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摘要 高速高精运动控制器在高端数控技术中占有举足轻重的地位，随着微电子 技术、伺服控制理论等相关数控技术的飞速发展，目前运动控制器已经从以单 片机为核心的运动控制器和以专用芯片( a s l c ) 为核心的运动控制器，发展到了基 于p c 总线的以d s p 和f p g a 混合结构为核心的开放式运动控制器。运动控制 技术也出面向传统数控加工行业、专用运动控制技术而发展为具有开放结构、 能结合具体应用要求而快速重组的先进运动控制技术。 本文详细介绍了通过采用t m s 3 2 0 c 3 2 浮点d s p 和现场可编程门阵歹l j ( a l t e r a 的f l e x1 0 k 1 0 ) 的混合结构构成的高速高精运动控制器。首先阐述d s p + f p g a 结构实现高速高精运动控制器的必要性和可行性，然后从功能模块化的角度分 别介绍d s p 的性能、最小系统的配置及d s p 如何实现b 样条插值和p i d 控制； 分析f p g a 的特点、原理与结构、程序下载到芯片的配置圾f p g a 在运动控制 器中的主要功能，即通过光栅尺计数来反馈电机的实际运动位置和系统的地址 译码、片选功能；最后描述了两个重要算法：b 样条插值算法和p d 控制算法 的原理及m a t l a b 仿真。该系统经过实际验证，取得了比较好的控制效果。 高速、高精始终是运动控制技术追求的目标。充分利用d s p 高效的数值运 算能力，进行复杂的运动规划、高速实时多轴插补、误差补偿和更为复杂的运 动学、动力学计算，使得运动控制精度更高、速度更快、运动更平稳；而可编 程逻辑器件具有高度灵活的可配置性、并行处理的高速性；充分利用d s p 和 f p g a 技术，使系统的结构更加开放，根据用户的应用要求进行定制化重组，设 计出个性化的运动控制器将成为市场应用的方向。 关键词：运动控制；d s p ；f p g a ：b 样条插值：p i d 控制 a b s t r a c t h i g hs p e e da n dh i g hp r e c i s i o nm o t i o nc o n t r o l l e ri si m p o r t a n ti nn c ( n u m e r i c a l c o n t r 0 1 ) t h et r a d i t i o n a ln cs y s t e mi sb a s e do i lak i n do fc l o s ea r c h i t e c t u r e ，w h i c hi s b a s e do nm i c r o c o n t r o la n dm c ua n da s i c i tc a n n o tm e e tt h er e q u i r e m e n to ft h e d e v e l o p m e n to fm o d e mm a n u f a c t u r i n gf o l l o w e db yd e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n t h e r e f o r e ，i ti sa ni n e v i t a b l et e n d e n c yt h a tt h ea r c h i t e c t u r eo fn cs y s t e mb eo p e n b a s e do nd s pa n df p g a ，s ot h i st e n d e n c yo fo p e nn cs y s t e mw i l ld e f i n i t e l yg i v e r i s et on e wg e n e r a t i o nm o t i o nc o n t r o l l e r t h i s p a p e ri n t r o d u c e dh i 曲s p e e da n dh i 曲p r e c i s i o nm o t i o nc o n t r o l l e r c o m p o s e do fd s pa n df p g a f i r s t l y ，t h i sp a p e rd e m o n s t r a t e dt h en e c e s s i t ya n d f e a s i b i l i t yo fh i 曲s p e e da n dh i 班p r e c i s i o nm o t i o nc o n t r o l l e rb a s e do nd s pa n d f p g a t h e ni ti n t r o d u c e dt h ef e a t u r e so fd s p ，t h em i x t u r ec o n f i g u r a t i o no fs y s t e m f r o mt h ep o i n to f v i e wo f m o d u l ef u n c t i o n i ta l s oe x p l a i n e dh o wt or e a l i z eb s p l i n e i n t e r p o l a t i o na n dp i da d j u s t m e n t