統(tǒng)控制流程圖位置控制在伺服電機的運動控制中，位置伺服控制是運動控制器要實現(xiàn)的關鍵功能，它要求輸出位簧量準確反應輸入位置量及其變化趨勢，精確地控制運動裝置的坐標位簧，從而實現(xiàn)快速而準確的運動，其性能的好壞直接反映了運動控制器的控制性能。位置伺服控制以足夠的控制精度、位置跟蹤精度和跟蹤速度作為主要控制目標。伺服控制算法種類繁多，控制、最優(yōu)控制、自適應控制等都在運動伺服控制領

35、域得到了廣泛的應用，但經典的控制技術仍占據主導地位，是伺服控制中最常用的控制技術，其算法簡單、易于實現(xiàn)、穩(wěn)定性好。本文即采用數(shù)字控制設計了位置半閉環(huán)伺服控制器，強大的運算功能為完成復雜的實時控制算法提供了硬件保正。伺服系統(tǒng)按其控制方式劃分，有開環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)等。開環(huán)伺服系統(tǒng)沒有測量反饋環(huán)節(jié)，精度較差，多用于步進電機的控制。半閉環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)有測量反饋環(huán)節(jié)，可將反饋信號與指令信號比較進行位置和速度控制，能夠達到比開環(huán)系統(tǒng)更高的精度和速度。其中半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的檢測元件安碩士學位論文裝在電機轉軸上，閉環(huán)伺服系統(tǒng)把檢測元件安裝在被控對象上，由于電機軸端和被控對象之問存在傳動

36、誤差，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度比閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低，但比閉環(huán)伺服系統(tǒng)結構簡單，易凋節(jié)。典型的位囂伺服系統(tǒng)中通常包含電流控制器、速度控制器、位置控制器，這些控制器能夠實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)特性等控制目標。圖是一個半閉環(huán)的伺服運動控制系統(tǒng)。一圖卜閉環(huán)伺服系統(tǒng)位冠伺服控制的工作原理為：機將程序中的運動指令解釋后，把數(shù)據發(fā)送到中，將讀到的數(shù)據進行插補運算，并將得到的理論位置與編碼器信號處理電路的實際位置信息比較計算出理論位置與實際位置的誤差，即跟隨誤差，根據跟隨誤差由位置控制器計算出進給速度指令的數(shù)字量，此數(shù)字量經轉換，作為伺服驅動單元的輸入速度指令，由伺服驅動單元驅動坐標軸運動，實現(xiàn)誤差修正后的位置

37、控制。在一個位置控制周期內，速度指令始終保持不變引。在模擬控制系統(tǒng)中，“控制是一種線性控制方法，調節(jié)器由比例調節(jié)器、積分調節(jié)器和微分調節(jié)器構成，通過對偏差值進行比例、積分和微分運算所得到的控制量來控制被控對象引。控制系統(tǒng)原理如圖所示。控制器根據給定值，（）和實際輸出值，（）計算控制偏差（），即：（，）（）（），然后對偏差（）進行比例、積分和微分運算，將三種運算的結果相加，就得到了控制器的控制輸出”（，），此）即用于控制被控對象。控制器算法的表達式為：砸卜丟撲而警，式（）中：腸為比例系數(shù)，乃為積分時間常數(shù)，而為微分時間常數(shù)。碩士學位論文人圖控制系統(tǒng)原理圖比例增益慰，的引入是為了及時成比例地反映控

38、制系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)偏差一旦產生，比例調節(jié)器將立即產生調節(jié)作用，使系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢變化。比例系數(shù)鄙的大小決定了比例調：誨器調節(jié)的快慢程度。選用大的比例增益可以改善控制器的快速性能，但是過大的比例增益會使控制系統(tǒng)出現(xiàn)超調或振蕩現(xiàn)象，從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。積分作用乃的引入足為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度。積分時間常數(shù)乃的大小決定了積分作用的強弱，乃越小，積分的調節(jié)作用越強，反之則越弱【。但當乃過小時，可能會造成系統(tǒng)的持續(xù)振蕩，使得輸出不穩(wěn)定，給生產過程帶來嚴重的危害。積分作用的引入會使得系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢。因此，積分時問常數(shù)乃大小的選擇要得當。微分環(huán)節(jié)乃的作用主要是為了改善控制

39、系統(tǒng)的響應速度和穩(wěn)定性。微分作用能反映和預見系統(tǒng)偏差的變化趨勢，因此能產生超前的控制作用。微分作用反映的是偏差的變化率，當偏差沒有變化時，不管這個偏差有多大，因為它的變化速度為，微分輸出也為零。然而即使偏差很小，只要出現(xiàn)變化趨勢，微分調節(jié)器馬上進行調節(jié)。因此，微分作用可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。微分作用的強弱取決于微分時問常數(shù)乃的大小，越大，微分作用越強，反之則越弱。在微分作用合適的情況下，系統(tǒng)的超調量和調節(jié)時問可以被有效的減小?？刂频谋壤⒎e分、微分三種作用是各自獨立的，可以分開使用，也可以結合起來使用，但是積分和微分作用必須與比例作用結合起來形成控制器或者控制器。調節(jié)器既能快速調節(jié)偏差又能消除

40、偏差，還可以根據偏差的變化速度進行超前調節(jié)，是現(xiàn)代工業(yè)控制中最常用的一種調節(jié)器【?！坝嬎銠C控制是采樣控制，積分和微分項在計算機中不能夠直接準確的計算，它只能進行離散控制，根據采樣時刻的偏差值計算控制量，而不像模擬控制器能夠連續(xù)輸出控制量，實現(xiàn)連續(xù)控制。計算機控制系統(tǒng)采用的是數(shù)字控制器，用數(shù)值計算的方法逼近連續(xù)的控制量。依據模擬控制算法，以一系列采樣時刻點碩士學位論文人代替連續(xù)時間，將積分和微分離散化，如果采樣周期足夠小，則這種近似計算就會相當準確，被控制過程以極小的誤差與連續(xù)控制過程接近，故可得到數(shù)字的控制算法如下：“（庀）銜（七）吾言（）拿（憊）一（七一）（）（七）鼢（）腸（七）一（式（）巾：為比例系數(shù)；豇為積分系數(shù)，西（叫）；為微分系數(shù)，局（叫?。惶穑桑榈诖尾蓸訒r刻控制器的輸出值；（為第次采樣時刻輸入控制系統(tǒng)的偏差值；（）為第（七一）次采樣時刻輸入控制系統(tǒng)的偏差值；丁為采樣周期。式（）巾每次輸出的“（足）值與執(zhí)行裝置（乜機）的位置相對應，所以此種算法稱為位置式算法。位囂式算法的每次輸出都與過去各個采樣時刻的狀態(tài)有關，計算時要對（七）累加，容易產生積累誤差。這樣不僅計算繁瑣，還會占用許多內存空問。而且一旦