【正文】 較結(jié)果可從狀態(tài)寄存器讀出，也可通過中斷報出。驅(qū)動脈沖輸出的速度可以在不運行的時候自由改變。使用 S 曲線加/ 減速命令可以使輸出脈沖按拋物線規(guī)律進行加/減速。9（3）恒速控制恒速控制功能允許在不同的插補進行改換時保持運動速度不變。結(jié)構(gòu)圖見圖 24。本系統(tǒng)采用的是第一種方案，下面的章節(jié)對其作了詳細地介紹，這里我們先分別談一下課題總體方案中的幾個重點部分：MCX314 芯片，CAN 總線，ARM 微處理器。因此采用 AT91FR40162 作為中央處理器，能夠提高系統(tǒng)性能，得到更優(yōu)秀的控制特性，采用運動控制芯片 MCX314,由其來完成復(fù)雜的運動控制算法，控制器具有精度高，運行穩(wěn)定，實時性好，抗干擾能力強，性價比高的特點。采用 ARM7 系列中的 AT91FR40162 具有以下的好處 [21][22][23]：(1) 提高控制性能，采用成熟 32 位的 ARM 處理器來控制，可以提高系統(tǒng)可測的反映類型和相應(yīng)的項目。還有輸入輸出電路和 MCX314 的基本外圍電路。整個板卡的結(jié)構(gòu)如圖 23 所示。傳統(tǒng)的運動控制裝置采用單片機為控制器，由于單片機處理速度較低，計算速度慢，在進行復(fù)雜運動控制中，系統(tǒng)的實時性能和可靠性受到制約，控制精度不理想。高集成度 MCX314 運動控制專用芯片能實現(xiàn) 4軸 3 聯(lián)動的位置、速度、加速度控制和直線、圓弧、位元 3 種模式的連續(xù)插補和位置閉環(huán)控制，其性能優(yōu)良、接口簡單、編程方便、工作可靠，給運動控制帶來極大方便。為了控制的方便，步進電機一般可以有兩種不同的控制模式可供選擇。此外，步進電機驅(qū)動器在相數(shù)、通電狀態(tài)、電壓、電流上要符合所控制的步進電機的技術(shù)參數(shù)要求。如圖 22 是典型的步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，主要由步進電機運動控制器、步進電機驅(qū)動器和步進電機三部分組成 [35][39][40]。數(shù)字化執(zhí)行電機的受控性能較好，已在運動控制系統(tǒng)中普遍應(yīng)用，如步進電機或數(shù)字式交流伺服電機等。一個完整的運動控制系統(tǒng)通常由上位控制器、驅(qū)動器、執(zhí)行電機、機械傳動機構(gòu)和位置檢測元件等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 21 所示 [26] [35]。（2）AT91FR40162+MCX314 運動控制器的硬件設(shè)計。在本設(shè)計中，我們選用日本 NOVA 電子有限公司研制的 DSP 運動控制專用芯片 MCX314?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)的開放性為數(shù)控技術(shù)能持續(xù)不斷地吸收日新月異的計算機硬軟件最新成果創(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，增強競爭力，這正是開放式 NC 控制器之所以被各發(fā)達國家視為重要的戰(zhàn)略技術(shù)、紛紛投入研究的重要原因。目前最具影響力的是分別由歐洲各國、美國及日本進行的OSACA、OMAC、OSE，因而這三個計劃的發(fā)展現(xiàn)狀基本上代表了開放性數(shù)控的發(fā)展現(xiàn)狀。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)運行。系統(tǒng)的功能軟件與設(shè)備無關(guān)，即應(yīng)用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式、交互模型、控制機理，使構(gòu)成系統(tǒng)的各個功能模塊可來源于不同的開發(fā)商提供的硬件平臺之上。提供標準化環(huán)境的基礎(chǔ)平臺，允許不同功能和不同開發(fā)商的軟硬2件模塊介入。 開放式數(shù)控系統(tǒng)及其研究現(xiàn)狀進入 90 年代以來，為了適應(yīng)時代的要求，世界上一些研究機構(gòu)和生產(chǎn)廠商先后開展了開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究。還應(yīng)能在普及型個人計算機的操作系統(tǒng)上，簡便地應(yīng)用系統(tǒng)所配置的軟件模塊和硬件運動控制插件卡；機床制造商和用戶能夠方便的進行軟件開發(fā)，追加功能和實現(xiàn)功能的個性化，使 CNC 系統(tǒng)具有 PC 的高速分析運算能力，大容量存儲功能，各種軟件的支撐，圖文顯示的優(yōu)勢以及聯(lián)網(wǎng)的靈活性。到 70 年代末 80 年代初，現(xiàn)代 CNC 系1統(tǒng)進入成熟期，并在工業(yè)化國家形成產(chǎn)業(yè)化，數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機床開始批量生產(chǎn)和投放市場，數(shù)控技術(shù)在其它領(lǐng)域也得到了普及應(yīng)用。