FPGAPCI接口运动控制卡研究()

1、四川大学硕士学位论文题目基于FPGA的PCI接口运动控制卡的研究作者 覃 琴 完成日期2006年5月20日培养单位四 川 大 学指导老师雷勇副教授专业控制理论与控制工程研究方向计算机控制与管理授予学位日期 年 月 日基于PCI的嵌入式运动控制系统的研究控制理论与控制工程专业研究生覃琴指导教师雷勇制造业是一个国家工业的基础，而制造技术又是制造业的技术支柱，制造 业水平的高低是衡量一个国家工业发达程度的重要标志。以传统机电工业为代 表的制造业，正经历着深刻的变革。在这场革命中，大力发展先进的制造技术 已成为各国最重要的几大技术战略之一，先进制造技术已经是国际竞争与产品 革新的一种重要手段。数控技术

2、是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制 的技术，是先进制造技术的基础，是发展新兴高新技术产业和尖端工业的最基 本的装备，是制造业现代化的重要基础，这个基础牢固与否将直接影响到国家 的经济发展和综合国力，关系到国家的战略地位。运动控制器是以中央逻辑单元为核心， 以传感器为信号敏感元件，以电机/ 动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。对于数控系统来说，最重要 的是控制各个电机轴的运动，这是运动控制器接收并依照数控装置的指令来控 制各个电机轴运动从而实现数控加工的，数据加工中的定位控制精度、速度调 节的性能等重要指标都与运动控制器直接相关。目前对数控系统的研究都集中 在插入PC的NC控制器的

3、研究上，而其核心部分就是对步进、伺服电机进行控 制的运动控制卡的研究。对 PC-NC来说，运动控制卡的性能很大程度上决定了 整个数控系统的性能，而微电子和数字信号处理技术的发展及其应用，使运动 控制卡的性能得到了不断改进，集成度和可靠性大大提高。本课题通过对运动控制技术的深入研究，并针对国内运动控制技术的研究 起步较晚的现状，结合当前嵌入式领域的具体需要，紧跟当前运动控制技术研 究的发展趋势，吸收了数控技术和相关运动控制技术的最新成果，提出了基于 PCI和FPGA勺方案，研制了一款比较新颖的、功能强大的、具有很大柔性的 四轴多功能运动控制卡。本课题的具体研究主要有以下几方面：首先，通过对运动控

4、制卡及嵌入式系统等行业现状的全面调研，和对运动 控制技术的深入学习，在比较了几种常用的运动控制方案的基础上，提出了基 于FPGA的运动控制设计方案，并规划了板卡的总体设计。其次，根据总体设计，规划了板卡的结构，详细划分并实现了 FPGA各部分 的功能；利用光电隔离原理设计了数字输入 /输出电路。再次，利用FPGA勺资源实现了 PCI从设备接口，达到跟控制卡通信的目的， 针对运动控制中的一些具体问题，如运动平稳性、实时控制以及多轴联动等， 在FPGAk设计了四轴运动控制电路，定义了各个寄存器的具体功能，设计了功 能齐全的加/减速控制电路、变频分配电路、倍频分频电路和三个功能各异的计 数器电路等，

5、自动降速点运动、A/B相编码器倍频计数电路等特殊功能。最后，进行了本运动控制卡的测试，实现了全数字测速在本运动控制卡中 的应用，从测试和应用结果来看，该卡达到预期的要求。关键词：PCI数控 运动控制卡 FPGAThe Research of Moti on Con trol BoardBased on FPGACan didate : QinQin Supervisor : Lei YongMoti on Con troller (MC) is a con trol device that regards its cen tral logic un it as the core, sen so

6、r as the sen sitive comp onent, and electromotor or executive unit as the con trolled object.MC is very importa nt in the ONCS, because it is the most importa nt to con trol the moveme nt of the motor of each axis in the NC system and the precisi on of positi on con trol and performa nee of velocity

7、 adjust ing are directly related to MC. In the prese nt, all of the researchesof ONCS focus on that of the PC-basedNC control device, whose key is the research of Motion Control Board (MCB) which is used to con trol stepp ing or servo motor. To PC-NC, i n some degree, the performanee of MCB decides

8、thatof the whole NC system, further more, the developme nt and applicati on of tech no logy of macroelectr onics and Digital Signal Process ing con ti nu ously improve the performa nee of MCB and greatly in crease the level of in tegrati on and depe ndability.During the research,through the overall

