碩士論文基于dsp6713的多軸運動控制器的設(shè)計

1、廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文基于DSP6713的多軸運動控制器的設(shè)計姓名：宋玥申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：機械制造及其自動化指導(dǎo)教師：高偉強20090501廣東業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文，摘要，：（）：（）：（）：（）：（），（），：，廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩上學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)與優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的論文是我個人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，不包含本人或其他用途使用過的成果。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明，并表示了謝意。本學(xué)位論文成果是本人在

2、廣東工業(yè)大學(xué)讀書期間在導(dǎo)師的指導(dǎo)下取得的，論文成果歸廣東工業(yè)大學(xué)所有。申請學(xué)位論文與資料若有不實之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任，特此聲明。做儲簽字緣嗣島彳扣場叩年月芩日第一章緒論課題研究意義及目的第一章緒論隨著數(shù)控機床的發(fā)展，生產(chǎn)廠家對數(shù)控機床的精度和加工功能的要求越來越高，傳統(tǒng)的控制模式、控制芯片以及機床功能已經(jīng)不能滿足目前要求。作為數(shù)控機床的核心，運動控制器的設(shè)計要求也不斷提高，因此，（數(shù)字信號處理器）作為數(shù)控機床控制的核心部件，普遍應(yīng)用于生產(chǎn)和設(shè)計多軸數(shù)控機床的控制系統(tǒng)中，利用的高速運算性能滿足對系統(tǒng)控制的需要。基于的運動控制器作為多軸聯(lián)動數(shù)控機床的核心控制部件，近年來是各個生產(chǎn)廠家研究的重

3、點。然而數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計以及其內(nèi)部數(shù)控運動程序的設(shè)計作為關(guān)鍵技術(shù)，都是各個廠商機密技術(shù)，不對外透露，同時目前國內(nèi)大多基于的運動控制器多以三軸為主，精度有待提高。因此研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于運動控制器以及算法的設(shè)計對企業(yè)來講具有重要的意義。鑒于此，研究并設(shè)計用于數(shù)控機床以及數(shù)控加工設(shè)備的多軸運動控制器，為本課題研究的主要目的。多軸運動控制器以作為核心運算單元，作為擴展，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)實現(xiàn)模塊化設(shè)計，同時功能可拓展，結(jié)構(gòu)可升級，可以適應(yīng)多個伺服電機的聯(lián)動控制，同時電機的個數(shù)可以按照要求變化。同時對于多軸運動控制器的運動控制程序，要達到多軸聯(lián)動控制的需要，在軟件設(shè)計以及運動算法的設(shè)計上要有自主的技術(shù)。運

4、動控制器的發(fā)展趨勢運動控制器發(fā)展概述隨著制造商對產(chǎn)品復(fù)雜程度和精度要求的提高，對數(shù)控機床提出了更高的要求，專用的數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)今制造業(yè)市場變化與競爭，也不能滿足現(xiàn)代制造業(yè)向信息化、敏捷制造模式發(fā)展的需要。從目前工業(yè)設(shè)備應(yīng)用來看，使用專業(yè)運動控制器作為運動控制系統(tǒng)的上位控制越來越普及，附帶產(chǎn)生的各種數(shù)控系統(tǒng)軟件也越來越多。運動控制器軟硬件上靈活的擴展特性，足以滿足數(shù)控系統(tǒng)以及數(shù)控機床對功能變化的需要。隨著像激光雕刻機，三維坐標(biāo)測量儀等新興數(shù)控廣東業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文設(shè)備的興起，運動控制器在各個方面都表現(xiàn)出其巨大的開發(fā)潛力以及目前都不能預(yù)測到的應(yīng)用前景，相信隨著以及嵌入式系統(tǒng)在運動控制器

5、研究中應(yīng)用的不斷深入，運動控制器的方式將在上位控制單元占據(jù)不可替代的地位。運動控制器正朝著更開放、更靈活的方向發(fā)展，方便擴展、功能柔性并且對用戶開放的數(shù)控系統(tǒng)是生產(chǎn)廠家的研究重點，因此開放式數(shù)控系統(tǒng)（，系統(tǒng)）的概念也因此而應(yīng)運而生。系統(tǒng)是一個全新的概念，是美國在世紀(jì)年代末提出的，它具有開放柔性高、成本低、升級擴展容易、投資風(fēng)險性小和可以引入最新的軟硬件技術(shù)等優(yōu)點，是世紀(jì)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向。我國國家標(biāo)準(zhǔn)對系統(tǒng)的定義是：“指應(yīng)用軟件構(gòu)筑于遵循公開性、可擴展性、兼容性原則的系統(tǒng)平臺之上的數(shù)控系統(tǒng)，使應(yīng)用軟件具備可移植性、互操作性和人機界面的一致性。同時，隨著互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使系統(tǒng)的發(fā)展得到了更大

6、的進步。數(shù)控技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化已成為數(shù)字制造技術(shù)的發(fā)展方向。¨目前數(shù)控系統(tǒng)本身的許多計算和處理功能，除實時控制功能外，將來必將由遠(yuǎn)程控制完成，也就是說隨著數(shù)控技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，現(xiàn)場每一個制造設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)在整個網(wǎng)絡(luò)制造環(huán)境中將成為一個簡單的執(zhí)行單元，或者說是網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點。在這種趨勢下，數(shù)控技術(shù)與系統(tǒng)必須適應(yīng)未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)字制造發(fā)展的需要，而嵌入式系統(tǒng)與工業(yè)通用比較，在適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化方面有其獨特的優(yōu)勢。伸，運動控制器國內(nèi)外發(fā)展概況運動控制器的形式多樣，開發(fā)的語言和硬件平臺都不盡相同，國內(nèi)外各個生產(chǎn)廠家的技術(shù)水平和產(chǎn)品功能也各有差異，對于高精度多軸運動控制器的研究目前國外仍處于先進水平，其中美