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，出現(xiàn)了第四代數(shù)控系統(tǒng)，即計算機數(shù)控(CNC) 系統(tǒng)。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)。數(shù)控機床在整個現(xiàn)代制造系統(tǒng)中處于基礎(chǔ)性的、核心的地位 [5]。基于 MCX314 步進電機運動控制器設(shè)計畢業(yè)論文目 次 1 緒論 .................................................................1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展 .....................................................1 開放式數(shù)控系統(tǒng)及其研究現(xiàn)狀 .........................................2　 論文主要工作 .......................................................42 運動控制關(guān)鍵技術(shù)分析及方案制定 .......................................5 運動控制系統(tǒng) .......................................................5 步進電機運動控制系統(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 電路的運動控制器的硬件設(shè)計 ..........................................16 硬件設(shè)計 ..........................................................16 電路的抗干擾設(shè)計 ..................................................23 本章小結(jié) ..........................................................244 軟件設(shè)計 ............................................................25 系統(tǒng)工作流程 ......................................................25 控制程序特點與編寫 ................................................26　 串口通信 ..........................................................29 本章小結(jié) ..........................................................29結(jié) 論 .................................................................31致 謝 .................................................................32參 考 文 獻 ............................................................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)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，制造業(yè)水平的高低是衡量一個國家工業(yè)發(fā)達程度的重要標志。在我國，先進制造技術(shù)的重要性業(yè)已引起各界的認識和重視，被列為“九五”計劃和 2022 年中長期科研發(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]。早期的數(shù)控系統(tǒng)采用數(shù)字邏輯電路構(gòu)成。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，1970 年出現(xiàn)了通用小型計算機。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、價格昂貴、應(yīng)用不便( 主要是編程困難)等關(guān)鍵問題。這就要求 CNC 系統(tǒng)具有模塊化和重新配置的特點：從使用的角度看，新型 CNC 系統(tǒng)應(yīng)能運用于各種計算機軟硬件平臺上，并提供統(tǒng)一風(fēng)格的用戶交互環(huán)境，以便于用戶的操作、維護和更新?lián)Q代。在這種情況下，基于 PC(國外稱為 PCBASED)的第六代數(shù)控系統(tǒng)——開放式結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)便成應(yīng)運而生 [7][9][16] [17]。開放式系統(tǒng)具有以下基本特征：（1）開放性。（3）可移植性。