【文章內(nèi)容簡介】 ronment for Controller Architecture）等計(jì)劃。再實(shí)山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MAXII 控制的運(yùn)動(dòng)控制板卡的設(shè)計(jì) 4 施計(jì)劃的同時(shí)，歐美等發(fā)達(dá)國家的公司也一直致力于研究開發(fā)開放式運(yùn)動(dòng)控制器。 在美國，開放式運(yùn)動(dòng)控制器被譽(yù)為新一代的工業(yè)控制器，已經(jīng)有超過 200多家公司從事運(yùn)動(dòng)控制器軟硬件產(chǎn)品的研發(fā)制造，運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品的年銷售額已超過 20 億美元，占有世界運(yùn)動(dòng)控制器市場份額 80%以上，最著名的運(yùn)動(dòng)控制器制造商有 Delta Tau、 Galil、 Aerotech、 Tech80 等，美國還專門成立了運(yùn)動(dòng)控制器工程師協(xié)會(huì)（ AIME），由此不難看出運(yùn)動(dòng)控制器系統(tǒng)的重要性 。 在日本，開放式開放式運(yùn)動(dòng)控制器被認(rèn)為是未來的第三次工業(yè)革命，并有預(yù)測(cè)其應(yīng)用的普遍性將與目前廣泛應(yīng)用的 PLC 類似，代表的廠商有MAZAK 公司和 NOVA 公司等。 美國 Delta Tau Data System公司推出的 PMAC 系列伺服控制卡比較有代表性。 PMACPC 以 Motorola 公司的 DSP56001 為微處理器，主頻 20/30MHz，60/40 微妙 /拍的伺服更新率， 36 位位置范圍（ 64 千兆計(jì)數(shù)范圍）， 16 位 DAC輸出分辨率， 10/15MHz 編碼計(jì)數(shù)率，每秒可處置多達(dá) 500 條程序，可以完成直線或圓弧插 補(bǔ)，“ S曲線”加速和減速，三次軌跡計(jì)算、樣條計(jì)算。利用 DSP 強(qiáng)大的運(yùn)算功能實(shí)現(xiàn) 1 到 8 軸多拍實(shí)時(shí)伺服控制。實(shí)際上， PMACPC卡本身就是一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。依靠集成在卡上 ROM 中的程序，它能獨(dú)立完成實(shí)時(shí)、多任務(wù)控制，而無需主機(jī)介入。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MAXII 控制的運(yùn)動(dòng)控制板卡的設(shè)計(jì) 5 從市場需求來看，以美國 Delta Tau Data System 公司的 PMAC 系列卡為例，在全球的銷售量超過 45000 套，被用于數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械、工業(yè)機(jī)器人等需要高精度位置控制領(lǐng)域。著名的哈伯特望遠(yuǎn)鏡面就是由 PMAC系列軸卡系統(tǒng)來控制研磨的。我國上海磁懸浮列車高架鋼梁的設(shè) 計(jì)，需要使用 6 軸控制卡進(jìn)行加工。 在國外，已有多種商品化的運(yùn)動(dòng)控制主板，較著名的有： Galil、CompuMotor、 PMAC、 FANUC、 SIMENS、 AB 等系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的共同點(diǎn)是： ； Windows 平臺(tái)下工作，可使用 VB、 VC 等語言； ，一般都具有很好的實(shí)時(shí)性，并具有Windows 系統(tǒng)的多任務(wù)型； ，具有直線和圓弧插補(bǔ)功能； ，在啟動(dòng)和停止階段具有加速度水平的控制， 使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征； 、交流伺服電機(jī)及液壓伺服馬達(dá)進(jìn)行控制。 前三種是通用的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡，而后三種為典型的數(shù)控系統(tǒng)，主要應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床。這幾種系統(tǒng)都以實(shí)現(xiàn)了功能強(qiáng)大的開放化和柔性，其產(chǎn)品本身具有功能強(qiáng)大的開放式配套軟件，這些軟件提供給用戶非常多的功山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MAXII 控制的運(yùn)動(dòng)控制板卡的設(shè)計(jì) 6 能，用戶可在短期內(nèi)方便的通過二次開發(fā)出自己的產(chǎn)品，所以這種系統(tǒng)受到用戶的歡迎。