7、國公司生產(chǎn)制造的運動控制器（），具有功能全面，運算速度快的特點。它借助于公司的系列數(shù)字信號處理器，可以同時操縱卜個軸?？梢耘c不同的硬件平臺匹配，與各種伺服系統(tǒng)匹配，它可以控制任何類型的電機，包括直流電機、交流電機、步進電機。與機間有多種通訊方式，與機之間的數(shù)據(jù)交換可以直接進行，也可以通過雙端口（）快速交換。在軟件結(jié)構(gòu)上的開放性則體現(xiàn)在：（）人機界面的對外開放，它可以通過在、第一章緒論等高級編程環(huán)境下調(diào)用動態(tài)鏈接庫，實現(xiàn)環(huán)境下的人機界面。（）數(shù)控功能的對外開放：提供了一套基本功能指令集合，可在這些基本指令基礎(chǔ)上定制出代碼、代碼等數(shù)控功能。（）功能的對外開放陛：內(nèi)包含了可編程邏輯控制器（）功能；（

8、）控制系統(tǒng)定制的對外開放性：可通過各種方式如變量和編碼器轉(zhuǎn)換表等來實現(xiàn)對整個控制系統(tǒng)的定制，使其方便的與實際機床進行匹配。¨另外，美國公司研制的四軸脈沖序列控制器，它能與步進電動機、伺服電動機和直線電動機聯(lián)合工作?？刂破麽尫诺母哳l脈沖可至。它能與一個用硬件控制的應(yīng)急制動器相配合用來保護抵抗常規(guī)軟件的非法復(fù)制。在一單獨系統(tǒng)中，一個卡指針切換支持多路卡。一卡可與三菱、松下、橫濱生產(chǎn)的伺服電動機和步進電動機協(xié)同工作。利用直線插補和環(huán)形插補來實現(xiàn)平穩(wěn)的運動控制。該卡有種自動引導(dǎo)模式，而齒隙游移補償則提供更優(yōu)良的精確度。單卡結(jié)構(gòu)和多卡結(jié)構(gòu)能同時起動和停止多路軸。模塊設(shè)計支持將附加控制板用于的分

9、配控制；而高速觸發(fā)式起動裝置使輸出頻率高達，也用于控制。一個機載式貯存比較點則適用于高速行掃描。，相比國外運動控制器的研究，國內(nèi)的研發(fā)生產(chǎn)水平相對較弱，從生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量到軟件程序編寫以及系統(tǒng)可擴展性同國外相比仍有一定差距。但國運動內(nèi)控制器價格低廉，仍可滿足對精度要去相對不高，生產(chǎn)成本較低的企業(yè)以及單位的要求。國內(nèi)運動控制器生產(chǎn)公司深圳固高科技公司的產(chǎn)品較多的應(yīng)用于各個生產(chǎn)領(lǐng)域，其生產(chǎn)的是高性能的伺服運動控制器功能比較全面，它可以同步控制四個運動軸，實現(xiàn)復(fù)雜的多軸協(xié)調(diào)運動。其核心是數(shù)字信號處理器和，前者的哈佛結(jié)構(gòu)和單元非常適合完成復(fù)雜的運動控制算法，后者實現(xiàn)譯碼、倍頻、脈沖分配、定時、計數(shù)等

10、功能。運動控制器采用總線與相連，數(shù)據(jù)通過雙端口在上下位機間傳送。雙端口是一種特殊的隨機存儲器，它具有兩組數(shù)據(jù)總線和地址總線，在地址不沖突的情況下兩組總線可以在同一時間并行地訪問不同的存儲器單元，雙端口的這種特殊結(jié)構(gòu)使得上下位機可以快速地進行大規(guī)模數(shù)據(jù)交換，大大提高了主機與運動控制器的并行處理能力，解除了以往主從式系統(tǒng)間通訊的瓶頸。另外，北京阿爾泰科技發(fā)展生產(chǎn)的運動控制器，以豐富的功能以及相對較高的輸出精度較為廣泛的應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域。其生產(chǎn)的產(chǎn)品是廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文總線四軸伺服步進電機運動控制器，它以高頻率脈沖串形式輸出，控制伺服步進電機的運動。該卡能精確地控制所發(fā)出的脈沖頻率（電機速度

11、）、脈沖個數(shù)（電機轉(zhuǎn)角）及脈沖頻率變化率（電機加速度），能滿足步進電機的各種復(fù)雜的控制要求?？蓪﹄姍C進行位置控制、插補驅(qū)動、加速減速等控制。具有圓弧、直線插補功能。并含有豐富的，功能齊全的軟件庫函數(shù)資源。在環(huán)境下，用戶可直接使用我們?yōu)槟峁┑脑O(shè)備驅(qū)動程序函數(shù)接口；以下是它的功能特點：獨立軸驅(qū)動、速度控制、輸出的驅(qū)動速度范圍是從至（脈沖秒）、加減速驅(qū)動可以使用自動和手動種操作方式、脈沖輸出的頻率最大誤差±（在時）、每個軸都有曲線加減速設(shè)定：可以運行對稱曲線和非對稱曲線運動。¨，運動控制器可重構(gòu)功能的發(fā)展趨勢隨著生產(chǎn)對運動控制器的要求越來越高，運動控制器自身的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，具