t h i r d l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e dc h a r a c t e ra n dt h e o r y a n ds t r u c t u r ea n dc o n f i g u r a t i o no f m a s t e rs e r i a lp r o g r a mt of p g a t h e ni te x p l a i n e d m a i nf u n c t i o n so ff p g ai nm o t i o nc o n t r o l l e r ，t h a ti s ，i tf e db a c ka c t u a lm o v i n g p o s i t i o no fm o t o ra n dd e c o d e ds y s t e m sa d d r e s s l a s t l y , i td e s c r i b e dt w oi m p o r t a n t a r i t h m e t i co fb s p l i n ei n t e r p o l a t i o na n dp i da d j u s t m e n ta n ds i m u l a t i o nb ym a t l a b t h es y s t e mw ed e s i g n e dh a sag o o dc o m m e n ti nt e s t h i g hs p e e da n dh i 曲p r e c i s i o ni so b j e c tt om o t i o nc o n t r o l l e r w ec a l ll a y o u t c o m p l e xm o v e m e n t ，i n t e r p o l a t eh i g hs p e e dm i dr e a l t i m em u l t i a x e s ，c o m p e n s a t e e r r o ra n dc a l c u l a t em o r ec o m p l e xm o v e m e n to fk i n e m a t i c sa n dk i n e t i c su s i n gh i g h e f f i c i e n c yo f o p e r a t i o no f d s p i tw i l lm a k et h ep r e c i s i o no f c o n t r o lm o r ee x t r a c t ，t h e s p e e do fc o n t r o lm o r eq u i c k ，a n dm o v e m e n tm o r es t a b l e w h i l ec o n f i g u r a t i o no f p r o g r a m m i n gl o g i c a la p p a r a t u si sf l e x i b l e ，s t r u c t u r eo fs y s t e mw i l lm o r eo p e n i n g u s i n g d s pa n df p g a t h ec u r r e n to f a p p l i c a t i o n i s d e s i g n i n gs p e c i a l m o v e m e n t c o n t r o la c c o r d i n gr e q u i r e m e n to f u s e r k e yw o r d s ：m o t i o nc o n t r o l l e r ；d s p ；f p g a ；b - s p l i n ei n t e r p o l a t i o n ；p i d 武汉理l 大学硕十学忙论文 1 1 课题来源及意义 第1 章绪论 本课题来自8 6 3 计划“高速高精运动控制器研究”，探索在开放式数控系 统结构下，研究高速高精运动控制器的方案设计、硬件规划、软件设汁、算法 仿真和系统调试。 制造业是国民经济的基础产业，制造业的水平高低是衡量一个国家工业发 达程度的重要标志。大力发展先进的制造技术已经成为世界各国最重要的技术 战略之一，先进制造技术已经是国际竞争和产品革新的一种重要手剐。1 。近年来， 世界范围内出现了研究应用先进制造技术的浪潮，先进制造技术已经成为当代 国际问科技竞争的重点，许多国家制定了相应的计划，其中具有代表性的是美 国的先进制造技术计划( a d v a n c e d m a n u f a c t u r i n g t e c h n i q u e ) 、关键技术制造计划、 敏捷制造使能技术计划( t e a m ) 、下代制造计划( n e x tg e n e r a t i o nm a n u f a c t u r e ) 、 德国的制造2 0 0 0 计划、韩国高级先进制造技术计划( g 7 ) 等。在我国，先进制造 技术的重要性已经引起各界的认同和重视，被列为“九五”计划和2 0 1 0 年中长 期科技发展规划的主要技术和重要发展方向。并且，先进制造技术已经成为国 家高技术发展计划8 6 3 计划的1 2 个重大专项之一。 数控技术是先进制造技术( 如柔性制造系统、计算机集成制造系统) 的基 础。