（5）可互換性?！￠_放式數(shù)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀國際上與開放性數(shù)控的項目相關(guān)的項目比較多，早在 80 年代，為了擬訂并推進關(guān)于新一代開放式控制系統(tǒng)的詳細分析與規(guī)范，美國國防部就開始了名為“下一代控制器(NGC) ” 的計劃?？刂葡到y(tǒng)的開放式結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)將導(dǎo)致新一代控制器的產(chǎn)生，并成為未來制造業(yè)的一大支柱?！≌撐闹饕ぷ髂壳?，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 機的廣泛普及，采用運動控制器的數(shù)控系統(tǒng)將成為新一代數(shù)控技術(shù)發(fā)展潮流，運動控制器將成為未來數(shù)控系統(tǒng)的核心。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，確定課題方案。42 運動控制關(guān)鍵技術(shù)分析及方案制定 運動控制系統(tǒng)運動控制的實質(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械運動，以得到確定的位置、速度、加速度或特定的運動形式。上位控制器通常是運動控制卡、具有運動控制功能的 PLC、數(shù)控系統(tǒng)(CNC)或單片機系統(tǒng)等。 步進電機運動控制系統(tǒng)不管是那一種類型的步進電機，其運動控制系統(tǒng)都是相似的。由于輸出的功率極小，只有幾毫安電流，而步進電機相繞組一般需要幾安至十幾安的電流( 脈沖電流幅值直接影響步進電機的轉(zhuǎn)矩大小)，所以脈沖分配器不能直接驅(qū)動步進電機工作，必須通過功率放大器進行放大，才能給步進電機各相繞組提供足夠的電流。這樣為步進電機設(shè)計的運動控制器就可根據(jù)不同的需要與不同的驅(qū)動器連接使用。 方案的制定在本課題的總體方案中，我們首先選定的是日本 NOVA 電子有限公司研制的DSP 運動控制專用芯片 MCX314。具體來說：第一種方式是做成外置式的獨立運動控制器，通常采用微處理器或單片機構(gòu)成控制系統(tǒng)，這種方法的軟，硬件設(shè)計相對簡單。PC 機通過PCI 總線來訪問和控制 MCX314。主體是 PC 機通過 PCI總線實現(xiàn)對 MCX314 的控制，中間是一個 PCI 橋芯片 PCI9052。由 PC 機通過 PCI 總線接口直接對 MCX314 進行控制，但設(shè)計的硬件和軟件的復(fù)雜性加大，系統(tǒng)的可擴展性和開放性受到限制，系統(tǒng)的響應(yīng)速度在很大程度上依賴于 CPU，受處理器的影響比較大，成本也較高，系統(tǒng)升級較為困難，所以綜合考慮本設(shè)計選用第一種方案。(4) 降低軟件研發(fā)成本，軟件開發(fā)簡單，快捷，可以有更少的軟件研發(fā)人員花更少的時間完成復(fù)雜的運動控制編程。加上嵌入式實時操作系統(tǒng)具有實時性、小型化、專用化和高可靠性，從而克服了傳統(tǒng)的基于單片機控制系統(tǒng)功能不足。MCX314 的所有功能都是由特定的寄存器控制的，例如命令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和配置寄存器等 [1] [13] [14] 。輸出脈沖的模式有兩種：一種是脈沖/方向電平模式，另一種是正向脈沖 /負向脈沖模式。每根單獨的軸被獨立的預(yù)置為 S 曲線或梯形加 /減速。%。（6）比較寄存器和軟件限位每個軸都有 2 個 32 位比較寄存器，1 個為邏輯位置計數(shù)器，另外 1 個為實際位置計數(shù)器。運動位置邊界的坐標界于－8388608～＋8388607 之間，同時線性誤差為177。其邊界坐標界于－8388608～＋8388607 之間，同時圓弧誤差為177。這種插補的數(shù)據(jù)由上位機進行運算。（11）單步插補MCX314 還可以在單步插補情況下輸出脈沖，即當(dāng)所有參數(shù)設(shè)定完成之后，一旦上位機寫入 1 次單步指令，或者外部輸入 1 個下降沿信號，MCX314 將輸出 1 個脈沖。選擇定長脈沖驅(qū)動或是連續(xù)脈沖驅(qū)動由外部管腳控制。每個軸另有 8 個通用輸出點。（17）可用 8 位或 16 位數(shù)據(jù)總線MCX314 可以與 8 位或 16 位 CPU 相連。在向此寄存器寫入軸設(shè)定字和命令字后，它將立即執(zhí)行。WR1 可以控制輸入信號與中斷信號的使能，并用于設(shè)定減速狀態(tài)和比較結(jié)果寄存器。WR3 可用于操作手動減速、單獨減速、S 曲線加/ 減速、外部操作模式設(shè)定和通用輸出的設(shè)定。在將命令字寫入 WR0之前，應(yīng)先將數(shù)據(jù)寫入 WR6 和 WR7：WR6 用來存放數(shù)據(jù)的低字，WR7 用來存放數(shù)據(jù)的高字。哪個狀態(tài)寄存器被讀取，決定于寫入 MCX314 的命令。（11）狀態(tài)寄存器 RR3同 RR1 和 RR2，4 根軸中的每根軸都有自己的狀態(tài)寄存器 3。低 16 位在 RR6 寄存