【正文】 ... 49 JTAG 測(cè)試接口電路 ................................................................................ 49 供電電路 .................................................................................................. 50 時(shí)鐘電路 .................................................................................................. 50 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路 ............................................................................................. 51 基于 PCI 和 USB 總線的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器開(kāi)發(fā) 控制電壓轉(zhuǎn)換電路 ......................................................................................... 51 CPLD 處理電路 ............................................................................................... 52 地址譯碼 .................................................................................................. 53 正交編碼脈沖處理及計(jì)數(shù) ...................................................................... 53 中斷邏輯 .................................................................................................. 56 接口卡電路分析 ............................................................................................. 56 差分信號(hào)處理電路 .................................................................................. 56 輸入輸出信號(hào)處理電路 .......................................................................... 57 運(yùn)動(dòng)控制器硬件開(kāi)放性的實(shí)現(xiàn) ..................................................................... 59 本章小結(jié) ......................................................................................................... 59 第 6 章 運(yùn)動(dòng)控制器軟件開(kāi)發(fā)及調(diào)試 ...................................................................... 60 控制器軟件 開(kāi)發(fā)概述 ..................................................................................... 60 DSP 底層程序開(kāi)發(fā) .......................................................................................... 60 USB 控制器的固件（ Firmware）編程 ................................................... 61 DSP 核心程序 ........................................................................................... 64 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā) ......................................................................................... 69 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)開(kāi)發(fā) ..................................................................................... 70 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)及其優(yōu)點(diǎn) ...................................................................... 70 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的設(shè)計(jì) .................................................................................. 71 用 DLL 實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制器的開(kāi)放式功能 ................................................ 72 測(cè)試軟件開(kāi)發(fā) ................................................................................................. 73 本章小結(jié) ......................................................................................................... 76 結(jié)論 ............................................................................................................................ 77 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................... 78 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 ................................................................................ 81 致謝 ............................................................................................................................ 82 基于 PCI 和 USB 總線的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器開(kāi)發(fā) 1 第 1章 緒論 開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制 技術(shù)概述 開(kāi)放 式 數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)控 （ NC） 或計(jì)算機(jī)數(shù)控 （ CNC） 系統(tǒng)作為制造形狀復(fù)雜 、 高質(zhì)量 、 高精度產(chǎn)品所必備的基礎(chǔ)設(shè)備 ， 已成為當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)重要組成部分 。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，具有實(shí)時(shí)性好，跟隨誤差小，加工精確度高等優(yōu)點(diǎn)。