运动控制卡的设计学士学位论文(编辑修改稿)

运动控制卡的设计学士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

ronment for Controller Architecture）等计划。 再实山东科技大学学士学位论文 基于 MAXII 控制的运动控制板卡的设计 4 施计划的同时，欧美等发达国家的公司也一直致力于研究开发开放式运动控制器。 在美国，开放式运动控制器被誉为新一代的工业控制器，已经有超过 200多家公司从事运动控制器软硬件产品的研发制造，运动控制器产品的年销售额已超过 20 亿美元，占有世界运动控制器市场份额 80%以上，最著名的运动控制器制造商有 Delta Tau、 Galil、 Aerotech、 Tech80 等，美国还专门成立了运动控制器工程师协会（ AIME），由此不难看出运动控制器系统的重要性。 在日本，开放式开放式运动控制器被认为是未来的第三次工业革命，并有预测其应用的普遍性将与目前广泛应用的 PLC 类似，代表的厂商有MAZAK 公司和 NOVA 公司等。 美国 Delta Tau Data System公司推出的 PMAC 系列伺服控制卡比较有代表性。 PMACPC 以 Motorola 公司的 DSP56001 为微处理器，主频 20/30MHz，60/40 微妙 /拍的伺服更新率， 36 位位置范围（ 64 千兆计数范围）， 16 位 DAC输出分辨率， 10/15MHz 编码计数率，每秒可处置多达 500 条程序，可以完成直线或圆弧插 补，“ S曲线”加速和减速，三次轨迹计算、样条计算。 利用 DSP 强大的运算功能实现 1 到 8 轴多拍实时伺服控制。 实际上， PMACPC卡本身就是一个完整的计算机系统。 依靠集成在卡上 ROM 中的程序，它能独立完成实时、多任务控制，而无需主机介入。 山东科技大学学士学位论文 基于 MAXII 控制的运动控制板卡的设计 5 从市场需求来看，以美国 Delta Tau Data System 公司的 PMAC 系列卡为例，在全球的销售量超过 45000 套，被用于数控机床、医疗器械、工业机器人等需要高精度位置控制领域。 著名的哈伯特望远镜面就是由 PMAC系列轴卡系统来控制研磨的。 我国上海磁悬浮列车高架钢梁的设 计，需要使用 6 轴控制卡进行加工。 在国外，已有多种商品化的运动控制主板，较著名的有： Galil、CompuMotor、 PMAC、 FANUC、 SIMENS、 AB 等系统，这些系统的共同点是： ； Windows 平台下工作，可使用 VB、 VC 等语言； ，一般都具有很好的实时性，并具有Windows 系统的多任务型； ，具有直线和圆弧插补功能； ，在启动和停止阶段具有加速度水平的控制， 使系统具有较好的动态响应特征； 、交流伺服电机及液压伺服马达进行控制。 前三种是通用的多轴运动控制卡，而后三种为典型的数控系统，主要应用于数控机床。 这几种系统都以实现了功能强大的开放化和柔性，其产品本身具有功能强大的开放式配套软件，这些软件提供给用户非常多的功山东科技大学学士学位论文 基于 MAXII 控制的运动控制板卡的设计 6 能，用户可在短期内方便的通过二次开发出自己的产品，所以这种系统受到用户的欢迎。 虽然国外的同类产品在性能方面具有许多优势，但他们也具有许多不足之处，主要表现在一下几方面： ，以 Galil 运动控制主板为例，一个八轴的 Galil 运动控制主板为 4000 美元，再加上一些其他辅助设施将达到 5000 美元左右； ，主要原因是作为通用多轴控制器，是面向一般用户的（无论机器人，还是数控，一般运动时有一定限度范围的） 在后两个不足之处主要是通用多轴运动控制卡才出现的。 认真地研究了国外先进的 Galil、 ComputMotor 及东芝系列等电机控制系统，可以发现这些控制系统均可适用于步进电机、交流伺服电机、直流伺服电机及液压伺服元件的运动控制，其控制精度高，工作可靠，具有 优良的工作特性。 其中，尤其值得推崇的是许多国外的这类系统都提供了高级语言的工作平台，用户可采用 C++、 VB 和 VISUALC++等对其驱动器直接进行编程控制。 此外，他们大多都提供了共有 1~6 轴控制等不同规格的控制板以适应不同要求的情况。 可使用其工作平台，很方便地对所设计的多轴系统进行智能运动控制，实现复杂的平面和空间运动及各种变速运动。 借助于这样先进的控制系统，国外的许多设计者免除了国内设计者要花很大力气完成的底山东科技大学学士学位论文 基于 MAXII 控制的运动控制板卡的设计 7 层设计工作。 