【正文】 基于 MCX314 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目 次 1 緒論 .................................................................1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展 .....................................................1 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)及其研究現(xiàn)狀 .........................................2　 論文主要工作 .......................................................42 運(yùn)動(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)分析及方案制定 .......................................5 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) .......................................................5 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) ...............................................6 方案的制定 .........................................................7 MCX314 芯片 ........................................................9　 AT91FR40162 芯片介紹 ..............................................13　 CAN 總線技術(shù) ......................................................14　 本章小結(jié) ..........................................................153 電路的運(yùn)動(dòng)控制器的硬件設(shè)計(jì) ..........................................16 硬件設(shè)計(jì) ..........................................................16 電路的抗干擾設(shè)計(jì) ..................................................23 本章小結(jié) ..........................................................244 軟件設(shè)計(jì) ............................................................25 系統(tǒng)工作流程 ......................................................25 控制程序特點(diǎn)與編寫(xiě) ................................................26　 串口通信 ..........................................................29 本章小結(jié) ..........................................................29結(jié) 論 .................................................................31致 謝 .................................................................32參 考 文 獻(xiàn) ............................................................33附錄一: 電路原理圖 .....................................................35附錄二: 電路 PCB 圖 .....................................................37 01 緒論制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，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。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，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。近年來(lái)，世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了研究應(yīng)用先進(jìn)制造技術(shù)的浪潮，以機(jī)械制造為代表的先進(jìn)制造技術(shù)己成為當(dāng)代國(guó)際間科技競(jìng)爭(zhēng)的重點(diǎn)，許多國(guó)家制定了相應(yīng)的計(jì)劃，其中最具代表性的是美國(guó)的先進(jìn)制造技術(shù)計(jì)劃(AMT)、韓國(guó)的高級(jí)先進(jìn)技術(shù)國(guó)家計(jì)劃、日本的智能制造計(jì)劃(IMS)和德國(guó)制造 2022 計(jì)劃等。在我國(guó)，先進(jìn)制造技術(shù)的重要性業(yè)已引起各界的認(rèn)識(shí)和重視，被列為“九五”計(jì)劃和 2022 年中長(zhǎng)期科研發(fā)展規(guī)劃中的主要關(guān)鍵技術(shù)和重要發(fā)展方向 [5] [6] [44]。數(shù)控機(jī)床在整個(gè)現(xiàn)代制造系統(tǒng)中處于基礎(chǔ)性的、核心的地位 [5]。因此，在現(xiàn)代制造系統(tǒng)朝著集成化、綜合化和智能化發(fā)展的今天，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展與普及化，深入研究新一代數(shù)控技術(shù)具有重要的意義和實(shí)用價(jià)值。 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展數(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。早期的數(shù)控系統(tǒng)采用數(shù)字邏輯電路構(gòu)成。1952 年誕生的第一代為電子管式，1959 年發(fā)展為第二代晶體管式，1965 年出現(xiàn)了第三代的小規(guī)模集成電路式數(shù)控系統(tǒng)。這三代數(shù)控系統(tǒng)的所有功能均由硬件實(shí)現(xiàn)，所以稱(chēng)為硬件數(shù)控系統(tǒng)。這種數(shù)控系統(tǒng)沒(méi)有通用性和靈活性，所以其應(yīng)用范圍受到很大限制，可靠性較低，造價(jià)較高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，1970 年出現(xiàn)了通用小型計(jì)算機(jī)。