雖然國外的同類產(chǎn)品在性能方面具有許多優(yōu)勢(shì)，但他們也具有許多不足之處，主要表現(xiàn)在一下幾方面： ，以 Galil 運(yùn)動(dòng)控制主板為例，一個(gè)八軸的 Galil 運(yùn)動(dòng)控制主板為 4000 美元，再加上一些其他輔助設(shè)施將達(dá)到 5000 美元左右； ，主要原因是作為通用多軸控制器，是面向一般用戶的（無論機(jī)器人，還是數(shù)控，一般運(yùn)動(dòng)時(shí)有一定限度范圍的） 在后兩個(gè)不足之處主要是通用多軸運(yùn)動(dòng)控制卡才出現(xiàn)的。認(rèn)真地研究了國外先進(jìn)的 Galil、 ComputMotor 及東芝系列等電機(jī)控制系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)這些控制系統(tǒng)均可適用于步進(jìn)電機(jī)、交流伺服電機(jī)、直流伺服電機(jī)及液壓伺服元件的運(yùn)動(dòng)控制，其控制精度高，工作可靠，具有 優(yōu)良的工作特性。其中，尤其值得推崇的是許多國外的這類系統(tǒng)都提供了高級(jí)語言的工作平臺(tái)，用戶可采用 C++、 VB 和 VISUALC++等對(duì)其驅(qū)動(dòng)器直接進(jìn)行編程控制。此外，他們大多都提供了共有 1~6 軸控制等不同規(guī)格的控制板以適應(yīng)不同要求的情況?？墒褂闷涔ぷ髌脚_(tái)，很方便地對(duì)所設(shè)計(jì)的多軸系統(tǒng)進(jìn)行智能運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的平面和空間運(yùn)動(dòng)及各種變速運(yùn)動(dòng)。借助于這樣先進(jìn)的控制系統(tǒng)，國外的許多設(shè)計(jì)者免除了國內(nèi)設(shè)計(jì)者要花很大力氣完成的底山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MAXII 控制的運(yùn)動(dòng)控制板卡的設(shè)計(jì) 7 層設(shè)計(jì)工作。即提高了工作效率，又使所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)具有很好的通用性。 早在“八五”期間，國內(nèi)一些研究 單位為實(shí)現(xiàn)特殊的需要，并從開發(fā)的難度、成本的高低等方面考慮，采用“ PC 機(jī) +運(yùn)動(dòng)控制卡”的方式，構(gòu)建適合于需要的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。如北京研究所的中華系列，沈陽計(jì)算所的“藍(lán)天”系列，華中科技大學(xué)的“華中”系列等數(shù)控系統(tǒng)。這些系統(tǒng)采用模塊化，嵌入式軟、硬件結(jié)構(gòu)，其中以華中 I 型較具有代表性，它采用工業(yè)PC 機(jī)加控制卡的結(jié)構(gòu)，運(yùn)行在 DOS 平臺(tái)上，具有較好的模塊化、層次化特征和一定擴(kuò)展性、伸縮性。但是這些系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)控制卡都是有用在基于 PC 的系統(tǒng)中，并沒有形成一種通用的、系列化應(yīng)用于市場的產(chǎn)品。 直至近年，固高科技（深圳）有 限公司成立，這是國內(nèi)（大陸地區(qū)）較早專業(yè)開發(fā)、生產(chǎn)開放式運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品的公司，并且目前已有一系列的運(yùn)動(dòng)控制器，如基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線運(yùn)動(dòng)控制器 GT 系列等，填補(bǔ)了國內(nèi)相關(guān)行業(yè)的多項(xiàng)空白。此外，該公司以運(yùn)動(dòng)控制器為核心派生了眾多面向行業(yè)應(yīng)用的控制系統(tǒng)，形成了一定規(guī)模，其中 2020 年未研制成功的 GH800型控制卡是較先進(jìn)的軸控制卡。 GH800 運(yùn)動(dòng)控制器能夠控制八個(gè)伺服軸或四個(gè)步進(jìn)軸，并可實(shí)現(xiàn)伺服軸和步進(jìn)軸的任意組合，控制信號(hào)的輸出有多種形式，可為模擬量、脈沖或 PWM。用戶可通過控制器的擴(kuò)展口實(shí)現(xiàn)最多達(dá) 16 軸的控 制，但成本很高。 除固高公司外，還有其他眾多公司開發(fā)生產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)控制器，如深圳雷山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MAXII 控制的運(yùn)動(dòng)控制板卡的設(shè)計(jì) 8 賽公司、摩信公司以及成都步進(jìn)電機(jī)公司等。 