要发展先进制造技术，首先必须重视制造单元技术( 如数控技术、加工单 元、柔性制造单元等) ，数控技术在现代加工领域，特别是在发达的工业国家 ( 如美国、同本、德国等) ，已经作为主要加工设备而取代传统的加工机床。 数控机床在现代制造系统中处于基础性的、核心的地位。因此，在现代制 造系统开放化、智能化、网络化的发展潮流中，深入研究新一代的数控技术具 肯重要的探索意义和实用价值【2 j 。 1 2 运动控制器的发展历史和研究现状 传统的数控系统体系结构是一种封闭结构，这种结构已经不能适应制造业 市场的变化与竞争，也不能满足现代制造业向开放化、智能化、阚络化和敏捷 制造模式发展的需要、因此，数控系统体系结构的丌放化已经成为必然的趋势。 武汉理1 人学硕i ：学位论文 运动控制器是数控系统中极为重要的组成部分，开放式数控系统将导致新一代 控制器的出现。 运动控制器是一种基于工业p c 机、用于各种运动控制场合( 包括位移、速 度、加速度等) 的上位控制单元。运动控制器是数控系统的核心环节之一，其 控制性能在很大程度上决定了系统的控制精度与响应速度。 目前的运动控制器般低端采用8 位单片机，高端采用1 6 位m c u 或d s p ， 精度比较高的是l u r e 级，加速度比较高的是2 - 3 g 。目前的控制卡的精度与速度 方面还不能满足i c 制造方面多轴协调及高速、高精复杂运动控制的严格要求， 比如l c 制造中的制造精度已达到9 0 n m ，i c 封装的加速度已达1 0 g 以上。 高端运动控制器通常采用专业运动控制芯片或高速d s p 作为运动控制核 心，大多用于控制步进电机或伺服电机。通常，运动控制卡与p c 机构成主从式 控制结构：p c 机负责人机交互界面管理和控制系统实时监控等方面的工作( 例 如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示，运动轨迹规划、控制指令的发送、外 部信号的监控等等) 。控制卡完成运动控制的所有细节( 包括脉冲和方向信号 的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等) 。其中典型的有 美困d e l t a t a u 公司的p m a c 系统【3 】。 高速高精运动控制是数控技术的关键技术之一，纵观这些年来我国数控技 术的发展历程，尽管我们取得了不少成绩，但与国外发展的速度和水平相比， 差距还是很大。如在i c 制造系统中，国外控制器加速度已达1 0 g 以上，而光刻 机已开始采用9 0 纳米技术。因此如何尽快缩短我们在运动控制技术上的差距成 为提高我国数控技术水平的关键因素之一。 1 3 本论文的主要研究内容 本着“有限目标、重点突破”的原则，我们在高速高精运动控制上主要需 解决系统结构、控制器响应速度、控制器反馈与控制精度及高性能控制方法等 问题。其中系统结构主要是解决高速数据传输和高速驱动能力的问题，控制器 的设计主要解决系统运算能力、控制通道与反馈通道的精度与响应速度，而控 制方法是其中的核心问题，实现系统的高速、高精运动控制必须在系统的建模、 控制算法、插补算法和参数优化方面有所突破，并通过研制运动控制器原型甲 台来测试和验证。 武汉理工大学硕上学位论文 本文在丌放式数控系统体系结构分析的基础上，主要对开放式数控系统中 的运动控制器进行了研究，研究的中心是基于d s p 的高速高精运动控制器。 1 、分析了高速高精运动控制器设计的关键技术。运动控制器是各个学科和 技术交叉融合的产物，本文着重分析了微电子技术，控制理论和伺服算法。 2 、根据设计指标的需求，提出一种切实可行的基于d s p 的高速高精运动控 制器方案。 3 、集中对d s p 的结构特点和d s p 在运动控制中的应用作了阐述，分析了 d s p 作为运动控制器核心的必要性和优越性。 4 、就高速高精运动控制器中采用f p g a 的特点和优点进行了进一步的分析， 并详细列举了f p g a 在运动控制器中的功能和实现方法。 5 、结合运动控制器的实际要求对伺服控制算法进行了演算并说明了其仿真 结果。 武汉理工大学硕士学何论文 第2 章高速高精运动控制器关键技术分析 从前文的分析可以看出，运动控制器足数控系统的核心组成部分，它担负 着运动控制的实现和信息处理的任务。运动控制器经历了分立电子元件、集成 电路( 包括小、中、大、超大规模集成电路) 阶段，直至微型计算机的出现， 使得运动控制器出现了巨大的飞跃由原来的硬件电路裂变成为软、硬件 体的复杂系统。各种不同的电机控制专用集成电路( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e d c i r c u i t l 、不同档次的微处理器、单片微型计算机、比单片机速度更高、更适合 运动控制的数字信号处理器( d i t a ls i g n a lp r o c e s s 0 0 和现场可编程门阵y o ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea m l 的应用，以及比例积分微分( p r o p o r t i o ni n t e g r a l e d d i f f e r e n t i a l ) 控制、模糊控制、b 样条( b s p l i n e ) 插值算法等新的控制策略和控制算 法正在改变着运动控制的面貌和水平。