運動控制器的硬件與軟件設(shè)計課件

基于PC104總線與MCX314As芯片的運動控制器設(shè)計——梁偉林基于PC104總線與MCX314As芯片的運動控制器設(shè)計—1主要內(nèi)容：第一章 緒論第二章 運動控制器整體的功能設(shè)計第三章 運動控制器的硬件設(shè)計第四章 運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計第五章 運動控制器軟硬件整體調(diào)試主要內(nèi)容：第一章 緒論2第一章 緒論1.1課題研究背景一、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 在我國，數(shù)控技術(shù)起步于1958年，近50年的發(fā)展歷程大致可分為三個階段：第一階段從1958年到1979年，即封閉式發(fā)展階段。第二階段是在國家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期，即引進技術(shù)，消化吸收，初步建立起國產(chǎn)化體系階段。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間，即實施產(chǎn)業(yè)化的研究，進入市場競爭階段。在此階段，我國國產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得了實質(zhì)性進步。 進入20世紀90年代以后，受通用微機技術(shù)飛速發(fā)展的影響，數(shù)控技術(shù)正朝著以PC機為基礎(chǔ)，向著開放化、智能化、圖形化等方面進一步發(fā)展。第一章 緒論1.1課題研究背景3第一章 緒論PC-NC架構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)第一章 緒論PC-NC架構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)4第一章 緒論1.1.2運動控制器及其研究現(xiàn)狀

定義：所謂運動控制器是通過對電機驅(qū)動的執(zhí)行機構(gòu)進行運動控制，以實現(xiàn)預(yù)定運動軌跡目標的裝置。

第一章 緒論1.1.2運動控制器及其研究現(xiàn)狀5第一章 緒論運動控制器在國外發(fā)展現(xiàn)狀： 目前，開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究得到了世界各主要工業(yè)國家的重視和支持，國外影響較大的研究計劃有美國的NGC(TheNextGenerationWork-station/MachineController)和OMAC(OpenModularArchitectureController)計劃，歐洲的OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystem，自動化系統(tǒng)中控制器的開放式體系結(jié)構(gòu))計劃，以及日本的OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)計劃。 這些模式方法總起來說都采用了閉環(huán)控制，具有高速、高精度、高可靠性和高安全性的特點，同時在控制系統(tǒng)的軟硬件上具有良好的開放性。第一章 緒論運動控制器在國外發(fā)展現(xiàn)狀：6第一章 緒論運動控制器在國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀： 近年來，隨著工業(yè)PC機的快速發(fā)展，可靠性大為提高，以工業(yè)PC機為核心的控制系統(tǒng)己經(jīng)被工業(yè)控制領(lǐng)域所接受。在機床控制領(lǐng)域，采用工業(yè)PC機，發(fā)展通用化的數(shù)控系統(tǒng)，己成為國際研究的熱點，符合數(shù)控技術(shù)發(fā)展的潮流。同時，圍繞工業(yè)PC機開發(fā)的運動控制器及其應(yīng)用也越來越多。國內(nèi)部分數(shù)控系統(tǒng)廠商采用PC+NC的方式，構(gòu)建適合于需要的運動控制系統(tǒng)，如北京機床研究所的中華系列，沈陽計算所的“藍天”系列，華中科技大學(xué)的“華中”系列、“航天”系列等。第一章 緒論運動控制器在國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀：7第一章 緒論運動控制器常見的控制方案：1.基于單片機系統(tǒng)的控制器 主要以MCS-51,MCS-96等為代表的單片機為核心。這種控制卡控制方式比較靈活，成本比較低。但采用的元器件較多，可靠性低、軟硬件設(shè)計工作量大，而且控制算法單一，運算及處理速度比較慢。2.基于PC的SOFT型控制器 它是指CNC的全部功能處理工作都由PC進行，并通過裝在PC擴展槽中的接口卡對伺服驅(qū)動進行控制。用戶在Windows平臺上，開發(fā)完成數(shù)控系統(tǒng)中所有的實時任務(wù)和非實時任務(wù)，如編譯、解釋和插補等。這是一種最新開放體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，它提供給用戶最大的選擇和靈活性，它的CNC軟件全部裝在計算機中，而硬件部分僅是計算機與伺服驅(qū)動和外部I/O之間的標準化通用接口。但由于CNC制造商不愿放棄多年積累的專有技術(shù)，加上Windows操作系統(tǒng)本質(zhì)上是非實時系統(tǒng)，對于高速數(shù)控領(lǐng)域等，強實時性要求嚴格的系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)不能很好地滿足要求。第一章 緒論運動控制器常見的控制方案：8第一章 緒論3.基于通用DSP或FPGA的控制器 這類控制卡采用DSP或FPGA作為板上的核心控制芯片，具有很普遍應(yīng)用。由DSP或FPGA完成控制的功能（脈沖和方向信號的輸出、編碼器反饋和限位等信號的檢測等），提高處理速度。比如像深圳固高的GT-800系列通用運動控制器。但是，由于底層DSP處理器上的插補等運算，通信接口等都要開發(fā)者實現(xiàn)，開發(fā)難度相對大。4.基于專用運動控制芯片的控制器 這類控制卡采用專用運動控制芯片作為板上的核心處理器。運動控制芯片是為精密控制步進電機和伺服電機而設(shè)計的專用處理器。運動控制芯片帶有插補算法，能夠完成大部分運動控制，大大簡化了運動控制系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)和開發(fā)工作。芯片廠家提供的文檔資料充分，技術(shù)支持良好，降低了開發(fā)難度，有利于快速開發(fā)。這種芯片運用廣泛，主要有PMD公司的Magellan系列、Navigator系列，日本NOVA公司的芯片等，可選擇的種類較多。第一章 緒論3.基于通用DSP或FPGA的控制器9第一章 緒論本課題研究的意義： 大力發(fā)展先進的制造技術(shù)已經(jīng)成為世界各國最重要的技術(shù)戰(zhàn)略之一，先進制造技術(shù)已經(jīng)是國際競爭和產(chǎn)品革新的一種重要手段。 數(shù)控技術(shù)是先進制造技術(shù)的核心，是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡(luò)、柔性化、集成化的集成。數(shù)控裝備的技術(shù)水平是一個國家工業(yè)現(xiàn)代化水平的高低和綜合國力的強弱的顯著標志。 運動控制器在數(shù)控系統(tǒng)中占有十分重要的地位，是數(shù)控系統(tǒng)的核心部件之一。 與國外相比，我國在運動控制器的產(chǎn)品研發(fā)方面還比較落后，高端產(chǎn)品基本上被國外公司壟斷，我國作為世界上經(jīng)濟發(fā)展最快的國家，市場上新設(shè)備的控制需求和傳統(tǒng)設(shè)備技術(shù)升級換代，對運動控制器的需求越來越大。此外，由于市場日益競爭的壓力，系統(tǒng)集成商和設(shè)備制造商要求運動控制系統(tǒng)向開放式方向發(fā)展。 在這樣的形勢下，我國應(yīng)該抓住這一機遇，研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)，具有高水平、高質(zhì)量、高可靠性的開放式運動控制器產(chǎn)品。第一章 緒論本課題研究的意義：10第二章 運動控制器整體的功能設(shè)計總線接口的選擇：ISA總線PCI總線PC/104總線