12、有靈活的模塊化結(jié)構(gòu)，同時軟硬件資源可以實現(xiàn)重構(gòu)的運動控制系統(tǒng)成為今后發(fā)展的方向。作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，多軸運動控制器自身構(gòu)成了一個嵌入式系統(tǒng)，系統(tǒng)的核心芯片采用精簡指令集計算技術(shù)。綜合比較專用芯片方法和微處理機方法，嵌入式系統(tǒng)是一種新的技術(shù)路線與方法，它既具有專用芯片的高性能、高速度和高可靠性，又具有微處理器的高度“柔性”和強大的可編程功能。這就是嵌入式系統(tǒng)的可重構(gòu)功能。由于現(xiàn)場的編程門陣列技術(shù)的發(fā)展，可重構(gòu)技術(shù)自世紀(jì)年代以來得到迅速發(fā)展，并獲得廣泛應(yīng)用，如在目標(biāo)識別、字符模式匹配、數(shù)據(jù)壓縮和遺傳算法等方面都獲得很大成功。新發(fā)展的嵌入式可重構(gòu)計算，很難說清是屬于哪一種類型的可重構(gòu)，因為從虛擬

13、器件的角度來看，它可以實現(xiàn)電路級、指令級、結(jié)構(gòu)級和軟件級等各級的可重構(gòu)；從現(xiàn)場可編程門陣列（，）的技術(shù)來看，動態(tài)可重構(gòu)和靜態(tài)可重構(gòu)都不是問題；從核技術(shù)來看，既可以認(rèn)為是軟件可重構(gòu)，也可以是硬件可重構(gòu)?！按ㄓ嬎愎δ艿膶嵤┛闯墒怯蓵r間和空間構(gòu)成的二維結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的微處理器在空間維上是固定不變的，而在時間維上是可變的，或者說是可編程的，所以處理器的功能可以發(fā)生改變，是在于其時間維上的可變性。專用芯片的特點是功能固定，第一章緒論即空間維和時間維都是不可變的。嵌入式系統(tǒng)基于，其特點是介于兩者之間，它綜合了微處理器和專用芯片的特點，實現(xiàn)了空間維和時間維上均可變。可重構(gòu)是在軟件的控制下，利用可重用資源，重構(gòu)或

14、重組計算平臺，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求?？芍貥?gòu)的基礎(chǔ)是可重用資源，在出現(xiàn)之前，可重構(gòu)計算系統(tǒng)采用重組的方式，其重用資源是功能部件；出現(xiàn)后，其重用資源是基本的門和線，通過配置文件，定義每個門的性質(zhì)和線的連接，改變硬件的功能。從廣泛的意義上講，這種功能包含了硬軟件的可重構(gòu)。由于嵌入式系統(tǒng)軟硬件可重構(gòu)功能的實現(xiàn)，使運動控制器的開發(fā)更加的靈活，系統(tǒng)的升級以及維護更加的簡便。大大減少了二次開發(fā)的成本和技術(shù)難度，的應(yīng)用也成為運動控制器設(shè)計過程中的關(guān)鍵技術(shù)。¨，運動控制器的原理與應(yīng)用目前運動控制器實現(xiàn)功能的方式很多，主要通過單片機或計算機來實現(xiàn)或采用專門的運動控制芯片進行設(shè)計。運動控制作為工業(yè)自動化的

15、重要組成部分，其控制精度、可靠性以及靈活性成為衡量一種控制方案和產(chǎn)品性能優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。所謂運動控制器，就是利用高性能微處理器（如、單片機）及大規(guī)?？删幊唐骷崿F(xiàn)多個伺服電機的多軸協(xié)調(diào)控制，具體就是將實現(xiàn)運動控制的底層軟件和硬件集成在一起，使其具有伺服電機控制所需的各種速度、位置控制功能，并且這些功能能通過計算機方便地調(diào)用。同時，像數(shù)控機床與加工中心這樣加工制造業(yè)的重要設(shè)備，其核心的控制過程都由運動控制器來完成，它們在生產(chǎn)中可以保證產(chǎn)品達到理想的加工精度和穩(wěn)定的加工品質(zhì)，而且操作過程易于實現(xiàn)自動化，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短，可以節(jié)省大量專用工藝設(shè)備，適用于當(dāng)今產(chǎn)品快速更新?lián)Q代的要求。¨

16、“運動控制器的設(shè)計原理運動控制器在設(shè)計上較多采用基于的方案，通過上層軟件可以獨立配置各軸工作方式，構(gòu)成開放式運動控制平臺。把伺服運動控制器插入的標(biāo)準(zhǔn)插槽，再加上一些外圍設(shè)備，如伺服放大器、電源、編碼器等，構(gòu)成一個模塊化的數(shù)控系統(tǒng)。運動控制器完成運動軌跡的插補運算及電機的位置和速度的實時控廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文制，這樣主機可從繁重的運動控制中解脫出來，進行更高層次的管理和控制任務(wù)?？梢哉f，運動控制器是構(gòu)成這種系統(tǒng)的核心之一。¨在運行過程中，控制器接受上位機的指令，進行運動軌跡規(guī)劃，包括脈沖和方向信號的輸出、自動加減速處理、原點和限位開關(guān)等信號的檢測等。每塊運動控制器可控制多軸步進