当今运动控制器正充分利用自动控制技 术、微电子技术、计算机技术和网络技术等相关技术的最新发展成果以满足各 种复杂运动控制系统的需要【“。 本章阐述当前国内外数控技术的现状，包括开放体系结构的采用、高速高 高精功能的提高、软件数字伺服技术的发展等。 2 1 数控技术 数字控制技术( n u m e r i c a lc o n t r o l ，简称n c ) ，是近代发展起来的一种自动控 制技术，是使用数字信号对机床的运动及加工过程进行控制的一种方法。数控 机床是一种高度机电一体化的产品，数控系统( n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ) 是一种 控制系统，它能够通过人机交互，从而自动地完成信息的输入、译码、运算， 从而控制机床运动的加工过程。数控系统一般包括中央p c ，微控制器模块，伺 服驱动模块和进给装置等部分。数控装置是数控系统的核心，它完成从上位机 的信息输入、存储、插补运算以及反馈调整的各种控制功能。伺服驱动模块和 进给装置接受微控制器模块的指令，驱动机床执行机构运动。 数控技术从发明到现在，已有近5 0 年的历史。按照电子器件的发展可分为 五个发展阶段：电子管数控、晶体管数控、中小规模i c 数控、小型计算机数摔、 微处理器数控。从体系结构的发展，可分为以硬件及连线组成的硬数控系统、 计算机硬件及软件组成的c n c 数控系统，后者也称为软数控系统：从伺服及控 武汉理1 ：大学硕士学位论文 制的方式可分为步进电机驱动的丌环系统和伺服电机驱动的闭环系统。数控系 统装备的机床大大提高了加工精度、速度和效率。 人类发明了机器，延长和扩展人的手脚功能：当出现数控系统以后，制造 厂家逐渐希望数控系统能部分代替机床设计师和操作者的大脑，具有一定的智 能，能把特殊的加工工艺、管理经验和操作技能放进数控系统，同时也希望系 统具有图形交互、诊断功能等。首先就要求数控系统具有友好的人机界面和开 发平台，通过这个界面和平台开放而自由地执行和表达自己的思路。这就产生 了开放结构的数控系统。机床制造商可以在该开放系统的平台上增加一定的硬 件和软件构成自己的系统。 计算机数控系统( c n c ) 作为制造、加工形状复杂、高质量、高精度产品所必 需的基础设备，已经成为当今先进制造技术的一个重要组成部分。然而，目前 市场上的c n c 系统( 以f a n u c 、s i e m e n s 等为代表) 的硬件模块和软件结构绝 大多数都是专用、互不兼容的，系统各模块间的交互方式、通讯机制也各不相 同，虽然这种相对封闭的体系结构有助于保护制造商的知识产权，形成各自的 技术特色，实现利润的最大化，但同时也造成了不同厂家控制系统的相对独立， 彼此孤立。 随着技术的进步，市场竞争的加剧，这种专用体系结构的数控系统越来越 暴露其固有的缺陷。一方面，各控制系统间的互连能力差，影响了系统的相互 集成。飙格不一的操作和专用件的大量使用，不但使用户培训费用增加，还给 数控设备最终用户带来很多不便，造成对数控设备制造商的依赖，并难以将自 己的专门技术、工艺经验集成到数控系统并形成自己的产品特色。此外，专用 的硬、软件也限制了系统本身的持续开发，使系统开发的投资大、周期长、风 险高、更新换代慢，不利于数控产品的技术进步。传统的数控系统由于自身同 有的缺陷，已经不能适应当今制造业市场的变化与竞争，也不能满足现代制造 业丌放化、智能化、网络化发展的需要。 计算机数控系统( c n c ) 带i j 造商、系统集成者、最终用户都希望能够自由地选 择构成数控系统的各个模块，并能够采用规范的、简便的方法将模块组合成数 控系统，数控子系统之间可以实时、高速的通信协作。 1 、建立丌放式体系结构的数控系统。使系统具有开放性、互操作性、现场 软件程序更新，可互换性的特点。开放式的体系结构呵以使得生产商可以在共 武汉理l 大学硕十学位论文 同的标准平台上建立广泛的合作，用户则可以根据需要选择性价比最好的硬件 和控制软件，实现最优化的系统，这是新一代数控系统的主流结构。 丌放式数控系统是当今数控技术发展的趋势。开放系统有两种基本结构： a c n c + p c 主板。把一块p c 主板插入传统的c n c 机器中，p c 板丰要运 行实时控制，c n c 主要运行以坐标轴运动为主的实时控制。 b p c + 运动控制板。把运动控制板插入p c 机的标准插槽中作实时控制用， 而p c 机主要作非实时控制。如f a n u c 的1 5 0 1 6 0 1 8 0 2 1 0 系统。 2 、智能化。可以在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参 数自动设定、刀具自动管理以及平滑、补偿等自适应调节系统，在高速加工时 的综合运动控制中还可以引入提前预测和预算功能，动态前馈功能以及模糊控 制等，使数控系统的性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。 3 、网络化。数控系统的网络化功能日趋重要，网络化可以实现企业内部的 资源共享和信息共享，适应远程加工和诊断等。 4 、高速、高精化。高速，单位时间可以生产更多的产品；高精则可以提高 产品的质量。 2 2 软件数字伺服驱动技术 伺服装置是数控系统的重要组成部分，其控制性能反映了机电设备的控制质 量。高性能的伺服系统可以提供灵活、方便、准确、快速的驱动。随着技术的 进步和整个工业的不断发展，伺服驱动技术也取得了极大的进步，伺服系统已 进入全数字化和交流化的时代。 