9、survey of ONCS and deep study of Motio n Con trol Tech no logy (MCT), facing the beh in dha nd actualityof research of domesticMCT, to meet the practicalrequireme nts of the laser carv ing field, followi ng the developing trend of the present MCT, drawing on the new production of the prese nt ONCS a

10、nd relati ng MCT, bringing forward the soluti on based on FPGA, we have developed a four-axis multif unctional MCB which is very orig in al, powerful and flexible.In the paper, there are the followi ng majorco nten ts:Firstly, through the overall survey of ONCS, embedded system and MCB, and deep stu

11、dy of MCT,after compari ngthe com mon soluti ons ofmoti on con trol, we brought forward thesolution of motion controlbased on FPGA, and made out the whole desig n solutio n of board.Secon dly, accord ing to the whole desig n solutio n, we figured out the whole architecture of board, and plotted out

12、and implemented the respective function of FPGA in detail. Further more, we desig ned digital in put/output circuit accordi ng to the principle of photoelectricityisolation, four-channel analog output circuit by the priciple of DAC and put forward effective anti-jammingmeasuresin allusion to com mon

13、 jam ming phe nomena.Thirdl y, in allusi on to some prcatical problems in the moti on con trol, such as high speed, high precision, motionstabilization, real-time control and muti-axis con touri ng con trol, etc, we desig ned a four-axis MCB in the FPGA.We defi ned the fun cti ons of all of the regi

14、sters in detail, desig ned perfect Accelerati on/ Decelerati on Control Circuit, Variable Frequency Divider Circuit, Multiplication Factor FrequencyDivider Circuit and three different counter circuits, achieved special fun cti ons of the S-curve Accelerati on/ Decelerati on Con trol, Ramp in g-dow n

15、 Poi nt Coun ter & Calculati on Circuit and A/B en coder multi-freque ncy circuit, etc.Fin ally, we made out the test of board and came true the applicati on of full-digital measure on the board. The motio n con trol board met an ticipative dema nd accord ing to the result of test and applicati on.K

16、eywords: FPGA, NumericalCo ntrol, Motion Con trol Board PCI1绪论01.1开放式数控及其发展01.1.1开放式数控系统的基本特征11.1.2国内外数控系统技术的发展11.1.3现代数控技术的发展趋势31.2运动控制器及其研究现状41.2.1运动控制器的特点及发展现状 41.2.2常见运动控制系统上位控制方案 51.2.3基于PC机的运动控制卡常见解决方案61.2.4 基于单FPGA的方案91.3本课题的意义及论文的主要内容102系统总体方案设计112.1运动系统的控制技术112.1.1连续运动轨迹插补原理112.1.2位置控制技术122

17、.2基于PCI的运动控制卡142.2.1嵌入式系统概念143运动控制卡硬件设计153.1可编程逻辑器件简介15MPC07吉构示意图16MPC07专接卡结构示意图17功能模块分析17模块117模块2173.4外围电路设计183.4.1光电隔离原理183.4.2数字I/O信号的接线方法18可编程器件的程序设计20程序（或功能）模块1 （PCI模块）23 功能说明23流程图（C等）/方框图（FPGA 24 PCI接口配置空间的实现284基于FPGA的运动控制模块（MCM）294.1 MCM总体结构29 4.2寄存器模块324.2.1 寄存器寻址324.2.2参数寄存器324.2.3命令和状态缓冲器3

18、44.3速度模式模块384.3.1倍率因子参数394.3.2 脉冲频率 Fl、Fh1、Fh2394.3.3加速、减速参数寄存器 R4 R5404.3.4 S-曲线加速部分寄存器R14404.3.5 S-曲线减速部分寄存器 R15404.3.6加/减速时间414.3.7自动降速点414.4输出脉冲产生电路模块444.4.1 加/减速控制电路454.4.2变频分配电路474.4.3倍率分频电路484.5编码器模块设计484.6计数器模块电路504.6.1预置计数器504.6.2自动降速点计数器504.6.3当前位置计数器514.7操作模式模块524.7.1连续模式534.7.2预置模式544.7.

