【文章內(nèi)容簡介】 專用運動控制芯片。該方案是將實現(xiàn)電機(jī)控制所需的各種邏輯功能做在一塊專用集成電路內(nèi)，并提供一些專用的控制指令，同時具有一些諸如限位、零位開關(guān)處理、電機(jī)使能、報警等必須的輔助功能，使用戶的軟件設(shè)計工作都減少到最小程度。集成度高，可靠性、實時性等較好；輸出脈沖頻率可達(dá)到幾兆赫茲，能夠滿足對步進(jìn)電機(jī)和數(shù)字式伺服電機(jī)的控制。4. 基于數(shù)字信號處理器（DSP）型。90年代以來，數(shù)字信號處理器（DSP）在運動控制中得到越來越廣泛的應(yīng)用，這主要是因為它的高速運算使得很多復(fù)雜的控制算法和功能得以實現(xiàn)，而且集成度高，可以實現(xiàn)高精度多軸伺服控制。成都步進(jìn)機(jī)電有限公司研制的基于數(shù)字信號處理器（DSP）和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）器件的MPC03型的運動控制卡，其速度高、性能好、精度高和平穩(wěn)性好等優(yōu)點在激光雕刻行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。PCI局部總線PCI總線控制器(PCI_DP) PCI總線接口DSPFlashSRAMFPGADACEPROM四路模擬信號輸出普通光耦高速光耦高速光耦編碼器反饋信號外部機(jī)械信號輸入輸出脈沖方向信號 基于DSP和FPGA控制卡硬件組成框圖[20] 基于單FPGA的方案通過運動控制卡的上位控制方案和常見基于PC的運動控制卡的用分析，它們基本具備以下特點： 采用專用芯片，價格昂貴 采用多塊芯片，通信復(fù)雜基于上述的分析，本論文，設(shè)計一款基于FPGA實現(xiàn)運動控制功能的四軸運動控制卡。由于PCI總線解決了上述因素帶來的局限性，因此本論文對嵌入式運動控制技術(shù)的發(fā)展具有一定的推動作用。 本課題的意義及論文的主要內(nèi)容本課題通過對開放式數(shù)控技術(shù)的全面調(diào)研和對運動控制技術(shù)的深入研究，并針對國內(nèi)運動控制技術(shù)研究起步較晚的現(xiàn)狀，結(jié)合電機(jī)控制應(yīng)用領(lǐng)域的具體需要，緊跟當(dāng)前運動控制技術(shù)的發(fā)展趨勢，吸收了世界開放式數(shù)控技術(shù)和相關(guān)運動控制技術(shù)的最新成果，通過PCI總線并基于CPLD(Complex Programmable Logic Device)和FPGA(Field Programmable Gate Array)相結(jié)合的方案，研制了一款比較新穎的、功能強大的、具有很大柔性的四軸多功能運動控制卡。通過本課題全面深入的研究，提供了一套符合開放式數(shù)控系統(tǒng)要求的、采用PCI總線和基于FPGA的開放式運動控制的方案，為小型機(jī)械控制的工業(yè)現(xiàn)場提供了更新更優(yōu)的控制方案，這必將為嵌入式控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)提供有價值的參考與借鑒，對我國開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用起到推動作用。本論文主要內(nèi)容如下：1. 對上位控制、運動控制卡及其行業(yè)現(xiàn)狀進(jìn)行全面調(diào)研和深入研究。2. 在對運動系統(tǒng)的控制技術(shù)深入學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，比較幾種常用的運動控制方案，確定采用基于FPGA 的PCI總線運動控制的設(shè)計方案，并規(guī)劃板卡的總體結(jié)構(gòu)。3. 基于總體結(jié)構(gòu)設(shè)計控制卡的硬件電路。針對不同的情況和需要設(shè)計外圍電路。根據(jù)光電隔離原理設(shè)計數(shù)字輸入/輸出電路；結(jié)合DAC原理設(shè)計四路模擬輸出電路，以及設(shè)計PCI接口電路。4. 