17、電機或數(shù)字式伺服電機，控制器可以擴展，同時支持多卡共用，以實現(xiàn)更多運動軸的控制；每個軸都可以輸出脈沖和方向信號，并可輸入原點、減速、限位等開關(guān)信號，以實現(xiàn)回原點、限位保護等功能。開關(guān)信號由控制器自動檢測并作出反應(yīng)。如今，數(shù)控系統(tǒng)正在朝著高速度、高精度以及開放化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，而高速度、高精度是通過控制執(zhí)行部件來保證的。以往的運動控制器主要是基于單片機和分立數(shù)字電路制作的，用以實現(xiàn)位置控制處理等功能。由于器件本身執(zhí)行速度慢、體積大、集成度低，并且結(jié)構(gòu)固定，電路制作完成以后，無法改變其功能和結(jié)構(gòu)。因此，在微處理器芯片的選用上，運動控制器目前普遍采用高性能位或位微處理器作為其控制核心，隨

18、著嵌入式處理器性能不斷提高，這種控制方式在一定程度上提高了運動控制的精度和可靠性。¨在多軸運動控制器的設(shè)計過程中，（數(shù)字信號處理器）成為應(yīng)用最為廣泛的運動控制芯片。作為運算控制的核心單元，則作為系統(tǒng)執(zhí)行者，以高速度進行算法實現(xiàn)、位置調(diào)節(jié)和速度調(diào)節(jié)，經(jīng)過將數(shù)據(jù)送給伺服控制單元。系統(tǒng)不但可以進行高速度高精度控制，同時也是一個伺服系統(tǒng)的開發(fā)平臺。運動控制器采用作為系統(tǒng)的核心，通信雙口模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路模塊等幾部分組成。由于采用精簡指令結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)，使得設(shè)計多軸聯(lián)動軸控制器成為可能。這樣也解決了在系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換中容易形成的瓶頸堵塞現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和處理能力。同時，為了實現(xiàn)運動控制

19、器功能上的擴展和要求，在運動控制器的設(shè)計上引用了相應(yīng)的外圍芯片，來輔助核心控制單元的計算。（現(xiàn)場可編程門陣）作為功能擴展芯片常用于運動控制器的開發(fā)設(shè)計當(dāng)中，主要利用內(nèi)部模塊化、邏輯運算單元的結(jié)構(gòu)形式，以及譯碼，產(chǎn)生時鐘信號和脈沖信號的能力，實現(xiàn)軟硬件的重構(gòu)，從而使運動控制器的結(jié)構(gòu)與功能更加模塊化，開發(fā)流程更加簡便。運動控制器的軟件設(shè)計主要是針對運動控制算法、插補算法、加減速算法程序的編寫。同時還有對外圍芯片初始化程序的編寫，以及通信程序的設(shè)計。由于運動第一章緒論控制器算法程序的開發(fā)以及調(diào)試都可以在機上完成，因此程序開發(fā)環(huán)境簡單，以操作系統(tǒng)和相應(yīng)的開發(fā)軟件（如開發(fā)軟件），以及相應(yīng)的開發(fā)語言（如匯

20、編語言，等）就可實現(xiàn)運動控制器的軟件設(shè)計。，運動控制器的特點及應(yīng)用目前的運動控制器主要特征有：開放式結(jié)構(gòu)、使用簡便、功能豐富、可靠性高。在硬件和軟件兩個方面體現(xiàn)：在硬件方面多采用機作為上位機，通信方式采用總線方式，各種設(shè)置采用簡單的跳線和撥碼開關(guān)；接線方式采用型插頭；采用機的總線方式，卡上無需進行任何跳線設(shè)置，所有資源自動配置，接線方式采用型插頭，可使用屏蔽線纜，并且所有的輸入、輸出信號均用光電隔離，提高了控制器的可靠性和抗干擾能力。同時運動控制器各個單元與上位機獨立工作，方便系統(tǒng)日后升級和故障排查；在軟件方面提供了豐富的運動控制函數(shù)庫，以滿足不同的應(yīng)用要求。用戶只需根據(jù)控制系統(tǒng)的要求編制人機

21、界面，并調(diào)用控制器運動函數(shù)庫中的指令函數(shù)，就可以開發(fā)出既滿足要求又成本低廉的多軸運動控制系統(tǒng)。控制器的運動控制功能主要取決于運動函數(shù)庫。運動函數(shù)庫為單軸及多軸的步進或伺服控制提供了許多運動函數(shù)：單軸運動、多軸獨立運動、多軸插補運動等等。另外，為了配合運動控制系統(tǒng)的開發(fā)，還提供了一些輔助函數(shù)：中斷處理、編碼器反饋、間隙補償，運動中變速等。們正是由于運動控制器的開放式結(jié)構(gòu)，強大而豐富的軟件功能，對于使用者來說進行二次開發(fā)的設(shè)計周期縮短了，開發(fā)手段增多了，針對不同的數(shù)控設(shè)備，其柔性化、模塊化、高性能的優(yōu)勢得以被充分利用。在工業(yè)生產(chǎn)中，運動控制器的應(yīng)用范圍十分廣泛，我國現(xiàn)在制造業(yè)迅猛發(fā)展，對多軸數(shù)控機

22、床在數(shù)量上以及功能質(zhì)量上的要求越來越高，尤其是在加工航空航天零部件，以及大型葉輪葉片等部件方面，對數(shù)控加工設(shè)備功能和精度的要求更高。因此，對于數(shù)控加工設(shè)備的生產(chǎn)，以及在使用步進電機和數(shù)字式伺服電機的機運動控制系統(tǒng)中，運動控制器都成為了核心控制單元。運動控制器的其他應(yīng)用領(lǐng)域：數(shù)控機床、加工中心、機器人等；送料裝置、云臺：控制臺；繪圖機、雕刻機、印刷機械；打標(biāo)機、繞線機；醫(yī)療設(shè)備；包裝機械、紡織機械。廠東工業(yè)火學(xué)工學(xué)碩十學(xué)位論文課題研究概況課題來源廣州市科技計劃項爵：多坐揀聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)的研制與開發(fā)。項露編號：一。課題研究內(nèi)容及特色本課題主要研究對象：基于處理器的多軸運動控制器的設(shè)計開發(fā)。最終運動控