19、3 回零模式5456585基于PCI的嵌入式运动控制卡的系统测试5.1 PCI与CPLD的数据交换565.1.1运动控制芯片内的地址空间 565.1.2 PC机对寄存器的读写操作575.2 CPLD与FPGA的数据交换585.2.1 FPGA内运动控制模块的内部寄存器5.2.2运动控制函数库595.2.3运动控制卡功能测试625.3全数字转速测量在本卡中的实现635.3.1 前言 635.3.2 M/T转速测量法工作原理645.3.3全数字转速测量电路655.3.4运行结果与误差分析676全文总结与展望676.1全文总结676.2研究展望68参考文献69声明致谢1绪论制造业是国民经济的基础产业

20、，其水平高低是衡量一个国家工业发达程度 的重要标志1。大力发展先进的制造技术已成为世界各国最重要的几大技术战 略之一。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是发 展新兴高新技术产业和尖端工业的最基本的装备，是制造业现代化的重要基础 。要发展先进制造技术，首先必须重视制造单元技术（数控技术、加工单元、 柔性制造单元等）。计算机数控技术（Computer Numerical Control ，简称 CNC集传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术、传感检 测技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电于一体，是现 代制造技术的基础。它的广泛使用给机械制造业

21、生产方式、产业结构、管理方 式带来深刻的变化。数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基 础，现代CAD/CAMFMS CIMS等也都是以数控技术为基础。 因此数控技术水平 的高低已成为衡量一个国家工业自动化的重要标志。数控系统是数控技术的核心，也是数控发展的关键技术，其功能强弱、性 能优劣直接影响着数控设备的加工质量和效能发挥，对整个制造系统的集成控 制、高效运行、更新发展都具有至关重要的影响3-4。因此，数控系统技术不仅 作为数控发展的先导技术，而且作为制造业的基础性战略技术，越来越受到世 界各国的重视和发展。1.1开放式数控及其发展数字控制技术呵（Numerical Contro

22、l ，简称NC，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。 数控系统（Numerical Control System ）是一种控制系统，它能自动完成信息 的输入、译码、运算，从而控制机床的运动和加工过程。数控系统一般包括数 控装置、可编程控制器（Programmable Logic Controller，简称 PLC、伺服驱动系统及进给装置等部分。数控装置是数控机床的核心，它完成信息的输入、 存储、变换、插补运算以及实现各种控制功能。伺服系统及进给装置接收数控 装置的指令，驱动机床执行机构运动。1. 1.1开放式数控系统的基本特征根据国际电气

23、和电子工程师协会（IEE E）关于开放式系统的定义：能够在 多种不同的平台上运行，可以和其他系统的应用互操作，并能给用户提供一种 一致风格的交互方式。开放式体系结构普遍采用模块化、层次化的结构，并通 过各种形式向外提供统一的应用程序接口，具有可移植性、可扩展性、互操作 性和可缩放性等特点，即系统组成的内部开放化和系统组成各部件之间的开放 化。开放式系统具有以下基本特征：1. 开放性。提供标准化环境的基础平台，允许不同功能和不同开发商的软 硬件模块介入。2. 可互操作性。通过提供标准化接口、通信和交互机制，使不同的功能模 块与标准的应用程序接口运行于系统平台之上，并获得平等的相互操作能力， 协调

24、工作。3. 可移植性。系统的功能软件与设备无关，即应用统一的数据格式、交互 模型、控制机理，使构成系统的各个功能模块可来源于不同的开发商提供的硬 件平台之上。4. 可扩展性。CNC系统的功能、模块可以灵活设置，方便修改，既可以增 加硬件或软件构成功能更强的系统，也可以裁减其功能以适应低端应用。5. 可互换性。不同性能、不同可靠性和不同能力的功能模块可以相互替代， 而不影响系统的协调运行。1.1.2国内外数控系统技术的发展数控技术从一诞生起就同其它技术紧密联系在一起，是机械、微电子、自 动控制、计算机信息等技术交叉应用的产物。随着计算机技术，特别是微电子 技术的发展，数控技术无论在硬件或软件方面

25、发展都很快，数控系统已经历了 四个发展阶段6-9:1. 1956年1974年，专用硬件NC时代这一阶段的数控系统，各种控制功能均由硬件逻辑完成，成为“硬件”数 控，其功能简单，灵活性差，设计周期长，系统可靠性低，因而限制了其进一步发展和应用。2. 1975年1989年，专用计算机数控时代，即微处理器 NC时代70年代末、80年代初，随着超大规模集成电路、大容量存储器、CRT的普及应用，CNC系统得到进一步发展。它虽然仍以微处理器为基础，但控制功能 更为完备，具备了多功能的技术特征，尤其在软件技术方面发展更快，具有了 交互式对话编程，三维图形动显示/校验，实时软件精度补偿等功能。在系统体 系结构