基于FPGA設(shè)計功能相互獨立的四軸運動控制電路，規(guī)劃并定義各個寄存器的具體功能，設(shè)計加/減速控制電路、變頻分配電路、倍頻分頻電路和三個功能各異的計數(shù)器電路等，設(shè)計S曲線升/降速運動、自動降速點運動、A/B相編碼器倍頻計數(shù)電路等。5. 對整個嵌入式運動控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)測試。基于該卡設(shè)計全數(shù)字轉(zhuǎn)速測量電路以驗證該卡設(shè)計的可行性。6. 最后總結(jié)研制過程中的得失，并展望數(shù)控的發(fā)展趨勢。2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 運動系統(tǒng)的控制技術(shù)在運動控制系統(tǒng)中，按機(jī)械運動的軌跡分類，可分為點位、直線、輪廓控制等。點位控制(Position Control)又稱為點到點控制(Point to Point Control)，是一種從某個位置向另一位置移動時，不管中間的移動軌跡如何，只要最后能到達(dá)目標(biāo)位置的控制方式。這類控制在移動過程中，對兩點間的移動速度及運動軌跡沒有嚴(yán)格要求，可以先沿一個坐標(biāo)移動完畢，再沿另一個坐標(biāo)移動，也可以沿多個坐標(biāo)同時移動。直線控制(Strait Control)又稱為平行控制(Parallel Control)，這類運動除了控制點到點的準(zhǔn)確位置外，還要保證兩點之間移動的軌跡是一條直線，而且對移動的速度也要進(jìn)行控制。輪廓控制(Contouring Control)又稱為連續(xù)軌跡控制(Continuous Path Control)，這類運動能夠?qū)蓚€或兩個以上運動坐標(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)行曲線或曲面的運動[21]。在運動控制系統(tǒng)中，按執(zhí)行部件的類型分類可分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)。采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的開環(huán)系統(tǒng)，沒有位置反饋和校正系統(tǒng)，其位移精度取決于步進(jìn)電機(jī)的步距角及傳動機(jī)構(gòu)的精度等。而閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位移測量和位置比較環(huán)節(jié)，這樣可以達(dá)到比開環(huán)系統(tǒng)更高的精度與運行速度[21]。 連續(xù)運動軌跡插補原理連續(xù)運動軌跡是諸如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等機(jī)械的一種典型運動方式，這種控制在本質(zhì)上屬于伺服系統(tǒng)。插補是一個實時進(jìn)行的數(shù)據(jù)密化的過程，不論是何種插補算法，運算原理基本相同，其作用都是根據(jù)給定的信息進(jìn)行數(shù)值計算，不斷計算出參與運動的各坐標(biāo)軸的進(jìn)給指令，然后分別驅(qū)動各自相應(yīng)的執(zhí)行部件產(chǎn)生協(xié)調(diào)運動，以使被控部件按理想的路線與速度移動，由此，軌跡插補與坐標(biāo)軸位置伺服控制是運動控制系統(tǒng)的兩個主要環(huán)節(jié)。插補運算是軌跡控制中最重要的計算任務(wù)，而插補計算又必須是實時的，即必須在有限的時間內(nèi)完成計算任務(wù)。因此，除了要保證插補計算的精度外，還要求算法簡單，一般采用迭代算法，這樣可以避免三角函數(shù)計算，同時減少乘除及開方運算，它的運算精度直接影響運動系統(tǒng)的控制速度，而插補計算精度又影響整個運動系統(tǒng)的精度，人們一直在努力探求計算速度快同時計算精度又高的插補方法。目前普遍使用的插補算法分為兩大類：基準(zhǔn)脈沖插補和數(shù)據(jù)采樣插補[22]?