【文章內(nèi)容簡介】 ronment for Controller Architecture）等計劃。再實山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MAXII 控制的運動控制板卡的設(shè)計 4 施計劃的同時，歐美等發(fā)達國家的公司也一直致力于研究開發(fā)開放式運動控制器。 在美國，開放式運動控制器被譽為新一代的工業(yè)控制器，已經(jīng)有超過 200多家公司從事運動控制器軟硬件產(chǎn)品的研發(fā)制造，運動控制器產(chǎn)品的年銷售額已超過 20 億美元，占有世界運動控制器市場份額 80%以上，最著名的運動控制器制造商有 Delta Tau、 Galil、 Aerotech、 Tech80 等，美國還專門成立了運動控制器工程師協(xié)會（ AIME），由此不難看出運動控制器系統(tǒng)的重要性 。 在日本，開放式開放式運動控制器被認為是未來的第三次工業(yè)革命，并有預(yù)測其應(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 千兆計數(shù)范圍）， 16 位 DAC輸出分辨率， 10/15MHz 編碼計數(shù)率，每秒可處置多達 500 條程序，可以完成直線或圓弧插 補，“ S曲線”加速和減速，三次軌跡計算、樣條計算。利用 DSP 強大的運算功能實現(xiàn) 1 到 8 軸多拍實時伺服控制。實際上， PMACPC卡本身就是一個完整的計算機系統(tǒng)。依靠集成在卡上 ROM 中的程序，它能獨立完成實時、多任務(wù)控制，而無需主機介入。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MAXII 控制的運動控制板卡的設(shè)計 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)控機床、醫(yī)療器械、工業(yè)機器人等需要高精度位置控制領(lǐng)域。著名的哈伯特望遠鏡面就是由 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，需要使用 6 軸控制卡進行加工。 在國外，已有多種商品化的運動控制主板，較著名的有： Galil、CompuMotor、 PMAC、 FANUC、 SIMENS、 AB 等系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的共同點是： ； Windows 平臺下工作，可使用 VB、 VC 等語言； ，一般都具有很好的實時性，并具有Windows 系統(tǒng)的多任務(wù)型； ，具有直線和圓弧插補功能； ，在啟動和停止階段具有加速度水平的控制， 使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)響應(yīng)特征； 、交流伺服電機及液壓伺服馬達進行控制。 前三種是通用的多軸運動控制卡，而后三種為典型的數(shù)控系統(tǒng)，主要應(yīng)用于數(shù)控機床。這幾種系統(tǒng)都以實現(xiàn)了功能強大的開放化和柔性，其產(chǎn)品本身具有功能強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 控制的運動控制板卡的設(shè)計 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，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 運動控制主板為例，一個八軸的 Galil 運動控制主板為 4000 美元，再加上一些其他輔助設(shè)施將達到 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（無論機器人，還是數(shù)控，一般運動時有一定限度范圍的） 在后兩個不足之處主要是通用多軸運動控制卡才出現(xiàn)的。認真地研究了國外先進的 Galil、 ComputMotor 及東芝系列等電機控制系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)這些控制系統(tǒng)均可適用于步進電機、交流伺服電機、直流伺服電機及液壓伺服元件的運動控制，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)都提供了高級語言的工作平臺，用戶可采用 C++、 VB 和 VISUALC++等對其驅(qū)動器直接進行編程控制。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_，很方便地對所設(shè)計的多軸系統(tǒng)進行智能運動控制，實現(xiàn)復(fù)雜的平面和空間運動及各種變速運動。借助于這樣先進的控制系統(tǒng)，國外的許多設(shè)計者免除了國內(nèi)設(shè)計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 控制的運動控制板卡的設(shè)計 7 層設(shè)計工作。即提高了工作效率，又使所設(shè)計控制系統(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 +運動控制卡”的方式，構(gòu)建適合于需要的運動控制系統(tǒng)。如北京研究所的中華系列，沈陽計算所的“藍天”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 機加控制卡的結(jié)構(gòu)，運行在 DOS 平臺上，具有較好的模塊化、層次化特征和一定擴展性、伸縮性。但是這些系統(tǒng)中的運動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)開放式運動控制器產(chǎn)品的公司，并且目前已有一系列的運動控制器，如基于計算機標準總線運動控制器 GT 系列等，填補了國內(nèi)相關(guān)行業(yè)的多項空白。此外，該公司以運動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型控制卡是較先進的軸控制卡。 GH800 運動控制器能夠控制八個伺服軸或四個步進軸，并可實現(xiàn)伺服軸和步進軸的任意組合，控制信號的輸出有多種形式，可為模擬量、脈沖或 PWM。