传统的模拟控制虽然具有连续性好、响应速度快及成本低的优点，但也有 难以克服的缺点，如系统调试困难，容易受到环境温度变化的影响而产生漂移， 难以实现柔性化设计，缺乏实现复杂计算的能力，无法实现现代控制理论指导 下的控制算法等。所以现代伺服控制器均采用全数字化结构，伺服控制系统的 主要理论也采用了现代的矢量控制思想，它实现了电流向量的幅值控制和相位 控制。 伺服驱动技术的发展与磁性材料技术、半导体技术、通信技术、组装技术、 尘产= ：艺水平等基础工业技术的发展密切相关。 武汉理1 ：人学预十学位论文 半导体技术的发展使伺服驱动技术进入了全数字化时期，伺服控制器的小 型化指标取得了很大的进步。l s i ( 大规模集成电路) 的精细加工技术以及丌关特 性的改善使高速开关器件的应用成为主流。i g b t ( 绝缘栅双极型场效应管) 已经 发展到了第四代产品，其性能则提高了5 倍以上。微处理器( m p u ) 性能的大幅度 增强也使伺服控制器的复杂运算速度和多功能处理能力得以提高，同时也为产 品的小型化创造了条件。 交流伺服控制器硬件环境的改善以及交流伺服电机的结构和制造材料的改 进为更加快速、准确、稳定地控制机械设备创造了很好的条件。 伺服技术是数控系统的重要组成部分。广义上说，采用计算机控制，控制 算法采用软件的伺服装置称为“软件伺服”。它有以下优点： 1 无温漂，稳定性好。 2 基于数值计算，精度高。 3 通过参数对设定，调整减少。 4 容易做成a s i c 电路。 在全数字控制方式下，伺服控制器实现了伺服控制的软件化。现在很多新 型的伺服控制器都采用了多种新算法。目前比较常用的算法主要有比例微分积 分( p d ) 控制切换、前馈控制、速度实时监控、共振抑制控制、可变增益控制、 振动抑制控制、模型规范适应控制、反复控制、预测控制、模型跟踪控制、在 线自动修正控制、模糊控制、神经网络控制等。通过采用这些功能算法，可以 使伺服控制器的响应速度、稳定性、准确性和可操作性都达到了很高的水平。 7 0 年代，美国g a t t y s 公司发明了直流力矩伺服电机，从此开始大量采用 直流电机驱动。开环的系统逐渐由闭环的系统取代。但直流电机存在以下缺点： 1 电动机容量、最高转速、环境条件受到限制。 2 换向器、电刷维护不方便。交流异步电机虽然价格便宜、结构简单，但 早期由于控制性能差，所以很长时问没有在数控系统上得到应用。 随着电力电子技术的发展，1 9 7 1 年，德国西门子的b l a s c h k e 发明了交流异 步机的矢量控制法。1 9 8 0 年，德国人l e o n h a r d 为首的研究小组在应用微理器的 矢量控制的研究中取得进展，使矢量控制实用化。从7 0 年代末，数控机床逐渐 采用异步电机为主轴的驱动电机。如果把直流电机进行“里翻外”的处理，即 把电驱绕组装在定子，转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置， 这就构成了永磁无刷电机。这种电机具有良好的伺服性能。 武汉理工大学硕十学位论文 从8 0 年代开始，逐渐应用在数控系统的进给驱动装置上。为了实现更高的 加工精度和速度，9 0 年代，许多公司又研制了直线电机。它由两个非接触元件 组成，即磁板和线卷滑庳：电磁力直接作用于移动的元件而无需机械连接，没 有机械滞后或螺距周期误差，精度完全依赖于直线反馈系统和分级的支承，由 全数字伺服驱动，刚性高，频响好，因而可获得高速度。但由于它的推力还0 i 够大，发热，漏磁及造价也影响了它的广泛应用。 对现代数控系统，伺服技术取得的最大突破可以归结为：交流驱动取代直 流驱动、数字控制取代模拟控制、或者把它称为软件控制取代硬件控制。这两 种突破的结果产生了交流数字驱动系统，应用在数控机床的伺服进给和主轴装 置。由于电力电子技术及控制理论、微处理器等微电子技术的快速发展，软件 运算及处理能力的提高，特别是d s p 的应用，使系统的计算速度大大提高，采 样时问大大减少。这些技术的突破，使伺服系统性能改善、可靠性提高、调试 方便、柔性增强。大大推动了高精高速加工技术的发展。 d s p 伺服控制技术是2 1 世纪多轴运动控制技术的发展方向，也是实现数控 技术向高速、高精度、高可靠性技术跨越的基础。 2 3 高速实时总线技术 总线技术是许多信号的集合，通过总线来实现交互的信息或数据的交换。 不管哪一种总线，它们都有一个共同的特点，即通过公用的信号线把计算机或 测试系统中的模板或各种设备连成一个整体，以便进行彼此间的信息交换，为 了有效可靠的进行这种信息交换而对总线信号、传送规则和传输物理介质的一 系列规定称为总线协议，被国际标准化组织o s o ) 认可的协议就称之为标准。 可以说现代工业发展的动力就在于标准化，标准化的体系结构可以增加系 统的开放性、兼容性和可维护性，并且可以降低系统的成本。因此，在丌放式 运动控制器成为当今运动控制器的发展趋势的今天，系统设计时要充分考虑到 运动控制系统与其他部分或外界设备的信息交换，采用合适的总线结构和接口。 总线的类别很多，按其传送数据的方式可以分为串行总线和并行总线。安 应用场合可以分为芯片级总线，板级总线、设备互连总线、现场总线和网络总 线。总线的内容很广泛，随着技术的发展，总线之间的技术也是交叉的，许多 功能是互相结合的，所以很难具体而明确的对总线进行分类。以下主要对在测 武汉理i 人学硕。l j 学位论文 控系统中常用的总线进行简介，这些总线在应用于不同场合的运动控制器的设 计有较多的应用。高速实时信号处理常用总线包括i s a 总线、p c i 总线和v m e 总线等。 