；鶞?zhǔn)脈沖插補又稱脈沖增量插補或行程標(biāo)量插補，其特點是每插補運算一次，最多給每一運動坐標(biāo)軸送出一個進(jìn)給脈沖。每次插補結(jié)束，數(shù)控裝置向每一軸輸出基準(zhǔn)脈沖序列，每個脈沖代表其最小位移量，脈沖序列的頻率代表運動的速度，脈沖的數(shù)量表示其位移量?；鶞?zhǔn)脈沖插補適用于步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動裝置的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采樣插補又稱為時間標(biāo)量插補或數(shù)字增量插補。其特點是插補運算分粗插補和精插補兩步完成。它是在給定起點和終點的曲線之間插入若干等分點，用若干條微小直線段來逼近給定的曲線。精插補是在粗插補算出的每一微小直線段的長度基礎(chǔ)上再作“數(shù)據(jù)點的密化”工作，相當(dāng)于對直線的脈沖增量插補。數(shù)據(jù)采樣插補方法適用于閉環(huán)、半閉環(huán)以及直流和交流伺服電機(jī)為驅(qū)動裝置的位置采樣控制系統(tǒng)。 位置控制技術(shù)位置控制是常被稱之為伺服控制系統(tǒng)的運動控制系統(tǒng)的基本功能，它要求體現(xiàn)調(diào)速范圍寬、負(fù)載特性硬、反應(yīng)速度快、多軸聯(lián)動響應(yīng)一致等多方面的性能指標(biāo)，其中的重要指標(biāo)是跟追誤差、定位精度及允許運動速度的高低等。因此，研究與開發(fā)高性能驅(qū)動系統(tǒng)及位置控制系統(tǒng)，一直是研究數(shù)控機(jī)床與機(jī)器人等的關(guān)鍵技術(shù)之一[21]。位置控制系統(tǒng)又分為開環(huán)和閉環(huán)兩種，開環(huán)控制系統(tǒng)一般用于精度及速度要求不高、成本低的場合。而在要求高精度、高速度的場合，則采用直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)的閉環(huán)位置控制。位置控制的職能是精確地控制機(jī)械運動部件的坐標(biāo)位置，例如數(shù)控計算機(jī)將插補計算得出的各軸位移量送入位置控制單元，而對閉環(huán)位置控制系統(tǒng)（又稱為位置伺服系統(tǒng)）來說，位置控制單元根據(jù)位移量大小產(chǎn)生進(jìn)給速度指令，并接收位置反饋修正速度指令值，實現(xiàn)快速而準(zhǔn)確的跟追位置指令的運動。1. 步進(jìn)電機(jī)運動系統(tǒng)的有關(guān)控制技術(shù)步進(jìn)電機(jī)是一種增量運動的電磁執(zhí)行元件，這種元件是將數(shù)字脈沖輸入轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的一種裝置，當(dāng)采用適當(dāng)?shù)目刂茣r，步進(jìn)電機(jī)的輸出步數(shù)總是和輸入指令的電脈沖相等，因此它可以作為開環(huán)位置系統(tǒng)工作。在增量運動方面，步進(jìn)電機(jī)可以用作具有迅速加速、減速和停機(jī)功能的起停運動控制器。步進(jìn)電機(jī)以具有轉(zhuǎn)子慣量、無漂移和無累積誤差為特征，而且其控制路線經(jīng)濟(jì)簡單，不需反饋編碼器和相應(yīng)的電子線路，特別是近年來微機(jī)方面的發(fā)展，使步進(jìn)電機(jī)的控制性能大為改善，所以在很多位置和速度控制的應(yīng)用中都是比較理想的。步進(jìn)電機(jī)運動系統(tǒng)主要是由步進(jìn)控制器、功率放大器及步進(jìn)電機(jī)組成。純硬件的步進(jìn)電機(jī)控制器由脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器、控制邏輯等組成。它的作用就是能把代表轉(zhuǎn)速的脈沖串分配給步進(jìn)電機(jī)的各個繞組，讓步進(jìn)電機(jī)按既定的方向和轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。