23、制器可實現(xiàn)插補周期：；控制軸線性插補計算，脈沖輸出最高頻率。單軸實現(xiàn)五段曲線麴減速控制。本課題主要完成以下內(nèi)容：根據(jù)多軸控制的要求，基于公司高速浮點處理器的核心單元硬件設(shè)計開發(fā)。實現(xiàn)運動控制器核心部件的設(shè)計，以及通訊模塊的設(shè)計。以作為核心完成擴展板的設(shè)計，在擴展板與核心板接口處實現(xiàn)光耦隔離電路設(shè)計。擴展板實現(xiàn)數(shù)字量向脈沖控制量的轉(zhuǎn)化。核心板與擴展板采用模塊億設(shè)計，方便故障檢測，系統(tǒng)維護及升級。根據(jù)硬件的設(shè)計進行編程，程序完成多軸控制插撲算法、位置控制算法、脈沖量轉(zhuǎn)化，控制以及回饋控制功能。程序?qū)崿F(xiàn)將上位機傳送到運動控制板的運動軌跡坐標(biāo)點，經(jīng)過數(shù)據(jù)采樣插補算法完成插補計算，并將插補壁轉(zhuǎn)化為控制電

24、機的脈律量。在控制系統(tǒng)上進行仿真實驗，對程序進行調(diào)試，得到符合要求的試驗結(jié)果。通過參照并比較國內(nèi)外運動控制器設(shè)計的發(fā)展現(xiàn)狀，多軸運動控制器在硬件結(jié)構(gòu)上的可重構(gòu)、可拓展和柔性化設(shè)計是霉前設(shè)計的關(guān)鍵。因此本課題在設(shè)計上引入了擴展板核心板的設(shè)計，以擴展板作為功能擴展，核心板作為算法實現(xiàn)，同時對電機的控制采用脈沖和總線兩種控制方式，這使得控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)功能上更加靈活。當(dāng)系統(tǒng)需要對功能進行擴展時，只需通過語言編程，改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)，重新分配信號接口，不需要改變硬件結(jié)構(gòu)或只改變?nèi)R一模塊的硬件結(jié)構(gòu)，第一章緒論就可以實現(xiàn)功能上的升級。這無疑增強了運動控制器的可移植性，并且降低了維護和升級的成本。并且運動控制器在對

25、伺服的控制上同時引入了總線形式的控制方式，通過采用基于工高速現(xiàn)場總線，可實現(xiàn)單路線纜最多可連接個測控制節(jié)點，電纜長度最大可連接。第二章系統(tǒng)總體設(shè)計原理概述多坐標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)多軸運動控制器主要應(yīng)用在多坐標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)中，用以實現(xiàn)運動算法計算、上下位機通訊、伺服電機控制等功能。多坐標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)在功能上主要實現(xiàn)接受上位杌發(fā)送的代瑪，按照設(shè)定的通訊協(xié)議將運動信息轉(zhuǎn)化為脈沖信號發(fā)送給電機，實現(xiàn)運動，完成加工的運動需要。同時，系統(tǒng)通過機完成系統(tǒng)內(nèi)部的軟件算法修改及升級。圖多坐標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)多坐標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上由機、仿真器、運動控制器、伺服驅(qū)動器、電機、編碼器等部件組成，多軸運動控制器通過仿真器與羚機相

26、連，通過機進行程序調(diào)試和第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計原理更新。同時與之間采用串行通信接口相連，接受傳送的控制指令和代碼。運動控制器將接受的指令插補運算轉(zhuǎn)換成脈沖信號發(fā)送給各軸的伺服驅(qū)動器，由伺服驅(qū)動器控制電機，實現(xiàn)運動控制。同時，點擊運動控制情況由編碼器記錄并反饋給運動控制器，進行速度和位置量的修正。多坐標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖一所示。本課題研究的基于的多軸運動控制器，作為整個運動控制系統(tǒng)的核心部分，主要實現(xiàn)對多軸伺服電機的運動控制、完成多軸實時運動控制程序計算、上下位機通訊等功能。多軸運動控制器總體架構(gòu)及設(shè)計原理針對多軸運動控制器要求插補周期短和實時聯(lián)動控制的特點，采用數(shù)字信號處理芯片作為運動控制器控制

27、計算的核心部件，實現(xiàn)程序快速實時運行。同時以作為功能擴展，實現(xiàn)對伺服電機的控制。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，本課題的設(shè)計采用核心板擴展板的形式。其中核心板以為核心，主要完成運動控制和算法實現(xiàn)；擴展板以為核心，為核心板實現(xiàn)功能擴展，控制伺服電機，完成與上位機的通訊，并保護電路不受外界干擾。核心板和擴展板采用彼此獨立的模塊化設(shè)計，兩塊板通過并行數(shù)據(jù)插口實現(xiàn)通信，與之間采用總線形式連接，主要實現(xiàn)插補計算、加減速計算、各運動控制程序調(diào)用及控制向伺服發(fā)送脈沖信號；用來提供驅(qū)動伺服電機的脈沖信號。將接收到的運動軌跡參數(shù)（包括：速度，加速度，運行距離，插補時間）經(jīng)過插補計算，加減速計算，最終將參數(shù)轉(zhuǎn)化為控制電機的脈沖頻率

