【正文】 ......................................................................... 42 原理圖輸入法 ........................................................................................... 45 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 目錄 7Quartus II 軟件仿真 ............................................................................................. 47 Quartus 軟件設(shè)計(jì)流程 ................................................................................ 48 仿真分析 .................................................................................................. 49 分頻模塊的仿真 .............................................................................. 50 調(diào)頻模塊的仿真 .............................................................................. 51 滯后模塊的仿真 .............................................................................. 51 綜合設(shè)計(jì)仿真 .................................................................................. 52 8 程序下載及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試 .......................................................................................... 57 Verilog HDL 程序下載 ................................................................................ 57 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試 .................................................................................................. 58 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................... 62 致謝 ...................................................................................................................... 64 附錄 ...................................................................................................................... 65 附錄 1 外文文獻(xiàn) ............................................................................................. 65 附錄 2 中文翻譯 ............................................................................................. 78 附錄 3 用 MATLAB 程序計(jì)算模糊控制查詢表 ................................................. 89 附錄 4 交通燈定時(shí)控制的 MATLAB 程序 ........................................................ 92 附錄 5 交通燈模糊控制的 MATLAB 程序 ........................................................ 93 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) 1 1 緒 論 選題的背景和意義 選題的背景 運(yùn)動(dòng)控制卡是一種基于工業(yè) PC 機(jī)、用于各種運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合（包括位移、速度、加速度等）的上位控制單元。 運(yùn)動(dòng)控制卡通常采用專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制芯片或高速 DSP 作為運(yùn)動(dòng)控制核心，大多用于控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。運(yùn)動(dòng)控制卡都配有開放的函數(shù)庫供用戶在 DOS 或 Windows 系統(tǒng)平臺(tái)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) 2 下自行開發(fā)、構(gòu)造所需的控制系統(tǒng)。 這種運(yùn)動(dòng)控制模式在國(guó)外自動(dòng)化設(shè)備的控制系統(tǒng)中比較流行，運(yùn)動(dòng)控制卡也形成了一個(gè)獨(dú)立的專門行業(yè)，具有代表性的產(chǎn)品有美國(guó)的 PMAC、PARKER 等運(yùn)動(dòng)控制 卡。 近年來，隨著工業(yè) PC 機(jī)的快速發(fā)展，可靠性大為提高，軟、硬件功能越來越成熟，而價(jià)格卻大幅度降低，以工業(yè) PC 機(jī)為核心的控制系統(tǒng)能夠充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)有成果，柔性強(qiáng)，功能完善，因而這種系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域越來越廣泛地應(yīng)用。同時(shí)，圍繞工 業(yè) PC 機(jī)開發(fā)的實(shí)用功能擴(kuò)展及其應(yīng)用也越來越多，運(yùn)動(dòng)控制卡的產(chǎn)生便是其中一例。在一些控制較為復(fù)雜、要求有人機(jī)對(duì)話的場(chǎng)合已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。 在位置控制方面，由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 加減速、滾珠絲杠等都有一定的傳動(dòng)間隙、變形等，造成目標(biāo)位置的的誤差，很難達(dá)到很高的定位精度。 國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 早期的運(yùn)動(dòng)控制卡主要是針對(duì)數(shù)控等行業(yè)的專用控制器，可以獨(dú)立完成運(yùn)動(dòng)控制功能、工藝技術(shù)要求的其它功能，并且無需另外的處理器和操作系統(tǒng)支持。 為此， 1987 年開放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)開始興起，首先是美國(guó)空軍在美國(guó)政府的資助下提出了“開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格（ OSAOA）”，其后許多相關(guān)的研究計(jì)劃在世界各國(guó)相繼啟動(dòng)，其中影響較大的有美國(guó)的開放式模塊化結(jié)構(gòu)控制器 OMAO（ Open Modular Architecture Controller）、歐洲的OSAO（ Open System Architecture for Control within Automation）和日本的OSEC（ Open System Environment for Controller Architecture）等計(jì)劃。 在美國(guó)，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(chǎng)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(guó)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 。 美國(guó) Delta Tau Data System公司推出的 PMAC 系列伺服控制卡比較有代表性。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。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。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。 在國(guó)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。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。認(rèn)真地研究了國(guó)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。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。借助于這樣先進(jìn)的控制系統(tǒng)，國(guó)外的許多設(shè)計(jì)者免除了國(guó)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。 早在“八五”期間，國(guó)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)。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。 直至近年，固高科技（深圳）有 限公司成立，這是國(guó)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(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)的多項(xiàng)空白。 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。 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。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。 盡管目前國(guó)內(nèi)已有一些較高的檔的運(yùn)動(dòng)控制卡，但是與國(guó)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。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(zhǎng)、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。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。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。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。 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)。 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。 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。 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。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