其中深圳摩信公司獨(dú)立開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的具有開放式結(jié)構(gòu)高性能MCT8000 系列運(yùn)動(dòng)控制器，控制器的 CPU 采用 TI 公司主頻。和傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品相比，所有摩信科技的產(chǎn)品都具有開放式結(jié)構(gòu)，高速高精度，網(wǎng)際在線控制，多軸同步控制，可重構(gòu)性，高集成度，高可靠性和安全性的卓越性能。 MCT8000 系列產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體加工設(shè)備，工業(yè)機(jī)器人，數(shù)控機(jī)床，醫(yī)療設(shè)備， 紡織設(shè)備，印刷設(shè)備，自動(dòng)化裝 配線，數(shù)據(jù)采集和處理，智能家電以及需要網(wǎng)際在線和無線漫游控制的各種場合。 盡管目前國內(nèi)已有一些較高的檔的運(yùn)動(dòng)控制卡，但是與國外的運(yùn)動(dòng)控制卡相比還存在一定的差距，主要的缺陷有： 1)不支持目前比較先進(jìn)的 NURBS 樣條曲線插補(bǔ)控制，運(yùn)壓 NURBS曲線插補(bǔ)可以進(jìn)行三次以上的軌跡運(yùn)算，從而提高運(yùn)動(dòng)的速度和精度。 2）控制系統(tǒng)的封閉性使它的擴(kuò)充和修改極為有限，造成用戶對(duì)供應(yīng)商的依賴，并難以將自己的專門技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)集成于運(yùn)動(dòng)控制卡內(nèi)。此外，專用的軟硬件結(jié)構(gòu)也限制了系統(tǒng)本身的持續(xù)開發(fā)，使系統(tǒng)的開發(fā)投資人，周期長、風(fēng) 險(xiǎn)高，更新?lián)Q代慢，不利于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展和進(jìn)步。 應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì) 運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)日新月移，不論是 ASIC 或是 DSP 為核心的運(yùn)動(dòng)控制卡，均有其優(yōu)越點(diǎn)。在高端應(yīng)用上，對(duì)于控制的實(shí)時(shí)性要求會(huì)是一個(gè)新趨勢(shì)，山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MAXII 控制的運(yùn)動(dòng)控制板卡的設(shè)計(jì) 9 串行式的通信技術(shù)加上 DSP 的運(yùn)動(dòng)控制，程序運(yùn)動(dòng)控制的技術(shù)將可以讓用戶在精密機(jī)械的控制中，提升控制精度與效能，縮短往復(fù)運(yùn)動(dòng)的周期時(shí)間，進(jìn)而增加機(jī)器設(shè)備的生產(chǎn)產(chǎn)能。 研究的基本內(nèi)容 CPLD 的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵還是在于內(nèi)部芯片程序的設(shè)計(jì)。由于 EDA 軟件的功能日益強(qiáng)大，原來功能單 一的軟件，現(xiàn)在增加了很多新的用途。本次設(shè)計(jì)采用的是 Altera 公司的 CPLD 芯片，我們會(huì)利用 Quartus II 進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中采用文本編輯器，來進(jìn)行 Verilog HDL 語言的設(shè)計(jì)。其中各個(gè)模塊用 Verilog HDL語言設(shè)計(jì)，然后用原理圖設(shè)計(jì)法把各個(gè)模塊組合起來，形成整個(gè)系統(tǒng)模塊。 本設(shè)計(jì)共包含三個(gè)模塊，即分頻模塊、調(diào)頻模塊、滯后模塊，三個(gè)模塊的主要功能如下： 1. 分頻模塊：把實(shí)驗(yàn)板上晶振頻率（ 48MHz）分頻到我們需要的頻率 ,既 400Hz，便于觀察。 2. 調(diào)頻模塊：把分頻模塊的 輸出頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，主要是通過改變外部三個(gè)管腳的高低電平，來模擬外界的變化，輸出我們所需要脈沖的頻率，用以控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度可調(diào)。 ：目的是輸出的一路脈沖滯后于另一路脈沖 90176。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MAXII 控制的運(yùn)動(dòng)控制板卡的設(shè)計(jì) 10 另外， CPLD 器件的選擇也是一個(gè)關(guān)鍵。