28、信號，由發(fā)送相應(yīng)頻率和數(shù)量的脈沖，從而控制伺服電機，實現(xiàn)多軸的運動控制，。同時，以專用通信芯片為核心的通訊板提供了以總線型式串行控制電機運動，在控制方式上更加靈活。核心板接受上位機通過總線傳送的運動控制代碼，通過對代碼進行計算，將其轉(zhuǎn)化為控制量傳送到擴展板，擴展板通過將控制量轉(zhuǎn)化為脈沖信號傳給驅(qū)動器從而實現(xiàn)控制伺服電機轉(zhuǎn)動，同時接受電機編碼器回饋給伺服驅(qū)動器的信號，并將其傳送給，通過對回饋信號進行處理，進一步修正和監(jiān)控各軸運動，實現(xiàn)位置控制?？刂破骺傮w結(jié)構(gòu)如圖所示。廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文地址線叫燮悵引竺卜，數(shù)據(jù)線一。使能信號擴展板核心板（時鐘信號。）反饋信號編碼器反饋信號讀寫信號代碼。上

29、位機總線圖控制器總體結(jié)構(gòu)運動控制器結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計多軸運動控制器在結(jié)構(gòu)上采用彼此獨立的模塊化設(shè)計，即整個系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上分為核心板、擴展板和通信板三部分。每部分功能上彼此獨立，三塊板都有自己核心的控制芯片，可以通過仿真器獨立進行試驗調(diào)試，同時接口設(shè)計通用性強，可實現(xiàn)即插即用，若某一部分出現(xiàn)問題，直接替換新的模塊即可，易于故障排查。核心板即以為核心，主要實現(xiàn)程序計算；擴展版以為核心，主要實現(xiàn)通信及脈沖方式控制電機；通信板以通訊芯片為核心，實現(xiàn)以總線形式控制電機運動。運動控制器資源可重構(gòu)設(shè)計對于運動控制器在軟硬件資源的使用上實現(xiàn)了可重構(gòu)設(shè)計。資源的重構(gòu)大大降低了二次開發(fā)的成本，同時增加了系統(tǒng)升級的靈活性

30、。內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以通過語言編程改變，編程使內(nèi)部邏輯單元結(jié)構(gòu)和功能變化，使軟硬件資源通過“門和“線”的重新配置連接，可動態(tài)、靜態(tài)地改變硬件的功能和邏輯關(guān)系，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的柔性和擴展性，改變運動控制器核心板與擴展板之間的數(shù)據(jù)傳送位數(shù)，以及擴展版與伺服電機之間第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計原理輸出脈沖信號的條數(shù)，從而在不改變硬件的前提下，盡量利用現(xiàn)有硬件架構(gòu)就可以達到功能擴展目的。同時對于核心板內(nèi)部的主要運動控制算法并不需要修改，只要在信號輸出端設(shè)置相應(yīng)的輸出接口即可。運動控制器功能柔性化設(shè)計控制器對伺服電機的控制同時采用脈沖和總線兩種控制方式，通過在核心板設(shè)置不同的中斷信號來調(diào)用不同的電機控制方式。在不改變硬

31、件結(jié)構(gòu)和軟件程序的情況下，如果要改變運動控制器控制的電機軸數(shù)，可以通過總線方式控制電機。通過對系統(tǒng)通信模塊進行編程，即對電機通訊板的通訊芯片進行編程，通訊板將以總線形式，串行控制伺服電機，單路線纜最多可連接個測控制節(jié)點，電纜長度最大可連接。多軸運動控制器的軟件設(shè)計的軟件設(shè)計和普通微控制器的軟件設(shè)計有相同之處，比如，處理器對中斷的處理也是采用通用的辦法，設(shè)置優(yōu)先級、屏蔽等操作。的軟件開發(fā)通常是自己設(shè)計系統(tǒng)軟件框架，作為目標(biāo)代碼的一部分和用戶功能的模塊一起運行，這實質(zhì)上就是一個小型的操作系統(tǒng)。同時，這樣的核，操作系統(tǒng)隨著應(yīng)用的不同是多種多樣的。，針對不同應(yīng)用，系統(tǒng)的核心機制的復(fù)雜程度也是不同的。在

32、數(shù)控系統(tǒng)中對實時性要求較高的運動控制任務(wù)放到具有獨立的運動控制器中實現(xiàn)，具體完成以下功能：（）插補計算：上位機將運動軌跡的坐標(biāo)點傳送至運動控制板，采用數(shù)據(jù)采樣插補算法對系統(tǒng)分配的坐標(biāo)點進行插補計算。（）位置控制：位置控制和插補計算一樣都是數(shù)控系統(tǒng)中實時性要求較高的控制任務(wù)，而位置控制的優(yōu)先級高于插補計算。（）脈沖量接口功能：插補計算好的數(shù)據(jù)經(jīng)脈沖分配器變成均勻的脈沖，為伺服驅(qū)動單元提供脈沖量接口。（）開關(guān)量控制：開關(guān)量控制是運動控制中的任務(wù)之一，它的優(yōu)先級別比位置控制和插補計算低。板卡中設(shè)計的總線目的在于擴充開關(guān)量控制功能提供接口。（）運動控制器運行的狀態(tài)信息：運動控制器運行過程中的狀態(tài)包括：