根據(jù)三種總線的特點做比較，由于現(xiàn)在的主板供應(yīng)商很多不提供ISA接口插槽，故不采用該接口。而PCI總線的控制器數(shù)據(jù)傳輸速度雖然要比ISA和PC104高，但因為PCI總線設(shè)計難度和費用較高，在經(jīng)濟上普通用戶難以承受。PC104是專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線，它比插卡型穩(wěn)定性能更好，比較適合本課題運動控制器的設(shè)計。第二章 運動控制器整體的功能設(shè)計總線接口的選擇：11第二章 運動控制器整體的功能設(shè)計運動控制芯片的選型：日本NOVA公司專用運動控制芯片MCX314As第二章 運動控制器整體的功能設(shè)計運動控制芯片的選型：12運動控制器的硬件與軟件設(shè)計課件13第三章 運動控制器的硬件設(shè)計PC104總線接口協(xié)議：

PC104總線是一種在工業(yè)控制方面運用廣闊的工業(yè)標準總線結(jié)構(gòu)，因其總線之間互連使用了104個信號線，因而得名。第三章 運動控制器的硬件設(shè)計PC104總線接口協(xié)議：14運動控制器的硬件與軟件設(shè)計課件15第三章 運動控制器的硬件設(shè)計PC104總線插槽示意圖第三章 運動控制器的硬件設(shè)計PC104總線插槽示意圖16第三章 運動控制器的硬件設(shè)計MCX314As運動控制芯片介紹：

MCX314As是日本NOVA電子有限公司研制的DSP運動控制專用芯片，是MCX314的升級版。芯片能與8位或16位數(shù)據(jù)總線接口，通過命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)等寄存器實現(xiàn)4軸（稱為X、Y、Z、U四軸）中任意2軸或3聯(lián)動的位置、速度、加速度等的運動控制和實時監(jiān)控，實現(xiàn)直線、圓弧和位元3種模式的軌跡插補，輸出脈沖頻率可達4MHz。每軸都有伺服反饋輸入端、4個輸入點和8個輸出點，能獨立地設(shè)置為恒速、線性或S曲線加/減速控制方式，并有2個32位的邏輯、實際位置計數(shù)器和狀態(tài)比較寄存器，實現(xiàn)位置的閉環(huán)控制。第三章 運動控制器的硬件設(shè)計MCX314As運動控制芯片介紹17運動控制器的硬件與軟件設(shè)計課件18寫寄存器地址地址（A2A1A0）寄存器符號寄存器名稱000WR0命令寄存器001WR1模式寄存器1010WR2模式寄存器2011WR3模式寄存器3100WR4通用輸出寄存器101WR5插補模式寄存器110WR6寫數(shù)據(jù)寄存器1111WR7寫數(shù)據(jù)寄存器2第三章 運動控制器的硬件設(shè)計寫寄存器地址地址（A2A1A0）寄存器符號寄存器名稱0019讀寄存器地址地址（A2A1A0）寄存器符號寄存器名稱000RR0主狀態(tài)寄存器001nRR1狀態(tài)寄存器1010nRR2狀態(tài)寄存器2011nRR3狀態(tài)寄存器3100RR4通用輸入寄存器1101RR5通用輸入寄存器2110RR6讀數(shù)據(jù)寄存器1111RR7讀數(shù)據(jù)寄存器2第三章 運動控制器的硬件設(shè)計讀寄存器地址地址（A2A1A0）寄存器符號寄存器名稱0020運動控制器的硬件與軟件設(shè)計課件21硬件抗干擾技術(shù)：（1）脈沖、方向信號采用差分輸出方式（2）采用高速光耦進行電氣隔離（3）硬件電路板布局布線（4）信號濾波和鉗位第三章 運動控制器的硬件設(shè)計硬件抗干擾技術(shù)：第三章 運動控制器的硬件設(shè)計22第四章 運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計軟件開發(fā)環(huán)境和編程工具介紹：