2 3 1i s a 总线分析 i s a ( i n d u s t r ys t a n d a r da r c h i t e c t u r e ，工业标准架构1 是一个有相当历史的产 品。i s a 总线为低带宽设备提供了足够的吞吐量，而且深入到每一台p c 之中， 直到1 9 9 0 年刁逐渐被p c i 所取代。i s a 缺少一个中枢寄存器，不能动态地分配 系统资源，且c p u 占用率高，插卡的数量亦有限。如果几个设备同时调用共享 的系统资源，很容易出现冲突现象。早期的i s a 设备安装非常难，不仅要设昔 跳线或d i p 开关来控制i o 地址，甚至中断和时钟速度也要通过手工来完成。19 9 3 年，英特尔和微软共同制订了p n pi s a 标准，用软件来控制各种设置，使得1 s a 总线成为工业控制系统中的一个简单易行的选择1 6 j 。 2 3 2p c i 总线分析 与i s a 相比，p c i 总线具有更好的开放性和性能。p c i 的全称为p c il o c a l b u s ( p c i 局域总线) ，因为它在c p u 和外设之间提供了一条独立的数据通道，让 每种设备都能直接与c p u 取得联系。p c i 的设计原本就是为了适应多种设备， 让图形、s c s i 、视频、音频、通信设备都能同时工作。原始的p c i 规格其时钟 与c p u 同步，但只限于2 0 m h z 3 3 m h z 的4 8 6 年代，中央处理器的飞速发展 是p c i 永远都追赶不上的。后来人们采用分频的方法束设定p c i 的频率，p c i3 2 的标准速度是3 3 m h z ，p c i6 4 的标准速度是6 6 m h z 。如果高于额定频率会导致 数据传输出错，超频将影响系统的稳定性。3 2 位p c i 总线采用1 2 4 针连接器， 6 4 位p c i 用1 8 8 针连接器。p c i 总线产品开发有丰富的硬件资源可供选择：p c i 设备驱动开发在常见平台下有较好的软件包支持。例如d o s 下可直接调用 p c i b i o s 函，w i n d o w s 下有非常好的开发辅助软件包，而l i n u x 直接提供类似r p c i b i o s 的函数可供开发者调用。 p c i 总线接口设计可以采用专用p c i 接口芯片，也可以采用e p l d f p g a 自 主设计。 武汉理l 、人学硕 学位论文 2 3 - 3v m e 总线分析 v m e 为英文v e r s a b u s m o d u l a r e u r oc a r d 的缩写，中译文为v e r s a 总线模块 欧式卡。v m e 总线是一种开放式系统结构，它主要是为微型计算机系统制定的， 其实是由m o t o r o l a 公司制定的v e r s ab u s ( 逻辑、电气特性) 和欧洲的e u r oc a r d 标 准( 机械特性) 构成的。v e r s a b u s 总线是m o t o r o l a 公司于1 9 7 9 年针对其6 8 0 0 0 微 处理器定义的，因此v m e 总线接口在电气和逻辑上类似于6 8 0 0 0 微处理器。 v m e 总线的丌放性及其优良的机械特性，赢得了j 。泛市场。众多j 商开发 h 了用于工业控制、远程通讯和仪器仪表等领域的成千上万种v m e 总线插件产 品。v - m e 总线支持多处理器系统，地址总线3 2 位，数据总线3 2 位( 最高6 4 位) 。 能处理7 级中断，具有总线仲裁能力。v m e 数据传输总线为高速异步并行的， 理论t 数据传输速率可达4 0 m b y t e s s 。实际为2 0 m b y t e s s 左右。v m e 规范允诩： 最多可容纳2 1 块插件。v m e 总线插件分为：a 型1 0 0 1 6 0 m m ( 单高) ，b 型2 3 3 x 1 6 0 m m ( 双高1 。a 型的9 6 根引脚连接器称p 1 连接器，p l 由3 列3 2 根引脚构 成。b 型带有个p 1 和p 2 连接器，p 2 的引脚和外形与p l 相同。主要总线分布 如下： a ) p 1 ：2 4 位地址线a 1 a 2 3 。1 6 位数据线d 0 0 d 1 5 。地址修改码a m 0 - - a m 5 。 握手、仲裁、中断和电源( + 5 、+ 1 2 v ) 等信号。 b 1p 2 ：地址线a 2 4 a 3 1 。数据线d 1 6 d 3 l 等等。 2 4 数字信号处理器技术 数字信号处理器可以通过软件修改处理参数，因此具有很大的灵活性。山 于数字电路采用了二值逻辑，因此只要环境温度、电路噪声的变化不造成电路 逻辑的翻转，数字电路的工作都可以不受影响地完成，具有很好的稳定性。因 此，数字信号处理器已经成为信号处理技术的主流口】。 数字信号处理器的主要缺点是处理量随处理精度、信息量的增加而成倍增 长，解决这一问题的方法是研究高速运行的数字信号处理器系统。 高速实时数字信号处理器特点【8 】： 1 高速实时数字信号处理器的特点首先是高速度，其处理速度可以达到数 百兆量级。 2 大电流，高速信号处理器芯片的电流经常在l a 以上。 武汉理t ：人学硕卜学位论文 3 低电压，这是为了在大电流下减小系统功耗，系统的工作电压从标准的 5 v 到3 3 v 、2 5 v 、1 8 v 甚至o 9 v 。 4 高度集成，芯片的集成度在数t - n 数百万门量级。 