即提高了工作效率，又使所设计控制系统具有很好的通用性。 早在“八五”期间，国内一些研究 单位为实现特殊的需要，并从开发的难度、成本的高低等方面考虑，采用“ PC 机 +运动控制卡”的方式，构建适合于需要的运动控制系统。 如北京研究所的中华系列，沈阳计算所的“蓝天”系列，华中科技大学的“华中”系列等数控系统。 这些系统采用模块化，嵌入式软、硬件结构，其中以华中 I 型较具有代表性，它采用工业PC 机加控制卡的结构，运行在 DOS 平台上，具有较好的模块化、层次化特征和一定扩展性、伸缩性。 但是这些系统中的运动控制卡都是有用在基于 PC 的系统中，并没有形成一种通用的、系列化应用于市场的产品。 直至近年，固高科技（深圳）有 限公司成立，这是国内（大陆地区）较早专业开发、生产开放式运动控制器产品的公司，并且目前已有一系列的运动控制器，如基于计算机标准总线运动控制器 GT 系列等，填补了国内相关行业的多项空白。 此外，该公司以运动控制器为核心派生了众多面向行业应用的控制系统，形成了一定规模，其中 2020 年未研制成功的 GH800型控制卡是较先进的轴控制卡。 GH800 运动控制器能够控制八个伺服轴或四个步进轴，并可实现伺服轴和步进轴的任意组合，控制信号的输出有多种形式，可为模拟量、脉冲或 PWM。 用户可通过控制器的扩展口实现最多达 16 轴的控 制，但成本很高。 除固高公司外，还有其他众多公司开发生产的运动控制器，如深圳雷山东科技大学学士学位论文 基于 MAXII 控制的运动控制板卡的设计 8 赛公司、摩信公司以及成都步进电机公司等。 其中深圳摩信公司独立开发了基于网络技术的具有开放式结构高性能MCT8000 系列运动控制器，控制器的 CPU 采用 TI 公司主频。 和传统的运动控制器产品相比，所有摩信科技的产品都具有开放式结构，高速高精度，网际在线控制，多轴同步控制，可重构性，高集成度，高可靠性和安全性的卓越性能。 MCT8000 系列产品可广泛应用于半导体加工设备，工业机器人，数控机床，医疗设备， 纺织设备，印刷设备，自动化装 配线，数据采集和处理，智能家电以及需要网际在线和无线漫游控制的各种场合。 尽管目前国内已有一些较高的档的运动控制卡，但是与国外的运动控制卡相比还存在一定的差距，主要的缺陷有： 1)不支持目前比较先进的 NURBS 样条曲线插补控制，运压 NURBS曲线插补可以进行三次以上的轨迹运算，从而提高运动的速度和精度。 2）控制系统的封闭性使它的扩充和修改极为有限，造成用户对供应商的依赖，并难以将自己的专门技术、经验集成于运动控制卡内。 此外，专用的软硬件结构也限制了系统本身的持续开发，使系统的开发投资人，周期长、风 险高，更新换代慢，不利于运动控制系统的发展和进步。 应用及发展趋势 运动控制技术日新月移，不论是 ASIC 或是 DSP 为核心的运动控制卡，均有其优越点。 在高端应用上，对于控制的实时性要求会是一个新趋势，山东科技大学学士学位论文 基于 MAXII 控制的运动控制板卡的设计 9 串行式的通信技术加上 DSP 的运动控制，程序运动控制的技术将可以让用户在精密机械的控制中，提升控制精度与效能，缩短往复运动的周期时间，进而增加机器设备的生产产能。 研究的基本内容 CPLD 的设计 本设计的关键还是在于内部芯片程序的设计。 由于 EDA 软件的功能日益强大，原来功能单 一的软件，现在增加了很多新的用途。 本次设计采用的是 Altera 公司的 CPLD 芯片，我们会利用 Quartus II 进行设计，其中采用文本编辑器，来进行 Verilog HDL 语言的设计。 其中各个模块用 Verilog HDL语言设计，然后用原理图设计法把各个模块组合起来，形成整个系统模块。 本设计共包含三个模块，即分频模块、调频模块、滞后模块，三个模块的主要功能如下： 1. 分频模块：把实验板上晶振频率（ 48MHz）分频到我们需要的频率 ,既 400Hz，便于观察。 2. 调频模块：把分频模块的 输出频率进行调节，主要是通过改变外部三个管脚的高低电平，来模拟外界的变化，输出我们所需要脉冲的频率，用以控制步进电机的运转，实现步进电机的速度可调。 ：目的是输出的一路脉冲滞后于另一路脉冲 90176。 山东科技大学学士学位论文 基于 MAXII 控制的运动控制板卡的设计 10 另外， CPLD 器件的选择也是一个关键。 我们拟采用 CPLD 通用版来设计，这样的话，包括基准时钟在内的所有芯片外的东西，都需要外部接入来完成，因此对芯片结构的了解也是一个关键。 