26、上，开始出现了柔性化、模块化的多处理机结构。数控系统产品也逐步 实现了标准化、系列化。3. 1990年1995年，高速高精度CNC的开发与应用阶段32位CPU以其很强的数据处理能力在 CNC中得到了应用，使CNC系统进入 了面向高速、高精度的CNC勺开发与应用阶段。总结上述数控系统的三个发展历程，NC 装置存在着以下局限性：1）不能自由地从信息网上选取信息；2）体系结构不开放，用户接口不完善，机械厂家和用户不能自主地根据需 要对数控系统进行裁剪，用户自身的技术诀窍不能方便地融入，创造出自己的 名牌产品；3）不能充分地利用已有的通用软件资源；4）不能自由地获取外部的工况信息；5）体系结构繁多，不

27、利于批量生产、提高可靠性和降低成本，削弱了市场 供应能力和竞争能力，同时限制了数控技术的发展。4. 1996年至今，开始全PC开放式智能化数控新阶段数控系统进入基于PC的CN係统阶段。PC的引入，不仅为CNC提供十分 坚实的硬件资源和极其丰富的软件资源，更为CNC勺开放式提供了基础12-14。与国际先进水平相比，我国国内的数控技术和产业经过 40多年的发展，从 无到有，从引进消化到拥有自己独立的自主版权，取得了相当大的进步。但回 顾这几十年的发展，可以看到我国在数控领域的进步主要还是按国外一些模式， 按部就班地发展，真正创新的成分不多。1.1.3现代数控技术的发展趋势为更好满足市场和科学技术发

28、展的需要，满足现代制造技术对数控技术提出的要求，当今数控技术呈现新的发展趋势，主要体现在以下几个方面：1. 加工控制的高速化、高精度化15加工速度和加工精度可靠性是衡量 CNC系统性能的主要指标。当今先进的 CNC系统都已完成了由16位处理器向32位微处理器的过渡，大大提高了 CNC 的数据处理能力和程序执行速度。不少系统通过配置多微处理器实现分散处理， 采用实时多任务操作系统进行并行处理的措施，进一步提高系统的数据处理速 度，为高速高精度加工控制指标的实现创造了必要的条件，使得高速进给运动 控制中的自适应平滑升降速控制、自由曲线加工的内部矢量精插补等复杂算法 得以实现，系统的控制指标大幅度提

29、高。2. 智能化、开放化、网络化、柔性化和集成化1）智能化15运用体现在数控系统中以下几个方面：I. 为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成；II. 为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈控制、电机 参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；III. 简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等；IV. 智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修等。2）数控系统体系结构开放性16-17主要是为了满足数控进线、联网、普及型 个性化，多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求。3）柔性化和集成化柔性化技术的重点是

30、以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和 集成为目标，注重加强单兀技术的开拓、完善，使CNC单机易于向咼精度、咼速度和高柔性方向发展，使数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CADCAM CAPP MTS联网，向信息集成方向发展。1.2运动控制器及其研究现状1.2.1运动控制器的特点及发展现状运动控制器是以微处理器为核心， 以传感器为信号敏感元件，以电机/动力 装置和执行机构为运动控制对象，以实现预定运动轨迹目标的一种控制装置。 随着自动化技术的进一步发展，运动控制器（步进、交流、直流）的应用已走 出机械加工行业，越来越多地应用于其它工业自动化设备控制。主要数控技术 的发展趋势就是采用“

31、PC+运动控制器”的开放式数控系统，它不仅具有信息处 理能力强、开放程度高、运动轨迹控制精确、通用性好等特点，而且还从很大 程度上提高了现有加工制造的精度、柔性和应付市场需求的能力。与传统的数控装置相比，运动控制器具有以下特点：1. 技术更新，功能更加强大，可以实现多种运动轨迹的控制，是传统数控 装置的换代产品；2. 结构形式模块化，可以方便地相互组合，建立适用不同场合、不同功能 需求的控制系统；3. 操作简单，在PC机上经简单编程即可实现运动控制，而不一定需要专 门的数控软件。以运动控制器作为独立的标准部件可以明显缩短新产品的研制开发周期，有利于使用者创造自己的品牌产品。目前，由于以DSP为