我們擬采用 CPLD 通用版來設(shè)計(jì)，這樣的話，包括基準(zhǔn)時(shí)鐘在內(nèi)的所有芯片外的東西，都需要外部接入來完成，因此對(duì)芯片結(jié)構(gòu)的了解也是一個(gè)關(guān)鍵。 外圍電路的設(shè)計(jì) 外圍電路都是一些最基本，最常見的模擬電路，因此使用時(shí)不會(huì)有太大的問題，但是有 一些細(xì)節(jié)要注意，就是在一些電阻和電容的取值上，要仔細(xì)一些，使電阻和電容要匹配。外圍電路的調(diào)試工作要配合芯片程序設(shè)計(jì)一起進(jìn)行，這樣才能輕松地輸出所需要的理想脈沖。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MAXII 控制的運(yùn)動(dòng)控制板卡的設(shè)計(jì) 11 2CPLD 介紹 CPLD 發(fā)展歷程 數(shù)字集成電路本身在不斷地進(jìn)行更新?lián)Q代。它由早期的電子管、晶體管、小中規(guī)模集成電路、發(fā)展到超大規(guī)模集成電路 (VLSIC，幾萬門以上 )以及許多具有特定功能的專用集成電路。但是，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)與制造集成電路的任務(wù)已不完全由半導(dǎo)體廠 商來獨(dú)立承擔(dān)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們更愿意自己設(shè)計(jì)專用集成電路 (ASIC)芯片，而且希望 ASIC 的設(shè)計(jì)周期盡可能短，最好是在實(shí)驗(yàn)室里就能設(shè)計(jì)出合適的 ASIC 芯片，并且立即投入實(shí)際應(yīng)用之中，因而出現(xiàn)了現(xiàn)場可編程邏輯器件 (FPLD)，其中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)和復(fù)雜可編程邏輯器件 (CPLD)。 早期的可編程邏輯器件只有可編程只讀存貯器 (PROM)、紫外線可按除只讀存貯器 (EPROM)和電可擦除只讀存貯器 (EEPROM)三種。由于結(jié)構(gòu)的限制，它們只能完成簡單的數(shù)字邏輯功能。 其后，出現(xiàn)了一類結(jié)構(gòu)上稍復(fù) 雜的可編程芯片，即可編程邏輯器件(PLD)，它能夠完成各種數(shù)字邏輯功能。典型的 PLD 由一個(gè)“與”門和一個(gè)“或”門陣列組成，而任意一個(gè)組合邏輯都可以用“與一或”表達(dá)式來描述，所以， PLD 能以乘積和的形式完成大量的組合邏輯功能。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MAXII 控制的運(yùn)動(dòng)控制板卡的設(shè)計(jì) 12 這一階段的產(chǎn)品主要有 PAL(可編程陣列邏輯 )和 GAL(通用陣列邏輯 )， PAL 由一個(gè)可編程的“與”平面和一個(gè)固定的“或”平面構(gòu)成，或門的輸．出可以通過觸發(fā)器有選擇地被置為寄存狀態(tài)。 PAL 器件是現(xiàn)場可編程的，它的實(shí)現(xiàn)工藝有反熔絲技術(shù)、 EPROM 技術(shù)和 EEPROM 技術(shù)。還有一類結(jié)構(gòu)更為 靈活的邏輯器件是可編程邏輯陣列 (PLA)，它也由一個(gè)“與”平面和一個(gè)“或”平面構(gòu)成，但是這兩個(gè)平面的連接關(guān)系是可編程的。 PLA 器件既有現(xiàn)場可編程的，也有掩膜可編程的。 在 PAL 的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了一種通用陣列邏輯 GAL (Generic Array Logic)，如 GAL16V8,GAL22V10 等。它采用了 EEPROM 工藝，實(shí)現(xiàn)了電可按除、電可改寫，其輸出結(jié)構(gòu)是可編程的邏輯宏單元，因而它的設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的靈活性，至今仍有許多人使用。 這些早期的 PLD 器件的一個(gè)共同特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)速度特性較好的邏輯功能，但 其過于簡單的結(jié)構(gòu)也使它們只能實(shí)現(xiàn)規(guī)模較小的電路。 為了彌補(bǔ)這一缺陷， 20 世紀(jì) 80 年代中期。 Altera 和 Xilinx 分別推出了類似于 PAL 結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展型 CPLD(Complex Programmab1e Logic Dvice)和與標(biāo)準(zhǔn)門陣列類似的 FPGA(Field Programmable Gate Array)，它們都具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬等特點(diǎn)。 這兩種器件兼容了PLD 和通用門