【正文】 較結(jié)果可從狀態(tài)寄存器讀出，也可通過中斷報(bào)出。驅(qū)動(dòng)脈沖輸出的速度可以在不運(yùn)行的時(shí)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(jìn)行加/減速。9（3）恒速控制恒速控制功能允許在不同的插補(bǔ)進(jìn)行改換時(shí)保持運(yùn)動(dòng)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(duì)其作了詳細(xì)地介紹，這里我們先分別談一下課題總體方案中的幾個(gè)重點(diǎn)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(yùn)動(dòng)控制芯片 MCX314,由其來完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制算法，控制器具有精度高，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性好，抗干擾能力強(qiáng)，性價(jià)比高的特點(diǎn)。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(cè)的反映類型和相應(yīng)的項(xiàng)目。還有輸入輸出電路和 MCX314 的基本外圍電路。整個(gè)板卡的結(jié)構(gòu)如圖 23 所示。傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制裝置采用單片機(jī)為控制器，由于單片機(jī)處理速度較低，計(jì)算速度慢，在進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制中，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能和可靠性受到制約，控制精度不理想。高集成度 MCX314 運(yùn)動(dòng)控制專用芯片能實(shí)現(xiàn) 4軸 3 聯(lián)動(dòng)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(bǔ)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(yùn)動(dòng)控制帶來極大方便。為了控制的方便，步進(jìn)電機(jī)一般可以有兩種不同的控制模式可供選擇。此外，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在相數(shù)、通電狀態(tài)、電壓、電流上要符合所控制的步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)要求。如圖 22 是典型的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，主要由步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)三部分組成 [35][39][40]。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。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]。（2）AT91FR40162+MCX314 運(yùn)動(dòng)控制器的硬件設(shè)計(jì)。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)控制專用芯片 MCX314。控制器結(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(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)競爭力，這正是開放式 NC 控制器之所以被各發(fā)達(dá)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(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(yùn)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(jī)理，使構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊可來源于不同的開發(fā)商提供的硬件平臺(tái)之上。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(jìn)入 90 年代以來，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)廠商先后開展了開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究。還應(yīng)能在普及型個(gè)人計(jì)算機(jī)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(yùn)動(dòng)控制插件卡；機(jī)床制造商和用戶能夠方便的進(jìn)行軟件開發(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。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)化國家形成產(chǎn)業(yè)化，數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機(jī)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(jì)算機(jī)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(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]?；?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 ................................................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)國家工業(yè)發(fā)達(dá)程度的重要標(biāo)志。在我國，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(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)。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)鍵問題。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)格的用戶交互環(huán)境，以便于用戶的操作、維護(hù)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(yùn)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。　開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀國際上與開放性數(shù)控的項(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)于新一代開放式控制系統(tǒng)的詳細(xì)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(jì)劃。控制系統(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(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(shì)，確定課題方案。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。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。 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)不管是那一種類型的步進(jìn)電機(jī)，其運(yùn)動(dòng)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小)，所以脈沖分配器不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作，必須通過功率放大器進(jìn)行放大，才能給步進(jìn)電機(jī)各相繞組提供足夠的電流。這樣為步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制器就可根據(jù)不同的需要與不同的驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制專用芯片 MCX314。具體來說：第一種方式是做成外置式的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)控制器，通常采用微處理器或單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，這種方法的軟，硬件設(shè)計(jì)相對(duì)簡單。PC 機(jī)通過PCI 總線來訪問和控制 MCX314。主體是 PC 機(jī)通過 PCI總線實(shí)現(xiàn)對(duì) MCX314 的控制，中間是一個(gè) PCI 橋芯片 PCI9052。由 PC 機(jī)通過 PCI 總線接口直接對(duì) MCX314 進(jìn)行控制，但設(shè)計(jì)的硬件和軟件的復(fù)雜性加大，系統(tǒng)的可擴(kuò)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(jí)較為困難，所以綜合考慮本設(shè)計(jì)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(shí)間完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制編程。加上嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)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(jī)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(fù)向脈沖模式。每根單獨(dú)的軸被獨(dú)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(gè)軸都有 2 個(gè) 32 位比較寄存器，1 個(gè)為邏輯位置計(jì)數(shù)器，另外 1 個(gè)為實(shí)際位置計(jì)數(shù)器。運(yùn)動(dòng)位置邊界的坐標(biāo)界于－8388608～＋8388607 之間，同時(shí)線性誤差為177。其邊界坐標(biāo)界于－8388608～＋8388607 之間，同時(shí)圓弧誤差為177。這種插補(bǔ)的數(shù)據(jù)由上位機(jī)進(jìn)行運(yùn)算。（11）單步插補(bǔ)MCX314 還可以在單步插補(bǔ)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(jī)寫入 1 次單步指令，或者外部輸入 1 個(gè)下降沿信號(hào)，MCX314 將輸出 1 個(gè)脈沖。選擇定長脈沖驅(qū)動(dòng)或是連續(xù)脈沖驅(qū)動(dòng)由外部管腳控制。每個(gè)軸另有 8 個(gè)通用輸出點(diǎn)。（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(hào)與中斷信號(hào)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(dòng)減速、單獨(dú)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(gè)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