基于 PCI 和 USB 總線的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器開(kāi)發(fā) I 基于 PCI 和 USB 總線的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器開(kāi)發(fā) 摘 要 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)已成為當(dāng)今數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向 ， 目前的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)多以 PC 機(jī)為基礎(chǔ)，配上各種 開(kāi)放式 運(yùn)動(dòng)控制器 。同時(shí)， 提供了豐富的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函 數(shù) 供用戶調(diào)用，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了測(cè)試軟件 。 NURBS interpolation。 通俗地講 ， 開(kāi)放的目的就是使 NC 控制器與當(dāng)今的 PC 機(jī)類似 ， 使整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)筑于一個(gè)開(kāi)放的平臺(tái)之上 ， 具有模塊化組織結(jié)構(gòu) ， 允許用戶根據(jù)需要進(jìn)行選配和集成 ， 更改或擴(kuò)展系統(tǒng)的功能 ， 迅速適應(yīng)不同的應(yīng)用需求 ， 而且 ， 組成系統(tǒng)的各功能模塊可以來(lái)源于不同的部件供應(yīng)商并相互兼容 。 3． 檔次皆宜性 。隨著自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制器的應(yīng)用已走出機(jī)械加工行業(yè)，越來(lái)越多地應(yīng)用于其它工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備控制，如 機(jī)器人控制、 電子機(jī)械、木工機(jī)械、紡織機(jī)械、印刷機(jī)械等諸多行業(yè)。 基于 PCI 和 USB 總線的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器開(kāi)發(fā) 4 開(kāi)放式 運(yùn)動(dòng) 控制器研究現(xiàn)狀 、 不足及 發(fā)展趨勢(shì) 運(yùn)動(dòng)控制器 的 分類 目前 ， 運(yùn)動(dòng)控制器生產(chǎn)廠商提供的 運(yùn)動(dòng)控制器 主要包括如下 3 類 [4]： 1． 基于通用微處理器型 。 這類控制器對(duì)單軸的點(diǎn)位控制場(chǎng)合是基本滿足要求 ， 但對(duì)于要求多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)和高速軌跡插補(bǔ)控制的設(shè)備，這類運(yùn)動(dòng)控制器不能滿足要求。 基于 PCI 和 USB 總線的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器開(kāi)發(fā) 5 國(guó)內(nèi)外 開(kāi)放式 運(yùn)動(dòng)控制器的研究現(xiàn)狀 在國(guó)內(nèi)外，已有多種商品化的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制 器 ，較著名的有 美國(guó)的PMAC、 Galil 等運(yùn)動(dòng)控制器 ， 國(guó)內(nèi) 最 成熟 的是 深圳 固高 公司的 系列 控制器 。另外制造商還提供 PCOMM、 PTALK 等函數(shù)庫(kù) 作為開(kāi)發(fā)工具 ，用戶可用高級(jí)語(yǔ)言調(diào)用自己所需的函數(shù)，完成控制軟件的開(kāi)發(fā)。 其 GT800SVPCI 運(yùn)動(dòng)控制器最多可以實(shí)現(xiàn) 8 軸的控制，通過(guò) PCI 總線與 PC 機(jī)通訊。 基于 PC 的 開(kāi)放式 運(yùn)動(dòng)控制器的 發(fā)展趨勢(shì) 今后基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的 開(kāi)放式 運(yùn)動(dòng)控制器仍然是市場(chǎng)發(fā)展的主流 [4]。 USB 接口的最高傳輸速率由 12Mb/s 提高到了 480Mb/s，能夠 更好 地支持?jǐn)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸 。 本 課題 基于課題組購(gòu)買的兩套松下交流伺服電機(jī)及配套的驅(qū)動(dòng)器和光電碼盤、 DSP 仿真器和以美國(guó) TI 公司生產(chǎn)的用于電機(jī)控制的芯片 TMS320LF2407A為核心的 EVM 板、 PCI 硬件及驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)套件、 實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板，分別開(kāi)發(fā)出基于 PCI 局部總線和 USB 總線的多軸交、直流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器 及相應(yīng)的接口卡 ，并進(jìn)行其底層運(yùn)動(dòng)控制函數(shù) 和上位機(jī)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù) 的深入開(kāi)發(fā)。輪廓控制又稱為連續(xù)軌跡控制，這類運(yùn)動(dòng)能夠?qū)蓚€(gè)或兩個(gè)以上運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的位移及速度 進(jìn)行連續(xù)相關(guān)的控制，因而可以進(jìn)行曲線或曲面的運(yùn)動(dòng) ，可以通過(guò)直線、圓弧插補(bǔ)、 NURBS 曲線插補(bǔ)等實(shí)現(xiàn) 。電壓從 maxU? 變化到 maxU 的過(guò)程中，伺服電機(jī)可實(shí)現(xiàn)從反轉(zhuǎn)最高速變化到零，然后再變化到正轉(zhuǎn)最高速。這一點(diǎn)和步進(jìn)電機(jī)的控制方式類似。脈沖頻率控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，脈沖數(shù)控制電機(jī)的角位移。本文中的運(yùn)動(dòng)控制器 就是采用速度控制方式對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制的。 設(shè) nU 為 D/A 轉(zhuǎn)換器的指令速度 輸出值 ， nE 為 第 n 個(gè)采樣時(shí)刻的位置偏差 ， tP )( arg 為 第 n 個(gè)采樣時(shí)刻的 指令 位置 ， nactualP )( 為 第 n 個(gè)采樣時(shí)刻實(shí)際位 置 ， ?n nE為 第 n 個(gè)采樣時(shí)刻累積 誤差值 ， ettVarg 為 當(dāng)前目標(biāo)速度 ， ettACCarg 表 示 當(dāng)前目標(biāo)加速度 ， B 表示 電機(jī)靜差補(bǔ)償 ，則： na c tu a ltn PPE )()( a r g ?? （ 21） BKA C CKVEKKEEKEU a f fettv f fettn nidnnpnn ??????? ?? a r ga r g1 2 5 6)( （ 22） 其中， affv ffdip KKKKK , 分別表示比例 增益 、 積分增益 、 微分增益 、 速 度前饋增益 和加速度前饋增益。 2 個(gè)脈沖之間。 通常，數(shù)控機(jī)床的機(jī)械原點(diǎn)與各軸的脈沖編碼器發(fā) C 脈沖的位置是一致的 ， 通過(guò)Home+Index 回零實(shí)現(xiàn)。 設(shè) )(uP 為參數(shù)曲線上任一點(diǎn)的位置矢量 ，參數(shù) 曲線的形式為： kuzjuyiuxuP ??? )()()()( ??? （ 24） 在 運(yùn) 動(dòng)控制器 中，軟件插補(bǔ)以一定的采樣周期 （伺服周期） 進(jìn)行工作 ， 在第 1?i 個(gè) 伺服 周期中， 實(shí)時(shí)計(jì)算出 第 i 個(gè) 伺服 周期 中 各軸的運(yùn)動(dòng)分量 iP? ， 并滿足指定的進(jìn)給速度要求 ，即： ??? ??? ??? ?iiiii LP PPP 1 （ 25） 式中 iL? 為第 i 個(gè) 伺服 周期中的瞬時(shí)進(jìn)給量 ， 也稱插補(bǔ)步長(zhǎng)。 將得到的參數(shù)空間坐標(biāo)值 映射 到軌跡空間 ， 得到相應(yīng)的 映射點(diǎn) )( 11 ?? ? ii uPP ， 即為所求插補(bǔ)軌跡的新坐標(biāo) 點(diǎn)。 下面給出基于時(shí)間分割插補(bǔ)原理的參數(shù)曲線自適應(yīng)插補(bǔ)步驟 ： 1． 利用插分代替微分， 代入二階泰勒展開(kāi)公式 （ 26） ， 可得 到 插補(bǔ)點(diǎn)的參數(shù)遞推估算公式 （ 28） ， 根據(jù) 該 公式進(jìn)行參數(shù)遞