33、各軸的指令位置、實際位置指令以及運行中出現(xiàn)的些異常情況。本設(shè)計以公司提供的基于的（）集成開發(fā)環(huán)境為軟廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)碩士學(xué)位論文件平臺，采用語言（，）編程，以提高程序的可讀性和可移植性。在軟件設(shè)計中，除了作為源代碼的文件外，還需要其它類文件：（）定義內(nèi)部寄存器地址的頭文件（，）；（）描述系統(tǒng)復(fù)位和中斷向量的匯編文件（木）；（）實現(xiàn)堆棧、程序存儲空間、數(shù)據(jù)存儲空間分配的命令文件（木）。以上三類文件，在多軸運動控制器的軟件開發(fā)上是必不可少的，程序編譯后可通過仿真器進行在線仿真或直接燒寫的中，使程序在目標(biāo)系統(tǒng)中運行。軟件的程序流程圖如下：本章小結(jié)圖主程序流程圖本章從總體上對多軸運動控制器的設(shè)計進行了介

34、紹，介紹了運動控制器在運動控制系第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計原理統(tǒng)中實現(xiàn)的功能，分析了系統(tǒng)總體組成及軟硬件部分的具體功能。論述了本課題研究系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理，提出本運動控制器的硬件設(shè)計的結(jié)構(gòu)方案，以及控制器在結(jié)構(gòu)和功能上的可擴展性和可重構(gòu)特性。在對伺服電機的控制上，系統(tǒng)課實現(xiàn)柔性的硬件升級和更改。并介紹了系統(tǒng)程序設(shè)計的總體架構(gòu)以及本課題的設(shè)計思路和實驗環(huán)境。廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩七學(xué)位論文第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計原理特點與選型特點及應(yīng)用數(shù)字信號處理技術(shù)（包括對信號的采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮和識別等），是世紀(jì)年代前后發(fā)展起來并廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興科學(xué)，應(yīng)用于控制領(lǐng)域可以大大拓展控制理論與工程領(lǐng)域的范圍

35、。自年代以來，隨著計算機、超大規(guī)模集成電路（）以及微處理器技術(shù)的迅猛發(fā)展，一數(shù)字信號處理技術(shù)無論在理論上還是工程應(yīng)用，都是目前發(fā)展最快的學(xué)科之一，并且日趨完善和成熟。數(shù)字信號處理器（，）作為數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)用的載體，是針對數(shù)字信號處理的需求而設(shè)計的一種可編程的單片機，是現(xiàn)代電子技術(shù)、計算機技術(shù)和信號處理技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。與傳統(tǒng)的和單片機不同，更適用于高性能、重復(fù)性、數(shù)值運算密集型的實時處理，并提供了很高的數(shù)據(jù)輸入輸出能力，因此更多地應(yīng)用于數(shù)據(jù)密集型的事件處理。”矧微控制器（）通俗的稱呼是單片機，為滿足被控制對象的要求，其向著系統(tǒng)級芯片（）、高可靠性、低功耗、低成本的方向發(fā)展。而數(shù)字信號處理器

36、（）作為一種特殊的微控制器，與傳統(tǒng)的通用處理器（）及單片機相比，主要有著如下一些特點：（）改進的哈佛（）體系結(jié)構(gòu)及多總線結(jié)構(gòu)。早期的微處理器大都采用馮若依曼（）結(jié)構(gòu)，其片內(nèi)程序空間和數(shù)據(jù)空間合二為一，取指令和取操作數(shù)是通過一條總線分時進行的。當(dāng)高速運算時，不能同時取指令和取操作數(shù)，造成傳輸信道的瓶頸現(xiàn)象。而內(nèi)部采用程序空間和數(shù)據(jù)空間分開的哈佛結(jié)構(gòu)，同時具備多總線，允許同時取指令（來自程序內(nèi)存）和取操作數(shù)（來自數(shù)據(jù)存儲器），而且允許在程序空間和數(shù)據(jù)空間之間互相傳送數(shù)據(jù)，這即是改進的哈佛結(jié)構(gòu)。（）專用的硬件乘法器。普通單片機中的乘法指令需要多個指令周期。而芯片的特征就是具備專用的硬件乘法器，乘法可

37、以在一個指令周期內(nèi)完成，還可以與加法并行進行，非常適合數(shù)字信號處理。可見，高速的乘法指令和并行操作大大提高了處理器的性能。（）流水線結(jié)構(gòu)。流水線與哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)，芯片廣泛采用多級流水線操作，即程第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計原理序運行時同時有多條指令在處理預(yù)處理過程中，而每條指令處于流水線的不同階段，以減少指令執(zhí)行時間。（）硬件配置強。新一代的接口功能越來越強，以前需要外部擴展的外圍電路集成到了單芯片中而成為一個功能強大的（），如片內(nèi)具有串行通信口、轉(zhuǎn)換器、軟件控制的等待狀態(tài)發(fā)生器、帶鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器、片上定時器、符合標(biāo)準(zhǔn)的測試仿真接口等各種外設(shè)單元，以及和快速內(nèi)存，極大地簡化了系統(tǒng)設(shè)計。在增加片內(nèi)模塊的

38、同時，許多芯片能夠工作在省電模式下，使得系統(tǒng)功耗降低。（）快速的指令周期。哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的指令再加上集成電路的優(yōu)化設(shè)計可使芯片的指令周期在以下，高性能的指令周期可以達到甚至更低。在運動控制器設(shè)計中實現(xiàn)功能基于的多軸運動控制器，是以為核心，利用高速的運算能力，以及多任務(wù)的處理能力實現(xiàn)對整個控制單元的控制。數(shù)字信號處理器，其內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，采用流水線操作，提供特殊的指令，可以用來快速的實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。尤其在信號處理、通信、語音、圖形圖像處理以及工業(yè)上都有著廣泛的應(yīng)用。由于其運算功能的強大，目前已廣泛運用機械加工控制領(lǐng)域