若采用微機(jī)技術(shù)，以軟件與硬件相結(jié)合的方式改造上述步進(jìn)控制器，則不僅可在硬件上簡化電路，降低成本，而且可靠性也會大為提高。2. 伺服電機(jī)運動系統(tǒng)的位置閉環(huán)控制采用伺服電機(jī)的閉環(huán)系統(tǒng)主要由執(zhí)行元件（如交直流伺服電機(jī)、液壓馬達(dá)等）、反饋檢測元件、比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動線路和機(jī)械運動機(jī)構(gòu)五部分組成。其中，比較環(huán)節(jié)的作用是將指令信號和反饋信號進(jìn)行比較，兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差，經(jīng)驅(qū)動控制執(zhí)行元件帶動機(jī)械位移，直到跟隨誤差為零。根據(jù)比較環(huán)節(jié)組成的閉環(huán)位置控制方式，伺服系統(tǒng)也有多種形式。隨著微處理器及控制技術(shù)的介入和完善，由硬件組成的比較環(huán)節(jié)將由軟件實現(xiàn)的位置控制環(huán)取代，即由模擬式向數(shù)字化方向過渡，以適應(yīng)更高速度與精度的需要，而且系統(tǒng)中的電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的反饋控制全部數(shù)字化，全部伺服的控制模型均由高速微處理器及其控制軟件進(jìn)行實時處理，采樣周期只有零點幾毫秒，采樣前饋與反饋結(jié)合的復(fù)合控制可以實現(xiàn)高精度和高速度，近年來又出現(xiàn)了學(xué)習(xí)控制這一智能型伺服控制，在周期性的高速度、高精度跟蹤中，幾乎可以消除第一個周期以外的全部伺服誤差，數(shù)字化的軟件伺服是當(dāng)今的發(fā)展趨勢。 基于PCI的運動控制卡根據(jù)我國加工業(yè)快速發(fā)展的需要，發(fā)展符合中、低端數(shù)控設(shè)備需求的開放式數(shù)控系統(tǒng)，有其廣闊的市場前景。這類系統(tǒng)必須具有嵌入式特征和較低廉的價格。因此，本論文提出一種基于PCI的開放式數(shù)控系統(tǒng)解決方案。為此，有必要先介紹一下嵌入式系統(tǒng)和嵌入式計算機(jī)及其應(yīng)用。 嵌入式系統(tǒng)概念嵌入式系統(tǒng)是指操作系統(tǒng)和功能軟件集成于計算機(jī)硬件系統(tǒng)之中，即系統(tǒng)的應(yīng)用軟件與系統(tǒng)硬件一體化。具有軟件代碼小、高度自動化、響應(yīng)速度快等特點。特別適合于要求實時的和多任務(wù)的體系。嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的，它是將先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。在模塊化設(shè)計出現(xiàn)以前，主要有兩種嵌入式微機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計方法：基于芯片和基于模塊的設(shè)計方法。前者是指設(shè)計全部從芯片開始，它可以有針對性的滿足用戶系統(tǒng)要求，產(chǎn)品成本也較低。但缺點是開發(fā)費用高，研發(fā)周期長，因而滿足不了當(dāng)今競爭激烈的市場環(huán)境。后者是指用市場上銷售的總線模塊板來組建自己的微機(jī)系統(tǒng)，它能大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，但產(chǎn)品往往成本高、體積大、靈活性差，限制了其在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用，如國內(nèi)的STD總線工控機(jī)。隨著芯片集成度的提高、功能的加強、價格的下降、PCB板制作工藝的改進(jìn)、元器件封裝和安裝技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了模塊化設(shè)計，并逐漸成為嵌入式微機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計趨勢。