32、代表的高速、高性能专用微处理器的出现和 PC机的广泛普及，开放式运动控制器的发展趋势是以 DSP芯片作运动控制处理器，以PC机作为信息处理平台，运动控制器以插卡形 式嵌入PC机，即“PC-运动控制器”的模式。这样将PC机的信息处理能力和开 放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合在一起，具有信息处 理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点。1. 国外广大的科技人员对基于 DSP的运动控制器进行了深入研究，并取得 了较好的成绩，主要研究成果7-14有美国Delta Tau公司、NI （美国国家仪器） 和德国MOVTE公司的各种运动控制卡，其中，美国 Delta Tau公司

33、开发出基于 DSP的 PMAC1动控制卡，可完成插补运算，伺服控制，PLC控制等实时控制功 能。具有S曲线加/减速功能，可以实现直线、圆弧、螺旋线等多种插补方式， 提供全新的高性能数字控制技术和 WINDOWS台，并且可以方便地加入系统的 硬件和软件，能够根据实际需要扩展功能，满足用户在自动控制各领域中的应 用。PMAC可同时控制18根轴，每秒可执行500个程序段，得到较为广泛的 应用。2. 国内针对运动控制器的研究从近几年开始开展的比较多，但目前没有专门用于开放式体系结构的运动控制器，从现有的文献来看主要是各个高校或科 研院所为自己设计的基于 PC的数控系统的运动控制卡，并没有形成一种通用

34、的、系列化供应于市场的产品。1.2.2常见运动控制系统上位控制方案运动控制器是控制技术和运动系统相结合的产物。在现代电子技术的支持 下，它通常以微处理器为核心，综合软件编程、运动轨迹设计、控制算法分析、 各运动部件的实时驱动等功能，达到总体运动控制效果。在运动控制中，运动 控制器还需对具体的运动速度、加速度、位置误差等进行实时监控，并对相关 情况等作出反应。运动控制器是从主机接收控制指令，从位置传感器接收位置信息，向伺服 电机功率驱动电路输出运动指令。对于伺服电机位置闭环系统来说，它们主要 是完成了位置环作用，可称为数字伺服运动控制器，适用于一切交直流和步进 电机的闭环控制。专用控制器的使用可

35、把主机的轨迹插补与伺服闭环控制分离开来，减少了 主机计算负担，且所有控制参数都可以由程序设定，系统硬件设计简单，位置 环容易调整，有利于提高系统可靠性。运动控制系统的上位控制方案一般有以下几种18:1. 单片机系统采用单片机系统来实现运动控制，成本较低，但开发难度较大，周期长。 这种方案适应于产品批量较大、控制系统功能简单、有单片机开发经验的用户。2. 专业运动控制PLC许多品牌的PLC都可选配定位控制模块，有些 PLC的CPU单元本身就具有 运动控制功能（如松下FPC）。这种方案一般适用于运动过程比较简单、运动轨 迹固定的设备，如送料系统、自动焊机等。如果需要简单修改少量运动参数， 如速度、

36、位移等，可与工业人机界面配合使用。3. PC机和I/O卡用I/O卡通过PC机也可以输出脉冲和方向信号来控制步进或数字式伺服电 机，但所发的脉冲只能由软件编程来实现，所以在运动时发脉冲将占用PC机CPU大量的时间；另外，软件发脉冲受到微机定时器的限制，最大脉冲频率一 般在100KHZ左右，在控制伺服电机时会有速度和精度的矛盾问题；再者，在 Win dows环境下由于其多任务的机制，若没有深入 Win dows内核进行底层编程 来发脉冲，几乎不可能保证脉冲的均匀性。4. PC机和专业运动控制卡这种方案随着PC机的普及使用越来越多，将是运动控制系统的一个主要的 发展趋势。这种方案可充分的利用计算机资

37、源，可用于运动过程、运动轨迹都 比较复杂，而且柔性要求高的设备。在这种方案中，运动控制卡只需要从微机 接收控制命令，然后自己完成与运动有关的控制：发脉冲/方向信号、检测限位 /原点等信号，几乎不占用微机CPU寸间。这样微机可处理其它控制和检测任务： 检测其它状态、处理键盘和显示消息、数据分析和计算等。大多数专用运动控 制卡都提供了 Windows环境下的动态链接库，使用非常方便，不仅大大缩短产 品研制和开发周期，而且能够实现更完善的运动控制系统。1.2.3基于PC机的运动控制卡常见解决方案从用户使用的角度来看，基于PC机的运动控制卡主要是功能上的差别： 硬 件接口（输入/输出信号的种类、性能）