用戶可通過控制器的擴展口實現(xiàn)最多達 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)的運動控制器，如深圳雷山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MAXII 控制的運動控制板卡的設(shè)計 8 賽公司、摩信公司以及成都步進電機公司等。 其中深圳摩信公司獨立開發(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 系列運動控制器，控制器的 CPU 采用 TI 公司主頻。和傳統(tǒng)的運動控制器產(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)機器人，數(shù)控機床，醫(yī)療設(shè)備， 紡織設(shè)備，印刷設(shè)備，自動化裝 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動控制卡，但是與國外的運動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的 NURBS 樣條曲線插補控制，運壓 NURBS曲線插補可以進行三次以上的軌跡運算，從而提高運動的速度和精度。 2）控制系統(tǒng)的封閉性使它的擴充和修改極為有限，造成用戶對供應(yīng)商的依賴，并難以將自己的專門技術(shù)、經(jīng)驗集成于運動控制卡內(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) 險高，更新?lián)Q代慢，不利于運動控制系統(tǒng)的發(fā)展和進步。 應(yīng)用及發(fā)展趨勢 運動控制技術(shù)日新月移，不論是 ASIC 或是 DSP 為核心的運動控制卡，均有其優(yōu)越點。在高端應(yīng)用上，對于控制的實時性要求會是一個新趨勢，山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MAXII 控制的運動控制板卡的設(shè)計 9 串行式的通信技術(shù)加上 DSP 的運動控制，程序運動控制的技術(shù)將可以讓用戶在精密機械的控制中，提升控制精度與效能，縮短往復(fù)運動的周期時間，進而增加機器設(shè)備的生產(chǎn)產(chǎn)能。 研究的基本內(nèi)容 CPLD 的設(shè)計 本設(shè)計的關(guān)鍵還是在于內(nèi)部芯片程序的設(shè)計。由于 EDA 軟件的功能日益強大，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)計采用的是 Altera 公司的 CPLD 芯片，我們會利用 Quartus II 進行設(shè)計，其中采用文本編輯器，來進行 Verilog HDL 語言的設(shè)計。其中各個模塊用 Verilog HDL語言設(shè)計，然后用原理圖設(shè)計法把各個模塊組合起來，形成整個系統(tǒng)模塊。 本設(shè)計共包含三個模塊，即分頻模塊、調(diào)頻模塊、滯后模塊，三個模塊的主要功能如下： 1. 分頻模塊：把實驗板上晶振頻率（ 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 輸出頻率進行調(diào)節(jié)，主要是通過改變外部三個管腳的高低電平，來模擬外界的變化，輸出我們所需要脈沖的頻率，用以控制步進電機的運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)步進電機的速度可調(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 控制的運動控制板卡的設(shè)計 10 另外， CPLD 器件的選擇也是一個關(guān)鍵。我們擬采用 CPLD 通用版來設(shè)計，這樣的話，包括基準時鐘在內(nèi)的所有芯片外的東西，都需要外部接入來完成，因此對芯片結(jié)構(gòu)的了解也是一個關(guān)鍵。 外圍電路的設(shè)計 外圍電路都是一些最基本，最常見的模擬電路，因此使用時不會有太大的問題，但是有 一些細節(jié)要注意，就是在一些電阻和電容的取值上，要仔細一些，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)計一起進行，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 控制的運動控制板卡的設(shè)計 11 2CPLD 介紹 CPLD 發(fā)展歷程 數(shù)字集成電路本身在不斷地進行更新?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)計與制造集成電路的任務(wù)已不完全由半導(dǎo)體廠 商來獨立承擔(dān)。系統(tǒng)設(shè)計師們更愿意自己設(shè)計專用集成電路 (ASIC)芯片，而且希望 ASIC 的設(shè)計周期盡可能短，最好是在實驗室里就能設(shè)計出合適的 ASIC 芯片，并且立即投入實際應(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“與”門和一個“或”門陣列組成，而任意一個組合邏輯都可以用“與一或”表達式來描述，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 控制的運動控制板卡的設(shè)計 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 由一個可編程的“與”平面和一個固定的“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“與”平面和一個“或”平面構(gòu)成，但是這兩個平面的連接關(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)計具有很強的靈活性，至今仍有許多人使用。 這些早期的 PLD 器件的一個共同特點是可以實現(xiàn)速度特性較好的邏輯功能，但 其過于簡單的結(jié)構(gòu)也使它們只能實現(xiàn)規(guī)模較小的電路。 為了彌補這一缺陷， 20 世紀 80 年代中期。 Altera 和 Xilinx 分別推出了類似于 PAL 結(jié)構(gòu)的擴展型 CPLD(Complex Programmab1e Logic Dvice)和與標準門陣列類似的 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。 這兩種器件兼容了PLD 和通用門