Windows98操作系統(tǒng)VisualC++6.0第四章 運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計軟件開發(fā)環(huán)境和編程工具介紹：23第四章 運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計MCX314As指令系統(tǒng)：寫入數(shù)據(jù)命令讀取數(shù)據(jù)命令驅(qū)動命令插補命令第四章 運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計MCX314As指令系統(tǒng)：24第四章 運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計VC++語言中的標準通信函數(shù)介紹：_outp（），_outpw（）和_outpd（）函數(shù)； 功能分別是：寫一個字節(jié)、字和雙字到指定的輸出端口。_inp（），_inpw（）和_inpd（）函數(shù)； 功能分別是：從指定的輸入端口讀一個字節(jié)、字和雙精度字。第四章 運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計VC++語言中的標準通信函數(shù)25第四章 運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計運動函數(shù)庫：讀/寫寄存器函數(shù)；軸設(shè)置函數(shù)：工作模式設(shè)定函數(shù)、運動參數(shù)設(shè)置函數(shù)、初始化函數(shù)；運動控制函數(shù)；

I/O讀寫和驅(qū)動狀態(tài)查詢函數(shù)。第四章 運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計運動函數(shù)庫：26運動控制器的硬件與軟件設(shè)計課件27第四章 運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用程序示例的設(shè)計：單軸運動的位置和速度控制直線、圓弧插補驅(qū)動外部I/O讀寫第四章 運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用程序示例的設(shè)計：28第四章 運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計

在插補之前，需要先指定哪個軸是基軸。MCX314As芯片的WR5的D0~D5用來指定各個軸ax1、ax2、ax3和ax4。X、Y、Z和U軸可按一定順序定義成ax1、ax2、ax3和ax4。在插補的過程中，所有的計算都是基于基軸ax1的，所以在進行插補之前要對基軸設(shè)置所有的參數(shù)：初始速度、驅(qū)動速度和加速度等。 當插補命令執(zhí)行時，寄存器RR0的D8位（I-DRV）將變?yōu)?，在插補結(jié)束時變?yōu)?。于是在插補過程中應(yīng)該查詢I-DRV的狀態(tài)，只有當I-DRV為0時，才可以執(zhí)行下一個插補命令。同時，還必須調(diào)用各個狀態(tài)查詢函數(shù)，檢測是否有報警，急停，限位，中斷等狀況發(fā)生。第四章 運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計 在插補之前，需要先指定哪29運動控制器的硬件與軟件設(shè)計課件30第四章 運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計單軸常速運行時脈沖頻率的測試：1KHz脈沖輸出第四章 運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計單軸常速運行時脈沖頻率的測試31第四章 運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計400KHz脈沖輸出第四章 運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計400KHz脈沖輸出32第四章 運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計4MHz脈沖輸出第四章 運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計4MHz脈沖輸出33運動控制器的硬件與軟件設(shè)計課件34運動控制器的硬件與軟件設(shè)計課件35運動控制器的硬件與軟件設(shè)計課件36運動控制器的硬件與軟件設(shè)計課件37運動控制器的硬件與軟件設(shè)計課件38I/O信號的測試界面I/O信號的測試界面39結(jié)論（1）分析了數(shù)控技術(shù)和國內(nèi)外控制器發(fā)展現(xiàn)狀，并對當前運動控制器常見的解決方案進行了比較，結(jié)合本課題運動控制器的功能需求，給出了系統(tǒng)整體功能設(shè)計方案：選用PC104總線接口作為運動控制器與上位PC機通信的橋梁，采用MCX314As運動控制芯片作為控制器核心處理器，并采取差分脈沖信號輸出和光耦隔離方式實現(xiàn)內(nèi)外部電源隔離，提高抗干擾能力；上位機軟件系統(tǒng)采取模塊化的原則，設(shè)計了人機控制界面、應(yīng)用示例