39、和多軸數(shù)控機床的運算與數(shù)據(jù)處理上。主要應(yīng)用于實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法，程序經(jīng)過計算，轉(zhuǎn)化為控制信號用來對數(shù)字伺服電機進行控制，其過程具有如下特點：（）采用數(shù)字化給定和數(shù)字化回饋，消除了在數(shù)據(jù)給定和回饋信道上的干擾對系統(tǒng)性能的影響；（）采用數(shù)字總線和數(shù)控系統(tǒng)相連，使得數(shù)控系統(tǒng)可以得到更多的伺服系統(tǒng)內(nèi)部的信息，有利于各種控制方法的實現(xiàn)和系統(tǒng)監(jiān)控的實現(xiàn)；（）全數(shù)字化伺服采用控制，可以采用先進的控制算法，提高伺服系統(tǒng)的跟蹤精度，甚至實現(xiàn)零誤差跟蹤，大大提高機床加工精度；（）全數(shù)字化伺服可以系統(tǒng)發(fā)出信號控制功率器件驅(qū)動電機，使得控制系統(tǒng)和強電隔離。有利于提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性；廣東工業(yè)大

40、學(xué)工學(xué)碩上學(xué)位論文（）采用帶有掉電保護功能的編碼器回饋系統(tǒng)，在上電后把機床位置數(shù)據(jù)回饋回數(shù)控系統(tǒng)，省掉參考點動作；（）控制單元可以針對不同的控制對象，自動調(diào)節(jié)最佳控制參數(shù)，使得系統(tǒng)的安裝調(diào)整更加容易。同時，基于的運動控制器作為上位機與下位機的銜接部分，運動控制器通過接收上位機傳送過來的數(shù)控代碼，將其轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可以接受的插補數(shù)據(jù)，同為部的插補運算，產(chǎn)生控制信號，控制相關(guān)的邏輯門控制電路產(chǎn)生相應(yīng)的脈寬調(diào)制信號，用以控制伺服電機運動。運動控制器的設(shè)計，算法是核心，對于運動控制器的核心算法通過插補算法將當(dāng)前的反饋位置信號與插補計算的理論位置相比較，確定軸的進給脈沖；進給脈沖通過光電隔離、信號放大驅(qū)動軸

41、步進電機完成相應(yīng)的運動”。精密數(shù)控系統(tǒng)的插補周期極短，插補間隔小，其控制和插補運算相當(dāng)頻繁，從而要求數(shù)控系統(tǒng)在極短的時間內(nèi)對各軸反饋的位置信號進行處理（目前插補周期已達到毫秒級），實現(xiàn)精密機床的高精度位置伺服控制和輪廓控制，同時提供機床及刀具的熱效應(yīng)和幾何誤差補償與控制。目前，在多軸運動控制器的生產(chǎn)領(lǐng)域，的應(yīng)用多以針對與控制的系歹為主，但由于其運算速度與精度的制約往往不能達到生產(chǎn)的實際要求，而高性能的浮點型的出現(xiàn)能彌補了這一缺點，可以在很短的插補周期內(nèi)完成插補運算。的選型作為運動控制器的核心器件，按設(shè)計要求可以分為兩類。第一類，領(lǐng)域為廉價的、大規(guī)模嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，如手機、磁盤驅(qū)動（用作伺服電機

42、控制）以及便攜式數(shù)字音頻播放器等。在這些應(yīng)用中價格和集成度是最重要的考慮因素。對于便攜式電池供電的設(shè)備，功耗也是一個關(guān)鍵的因素。盡管這些應(yīng)用常常需要開發(fā)運行于的客戶應(yīng)用軟件和外圍支持硬件，但易于開發(fā)的要求仍然是次要的因素，因為批量生產(chǎn)可以分?jǐn)傞_發(fā)成本，從而降低單位產(chǎn)品的開發(fā)成本。另外一類是需要用復(fù)雜算法對大量數(shù)據(jù)進行處理的應(yīng)用，例如聲納探測和地震探測等，也需要用器件。該類設(shè)備的批量一般較小、算法要求苛刻、產(chǎn)品很大而且很復(fù)雜，所以設(shè)計工程師在選擇處理器時會盡量選擇性能最佳、易于開發(fā)并支持多處理器的器件?；谶\動控制器的應(yīng)用領(lǐng)域，對于的選用上應(yīng)按照第二種分類選取，即選擇運算能力強，系統(tǒng)兼容性好的芯

43、片，因而，本系統(tǒng)需要采用高性能的第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計原理浮點芯片作為主控芯片。同時，在運動控制器的設(shè)計過程中，根據(jù)芯片本身的特點需要考慮幾個方面：（）電源供給：本身運用工作電壓，運用鎖向環(huán)電壓，需要采用公司推薦的電源芯片將電源電壓轉(zhuǎn)換成和。（）晶振產(chǎn)生電路：根據(jù)運用的晶振不同采用的晶體振蕩起振電阻和電容不同，這里采用晶振，起振電阻和電容分別選用電阻和電容。（）鎖向環(huán)電路：鎖向環(huán)需要采用推薦電路，注意用的電阻分別為的電阻和電容。（）電平轉(zhuǎn)換電路：由于只能接受電平信號，因此需要用電平轉(zhuǎn)換芯片進行電平轉(zhuǎn)換，同時考慮對的讀寫邏輯操作。面向控制的作為一種嵌入式系統(tǒng)，即“嵌入到對象體系中的專用計算機系統(tǒng)”，有三個基本要素必須滿足：“嵌入性”、“專用性”與“計算機系統(tǒng)”。與“嵌入性”的相關(guān)特點為：由于是嵌入到對象體系中，必須滿足對象系統(tǒng)的環(huán)境要求，如物理