5 ，为了提高运行速度而采用了多种并行的体系结构( 如哈佛结构) 【9 l 。 鉴于以上特点，高速实时信号处理器系统的实现中，首先要采用先进设计 软件来保证系统设计的正确性，其主要特征就是采用电子设计自动化( e d a ) 软件 进行优化设计。 其次，可以采用专用集成电路( a s i c ) 技术减小体积，提高集成度。而在样机 阶段，则通常采用可编程逻辑器件( c p l d ) 或现场可编程门阵g j ( f p g a ) 来减小风 险。 第三，要研究高速度、低电平器件的特点和使用。 第四，要研究并行体系结构的设计和选择问题。 2 5 伺服控制技术 2 5 1b 样条原理 曲线曲面的加工，即复杂形状、复杂线形的加工，一直是数控和c a d c a m 技术的主要应用和研究对象。这类零件制造难度大，常规方法一般很难或无法 完成，但是数控加工为其提供了可能。然而，曲线曲面加工中的庞大零件程序， 是c a d c a m 应用中急需解决的“瓶颈”问题。 目前世界上最流行的描述形状的数学方法b 样条曲线的插补算法。以实 际加工为目的进行程序的编制。把目前c n c 在曲线加工中仅有的离散点的加l ： 能力，提高到对刀具连续运动轨迹的控制。这种插补方法非常有效地解决了甘 前c a d c a m 技术中的“瓶颈”问题。 采用微小直线段来逼近复杂零件轮廓，为了保证精度要求，每段n c 代码定 义的位移会很小，因而n c 代码文件会变得很长，这会严重影响加工速度，即人 们经常说的“牺牲速度获得精度”。很明显，这与所期望的高效、高速加工有 了难以解决的冲突。为了同时获得较高的速度和精度，可以引入复杂曲线( 如b 样条曲线等) 插补功能，直接输入到c n c 系统来形成数控插补路线，或用这种灵 活性更高、适应性更强的曲线来逼近各种复杂曲线。c n c 系统中的插补单元能 够根据插补软件所做出的指示，精确、平滑地加工出零件的外形轮廓。 武汉理r 大。7 - 硕士学位论文 一般情况下，由于采用曲线的直接插补或通过曲线逼近的方法进行插补， 所以这种方法的加工速度要快得多，加工出来的曲线也更加平滑，而且其n c 代 码文件的长度不会超过原来用微小直线段方法的1 1 0 。用这种方法之所以可以 使用更快的进给速度，主要是因为：( 1 ) c n c 系统的代码处理速度提高了；( 2 ) 同 一进给脉冲的情况下，加工误差减少一半以上：( 3 ) 计算机数控系统在整个零件 加工过程中，具有更加智能和动态地调节编程进给速度的能力。 “j 于在相同精度的条件下，一段复杂曲线段比一段直线段能描述更长的零 件轮廓，这就是当用复杂曲线拟和零件轮廓时，零件的n c 代码明显减少的原因。 b 样条最常见的表示特征参数莫过于( n + 1 1 控制点：d 0 ，d 1 ，d 2 ，d n ， 或者可以表示为d i ，i = o ，i ，2 ，n 。k 次准均匀b 样条曲线的节点矢量中， 两端点具有重复度( k + 1 ) ，其他所有内节点成均匀分布。在曲线定义域内，除两 端( k - 1 ) 各节点区间外，k 次准均匀b 样条在其他节点区间上有着相同的图形。 此处必须作一个声明：由于本算法的软件设计是面对实际加工的，所以在 编制程序时，没有考虑在b 样条的定义域内控制点过少时的情况。因为在控制 点过少时，即定义域内节点数少于2 ( k 1 ) 个，具有重复度( k + 1 ) 的两端节点对所有 区间上的b 样条基的影响将交织在一起，从而使计算和编程工作加了许多倍， 在根本上违反了作者设计这个算法的初衷【5 ”。 在曲线定义域内，除两端各0 ( 一1 ) 节点区间之外，由其他节点矢量决定的k 次b 样条基成均匀分布，这之中各个节点区间都有相同的图形，它们之中任何 一个节点区间上的图形都可由其他节点的b 样条基经过平移得到。基于这个性 质，可将定义在每一个节点区间上的b 样条基用同一形式表示出来： 对于任意一个节点区间，u u i ，u i + 1 ，i = k ，k + l ，1 1 ，只需要作简单 的变量代换，u - - u ( t ) = u i + t 或h ( u ) = u u i 就可以使所有节点区间上的b 样条都具 有统一的数学表达式，即对于节点区间 u i ，u i + 1 上( k + 1 ) 个非零的规范b 样条 n i k ，k ( u ) ，n i k + l ，k ( u ) ，n i ，k ( u ) 变换后成为统一的表达式f k ，j ( t ) = n i - k + j ( u ( t ) ) ， t 0 ，l 】，j = o ，1 ，k 由c l a r k 方法可以推导得到如下易于理解和进行计算 的矩阵形式。 目前许多先进的c a d c a m 系统都采用了b 样条曲线。其特点是，可用统 一的数学形式精确表示分析曲线( 如直线，圆锥曲线等) 和自由曲线( 如均匀b 样 条曲线等) ，因而便于用统一的数据库管理、存储，程序量可以大人减少；非均 武汉理1 大学硕 ：学位沦文 匀b 样条曲线定义中的权因子使外形设计更加灵活方便，设计人员通过调整具 有直观儿何意义的点、线、面元素即可达到预期的效果。 2 5 2p i d 控制原理 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制， 简称p i d 控制，又称p i d 调节。