所謂“模塊”是指一種體積較小的多集成塊組件，通常是一塊1290~6452mm2的電路板，多個模塊可以采用插針和插座的方式連接，也可以象安裝集成塊那樣將模塊插入用戶專用底板上。3 運動控制卡硬件設(shè)計 可編程邏輯器件簡介隨著半導(dǎo)體技術(shù)、集成電路技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電子系統(tǒng)的設(shè)計方法和設(shè)計手段發(fā)生了很大的變化，傳統(tǒng)的設(shè)計方法逐漸退出歷史舞臺，而基于EDA(Electronics Design Automation)技術(shù)的芯片設(shè)計方法正成為電子系統(tǒng)設(shè)計的主流[25]。大規(guī)模可編程邏輯器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)和FPGA是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的兩類可編程專用集成電路ASIC（Application Specified Integrate Circuit）。電子設(shè)計工程師利用它可以在辦公室或?qū)嶒炇依镌O(shè)計出所需要的專用集成電路，從而大大縮短了產(chǎn)品上市時間，降低了開發(fā)成本。此外，可編程邏輯器件還具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以象軟件一樣通過編程來修改，這樣就極大地提高了電子系統(tǒng)設(shè)計的靈活性和通用性[25]。可編程邏輯器件，主要是指CPLD和FPGA。由于以EEPROM、SRAM或FLASH為基礎(chǔ)，用戶可以通過計算機(jī)對芯片進(jìn)行編程，大大降低成本和縮短開發(fā)時間。FPGA是一種將門陣列的通用結(jié)構(gòu)與PLD的現(xiàn)場可編程特性結(jié)合于一體的新型器件，可以實時地對外加或內(nèi)置的RAM或EPROM編程，實時地改變器件功能，實現(xiàn)現(xiàn)場可編程（基于EPROM）或在線重配置（基于RAM）是科學(xué)試驗、樣機(jī)研制、小批量生產(chǎn)的最佳選擇[26]。電路設(shè)計師設(shè)計一個電路首先要確定電路（也可以用VHDL進(jìn)行行為描述，然后做邏輯綜合），然后進(jìn)行軟件模擬及優(yōu)化，以確認(rèn)設(shè)計電路的功能和性能。然而隨著電路規(guī)模的不斷增大和工作頻率的提高，將會給電路引入很多分布參數(shù)的影響，而這些影響很難用軟件來反映，所以有必要做硬件仿真。FPGA就可以實現(xiàn)硬件仿真，將軟件模擬后的線路經(jīng)過處理后下載到FPGA，設(shè)計者就可以直觀地測試其邏輯功能及性能指標(biāo)[26]。采用系統(tǒng)內(nèi)可再編程的技術(shù)，使得系統(tǒng)內(nèi)硬件的功能可以象軟件一樣被編程配置，從而可以實時地進(jìn)行更改和開發(fā)。這種稱為“軟”硬件的全新的系統(tǒng)設(shè)計概念，使新一代的電子系統(tǒng)具有極強的靈活性和適應(yīng)性，它不僅使電子系統(tǒng)的設(shè)計和產(chǎn)品性能的改進(jìn)和擴(kuò)充變得十分容易和方便，而且使電子系統(tǒng)具有多功能的適應(yīng)能力，從而可以為許多復(fù)雜的信號處理和信息加工的實現(xiàn)提供新的思路和方法。綜合上面關(guān)于FPGA 的論述， FPGA有著豐富的資源、可重復(fù)的編程特性、方便靈活的設(shè)計手段、低壓低功耗的性能和低廉的價格，對于設(shè)計功能強大的運動控制電路來實現(xiàn)復(fù)雜的控制需要必將是首要的選擇。FPGA和CPLD都是可編程器件，這兩者之間是有差別的：1. FPGA和CPLD內(nèi)部邏輯單元的電路工藝不同，造成了兩種器件的編程方式的不同：FPGA采用CMOS SRAM工藝，因此單元電路邏輯上電