于是將它移植過(guò)來(lái)作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，出現(xiàn)了第四代數(shù)控系統(tǒng)，即計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC) 系統(tǒng)。1974年，微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)后，發(fā)展為第五代數(shù)控系統(tǒng)，即現(xiàn)代 CNC 系統(tǒng)。CNC 系統(tǒng)特別是現(xiàn)代 CNC 系統(tǒng)的主要功能，如插補(bǔ)運(yùn)算、刀具補(bǔ)償、用戶(hù)數(shù)控程序的預(yù)處理、刀具加工軌跡仿真等均由軟件實(shí)現(xiàn)，所以 CNC 系統(tǒng)又稱(chēng)為軟件數(shù)控系統(tǒng)。自從出現(xiàn)了現(xiàn)代 CNC 系統(tǒng)以后，才從根本上解決了數(shù)控系統(tǒng)可靠性低、價(jià)格昂貴、應(yīng)用不便( 主要是編程困難)等關(guān)鍵問(wèn)題。到 70 年代末 80 年代初，現(xiàn)代 CNC 系1統(tǒng)進(jìn)入成熟期，并在工業(yè)化國(guó)家形成產(chǎn)業(yè)化，數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機(jī)床開(kāi)始批量生產(chǎn)和投放市場(chǎng)，數(shù)控技術(shù)在其它領(lǐng)域也得到了普及應(yīng)用。CNC 技術(shù)的應(yīng)用為制造業(yè)帶來(lái)異常深刻的變革，但是，隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì) CNC 系統(tǒng)提出了越來(lái)越高的要求。從完成功能上看，一方面 CNC 系統(tǒng)必須適應(yīng) DNC、CAD/CAM 及 CIMS 的發(fā)展，能提供一個(gè)可以集成不同開(kāi)發(fā)商提供的軟件并適合聯(lián)網(wǎng)需要的平臺(tái)；另一方面，隨著數(shù)控系統(tǒng)在機(jī)械制造、冶金、紡織、印刷、軍工等行業(yè)的應(yīng)用日益增多，中小批量生產(chǎn)的趨勢(shì)日益增強(qiáng)，必須根據(jù)不同的用戶(hù)需求，迅速、高效、低成本地構(gòu)筑面向用戶(hù)的數(shù)控系統(tǒng)。這就要求 CNC 系統(tǒng)具有模塊化和重新配置的特點(diǎn)：從使用的角度看，新型 CNC 系統(tǒng)應(yīng)能運(yùn)用于各種計(jì)算機(jī)軟硬件平臺(tái)上，并提供統(tǒng)一風(fēng)格的用戶(hù)交互環(huán)境，以便于用戶(hù)的操作、維護(hù)和更新?lián)Q代。還應(yīng)能在普及型個(gè)人計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)上，簡(jiǎn)便地應(yīng)用系統(tǒng)所配置的軟件模塊和硬件運(yùn)動(dòng)控制插件卡；機(jī)床制造商和用戶(hù)能夠方便的進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，追加功能和實(shí)現(xiàn)功能的個(gè)性化，使 CNC 系統(tǒng)具有 PC 的高速分析運(yùn)算能力，大容量存儲(chǔ)功能，各種軟件的支撐，圖文顯示的優(yōu)勢(shì)以及聯(lián)網(wǎng)的靈活性。顯然，現(xiàn)代的封閉式結(jié)構(gòu)的 CNC 系統(tǒng)根本無(wú)法滿(mǎn)足這些要求。數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商為了保持自己的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，必須尋求更好的技術(shù)手段，使他們的專(zhuān)用技術(shù)能夠隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的更新?lián)Q代而順利的升級(jí)，不必為 CNC 產(chǎn)品換代而自己開(kāi)發(fā)所有的軟、硬件功能模塊。在這種情況下，基于 PC(國(guó)外稱(chēng)為 PCBASED)的第六代數(shù)控系統(tǒng)——開(kāi)放式結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)便成應(yīng)運(yùn)而生 [7][9][16] [17]。 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)及其研究現(xiàn)狀進(jìn)入 90 年代以來(lái)，為了適應(yīng)時(shí)代的要求，世界上一些研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠商先后開(kāi)展了開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究。 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的概念根據(jù) 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(hù)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、互操作性和縮放性等特點(diǎn)，即系統(tǒng)組成的內(nèi)部開(kāi)放化和系統(tǒng)組成各部件之間的開(kāi)放化 [15][17]。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2件模塊介入。（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，使不同的功能模塊能與標(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。具有上述基本特征的數(shù)控系統(tǒng)可以稱(chēng)為開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，這種開(kāi)放式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)并不是現(xiàn)有控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單集合，而是在博采眾長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，反映控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)未來(lái)發(fā)展的產(chǎn)物，它將引導(dǎo)開(kāi)放式控制系統(tǒng)產(chǎn)品的發(fā)展，并對(duì)技術(shù)的發(fā)展起一定的指導(dǎo)作用。在該體系結(jié)構(gòu)中，提供的是概念性和功能性的結(jié)構(gòu)，而不是系統(tǒng)設(shè)施和標(biāo)準(zhǔn)細(xì)節(jié)的精確定義?！￠_(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀國(guó)際上與開(kāi)放性數(shù)控的項(xiàng)目相關(guān)的項(xiàng)目比較多，早在 80 年代，為了擬訂并推進(jìn)關(guān)于新一代開(kāi)放式控制系統(tǒng)的詳細(xì)分析與規(guī)范，美國(guó)國(guó)防部就開(kāi)始了名為“下一代控制器(NGC) ” 的計(jì)劃。