p i d 控制器问世至今已有近7 0 年历史，它以其 结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得刁i 到精确的数学模型时，控制理 论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试 来确定，这时应用p i d 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被 控对象，或者不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用p i d 控制 技术。p i d 控制，实际中也有p i 和p d 控制。p i d 控制器就是根据系统的误差， 利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 p i d 自动控制原理如图2 - 1 所示： 给 图2 1p i d 自动控制原理 比例( p r o p o a i o n ) 控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比 例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差( s t e a d y - s t a t ee r r o r ) 。 积分( i n t e g r a l ) 控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成j f 比关系。对个 自动控制系统，如采在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态 误差的或简称有差系统( s y s t e mw i t hs t e a d y s t a t ee r r o r ) 。为了消除稳态误差，在 控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增 加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大， 它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+ 积 武汉理i ：人学颁十学位论文 分( p i ) 控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分( d i f f e r e n t i a l ) 控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分( 即误差的变化率) 成i e 比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其 原因是由于存在有较大惯性组件( 环节) 或有滞后( d e l a y ) 组件，具有抑制误筹的作 用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超 前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中 仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前 需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+ 微分的 控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了 被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+ 微分( p d ) 控制 器能改善系统在调节过程中的动态特性。 p i d 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特 性确定p i d 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。p i d 控制器参数整 定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统 的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必 可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它丰 要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在 工程实际中被广泛采用。p i d 控制器参数的工程整定方法，主要有l 临界比例法、 反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按 照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制 器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比 例法。利用该方法进行p i d 控制器参数的整定步骤如下： 1 ) 首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作； 2 ) 仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记f 这时的比例放大系数和临界振荡周期： 3 ) 在一定的控制度下通过公式计算得到p 1 d 控制器的参数。 进行p