外围电路的设计 外围电路都是一些最基本，最常见的模拟电路，因此使用时不会有太大的问题，但是有 一些细节要注意，就是在一些电阻和电容的取值上，要仔细一些，使电阻和电容要匹配。 外围电路的调试工作要配合芯片程序设计一起进行，这样才能轻松地输出所需要的理想脉冲。 山东科技大学学士学位论文 基于 MAXII 控制的运动控制板卡的设计 11 2CPLD 介绍 CPLD 发展历程 数字集成电路本身在不断地进行更新换代。 它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路 (VLSIC，几万门以上 )以及许多具有特定功能的专用集成电路。 但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂 商来独立承担。 系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路 (ASIC)芯片，而且希望 ASIC 的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的 ASIC 芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件 (FPLD)，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列 (FPGA)和复杂可编程逻辑器件 (CPLD)。 早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器 (PROM)、紫外线可按除只读存贮器 (EPROM)和电可擦除只读存贮器 (EEPROM)三种。 由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。 其后，出现了一类结构上稍复 杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件(PLD)，它能够完成各种数字逻辑功能。 典型的 PLD 由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与一或”表达式来描述，所以， PLD 能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。 山东科技大学学士学位论文 基于 MAXII 控制的运动控制板卡的设计 12 这一阶段的产品主要有 PAL(可编程阵列逻辑 )和 GAL(通用阵列逻辑 )， PAL 由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，或门的输．出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。 PAL 器件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术、 EPROM 技术和 EEPROM 技术。 还有一类结构更为 灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵列 (PLA)，它也由一个“与”平面和一个“或”平面构成，但是这两个平面的连接关系是可编程的。 PLA 器件既有现场可编程的，也有掩膜可编程的。 在 PAL 的基础上，又发展了一种通用阵列逻辑 GAL (Generic Array Logic)，如 GAL16V8,GAL22V10 等。 它采用了 EEPROM 工艺，实现了电可按除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有很强的灵活性，至今仍有许多人使用。 这些早期的 PLD 器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但 其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。 为了弥补这一缺陷， 20 世纪 80 年代中期。 Altera 和 Xilinx 分别推出了类似于 PAL 结构的扩展型 CPLD(Complex Programmab1e Logic Dvice)和与标准门阵列类似的 FPGA(Field Programmable Gate Array)，它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。 这两种器件兼容了PLD 和通用门。