目前最具影響力的是分別由歐洲各國(guó)、美國(guó)及日本進(jìn)行的OSACA、OMAC、OSE，因而這三個(gè)計(jì)劃的發(fā)展現(xiàn)狀基本上代表了開(kāi)放性數(shù)控的發(fā)展現(xiàn)狀。與國(guó)際先進(jìn)水平相比，我國(guó)國(guó)內(nèi)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究還處于初級(jí)階段，主要采用在工業(yè) PC 或普通 PC 的總線插槽上插入運(yùn)動(dòng)控制卡和 I/O 卡，配以自行開(kāi)發(fā)的控制軟件來(lái)完成數(shù)控系統(tǒng)的基本功能。目前己有的開(kāi)放性數(shù)控系統(tǒng)主要有四種：華中 I 型、中華 I 型、航天 I 型和藍(lán)天 I 型?？刂葡到y(tǒng)的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)將導(dǎo)致新一代控制器的產(chǎn)生，并成為未來(lái)制造業(yè)的一大支柱?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)的開(kāi)放性為數(shù)控技術(shù)能持續(xù)不斷地吸收日新月異的計(jì)算機(jī)硬軟件最新成果創(chuàng)造了條件，有利于數(shù)控產(chǎn)品自身的更新?lián)Q代，提高性能，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力，這正是開(kāi)放式 NC 控制器之所以被各發(fā)達(dá)國(guó)家視為重要的戰(zhàn)略技術(shù)、紛紛投入研究的重要原因。制造業(yè)第三次革命的開(kāi)3放式控制系統(tǒng)的研究，為我國(guó)數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了新的契機(jī)。我們應(yīng)該抓住這一大好時(shí)機(jī)，迅速開(kāi)展并深化我國(guó)的開(kāi)放性控制系統(tǒng)的研究，縮小我國(guó)制造業(yè)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距 [18] [19] [36]?！≌撐闹饕ぷ髂壳?，由于以 DSP 為代表的高速高性能專(zhuān)用微處理器的出現(xiàn)和 PC 機(jī)的廣泛普及，采用運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)控系統(tǒng)將成為新一代數(shù)控技術(shù)發(fā)展潮流，運(yùn)動(dòng)控制器將成為未來(lái)數(shù)控系統(tǒng)的核心。在本設(shè)計(jì)中，我們選用日本 NOVA 電子有限公司研制的 DSP 運(yùn)動(dòng)控制專(zhuān)用芯片 MCX314。 MCX314 由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制算法，使得編程方便，接口簡(jiǎn)單，工作可靠，給運(yùn)動(dòng)控制帶來(lái)極大方便，可廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等領(lǐng)域的運(yùn)動(dòng)控制?；?MCX314 運(yùn)動(dòng)控制器具有處理能力強(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)。論文的內(nèi)容包括：（1）數(shù)控技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，確定課題方案。（2）AT91FR40162+MCX314 運(yùn)動(dòng)控制器的硬件設(shè)計(jì)。（3）運(yùn)動(dòng)控制器的測(cè)試軟件設(shè)計(jì)，包括一些基本的功能函數(shù)和測(cè)試?yán)?。?）總結(jié)和后期展望。42 運(yùn)動(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)分析及方案制定 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)質(zhì)是根據(jù)預(yù)定的方案，將上位控制系統(tǒng)做出的決策命令變成某種期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，以得到確定的位置、速度、加速度或特定的運(yùn)動(dòng)形式。一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通常由上位控制器、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和位置檢測(cè)元件等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 21 所示 [26] [35]。 圖 21　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖上位控制器將分析、計(jì)算所得出的決策命令以數(shù)字脈沖信號(hào)或模擬電壓信號(hào)的形式送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行功率變換，并驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)根據(jù)上位指令轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，便可以得到預(yù)期的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)形式。上位控制器通常是運(yùn)動(dòng)控制卡、具有運(yùn)動(dòng)控制功能的 PLC、數(shù)控系統(tǒng)(CNC)或單片機(jī)系統(tǒng)等。數(shù)字化執(zhí)行電機(jī)的受控性能較好，已在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中普遍應(yīng)用，如步進(jìn)電機(jī)或數(shù)字式交流伺服電機(jī)等。位置檢測(cè)裝置有脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵、磁尺及激光干涉儀等?；谝陨蠈?duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)要分析，可對(duì)其作如下定義：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是集機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的軟硬件系統(tǒng)，它根據(jù)預(yù)定的方案，將上位控制系統(tǒng)做出的命令變成某種期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，使控制目標(biāo)得到精確的位置、速度、加速5度，或具有特定規(guī)律的運(yùn)動(dòng)形式。 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)不管是那一種類(lèi)型的步進(jìn)電機(jī)，其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)都是相似的。如圖 22 是典