38、和软件接口（运动控制函数库的功能函 数）。根据运动控制卡的主控芯片，一般有以下几种方案：1. 基于大规模集成电路，如 8253、8254,利用其内部的计数器功能，可 通过编码器改变其脉冲输出频率和脉冲输出数，实现步进电机的速度和位置控 制。其硬件组成如图1.1 O图1.1基于8254的步进电机控制卡硬件组成框图2. 基于单片机，如8031、8098，这种方案比第一种要灵活的多，可通过硬件实现许多功能。以单片机为主控芯片，成本较低，外围电路较为复杂，要 加上存储器、编码器信号处理及 D/A转换电路等，其控制算法有事先编好的程 序固化在存储器中。该方案采用在程序中靠延时来控制发脉冲，脉冲波形的质

39、量和频率都受到限制，所以一般用于步进电机控制。图1.2 是基于 80C196的交 流伺服电机控制卡的硬件结构框图19 OISA总线图1.2基于80C196的交流伺服电机控制卡硬件结构框图图1.3步进电机控制卡硬件组成框图3. 基于专用运动控制芯片。该方案是将实现电机控制所需的各种逻辑功能 做在一块专用集成电路内，并提供一些专用的控制指令，同时具有一些诸如限 位、零位开关处理、电机使能、报警等必须的辅助功能，使用户的软件设计工 作都减少到最小程度。集成度高，可靠性、实时性等较好；输出脉冲频率可达 到几兆赫兹，能够满足对步进电机和数字式伺服电机的控制。其硬件组成如图 1.3。4. 基于数字信号处理

40、器(DSP型。90年代以来，数字信号处理器(DSP在运动控制中得到越来越广泛的应用，这主要是因为它的高速运算使得很多复 杂的控制算法和功能得以实现，而且集成度高，可以实现高精度多轴伺服控制。 成都步进机电有限公司研制的基于数字信号处理器(DSP和现场可编程门阵列(FPGA器件的MPCO型的运动控制卡，其速度高、性能好、精度高和平稳性 好等优点在激光雕刻行业得到广泛应用。其硬件组成如图1.4 。口接线占总XCPCI总线控制器(PCI_DP)线总部n局FPGASRAMFlashfl 11 11普通光耦高速光耦高速光耦匚外部机械信号输入编码器反馈信号输出脉冲方向信号图1.4基于DSP和FPGA控制卡

41、硬件组成框图1.2.4基于单FPGA的方案通过运动控制卡的上位控制方案和常见基于PC的运动控制卡的用分析，它们基本具备以下特点：1、采用专用芯片，价格昂贵2、采用多块芯片，通信复杂基于上述的分析，本论文，设计一款基于FPGA实现运动控制功能的四轴运 动控制卡。由于PCI总线解决了上述因素带来的局限性，因此本论文对嵌入式 运动控制技术的发展具有一定的推动作用。1.3本课题的意义及论文的主要内容本课题通过对开放式数控技术的全面调研和对运动控制技术的深入研究， 并针对国内运动控制技术研究起步较晚的现状，结合电机控制应用领域的具体 需要，紧跟当前运动控制技术的发展趋势，吸收了世界开放式数控技术和相关

42、运动控制技术的最新成果，通过 PCI总线并基于CPLD(Complex Programmable Logic Device)和 FPGA(Field Programmable Gate Array) 相结合的方案，研制 了一款比较新颖的、功能强大的、具有很大柔性的四轴多功能运动控制卡。通过本课题全面深入的研究，提供了一套符合开放式数控系统要求的、采 用PCI总线和基于FPGA勺开放式运动控制的方案，为小型机械控制的工业现场 提供了更新更优的控制方案，这必将为嵌入式控制系统的研究与开发提供有价 值的参考与借鉴，对我国开放式数控系统的发展与应用起到推动作用。本论文主要内容如下：1. 对上位控制、运

43、动控制卡及其行业现状进行全面调研和深入研究。2. 在对运动系统的控制技术深入学习的基础上， 比较几种常用的运动控制 方案，确定采用基于FPGA的PCI总线运动控制的设计方案，并规划板卡的总 体结构。3. 基于总体结构设计控制卡的硬件电路。针对不同的情况和需要设计外围 电路。根据光电隔离原理设计数字输入/输出电路；结合DAC原理设计四路模拟 输出电路，以及设计PCI接口电路。4. 基于FPGA设计功能相互独立的四轴运动控制电路，规划并定义各个寄存器的具体功能，设计加/减速控制电路、变频分配电路、倍频分频电路和三个 功能各异的计数器电路等，设计S-曲线升/降速运动、自动降速点运动、A/B 相编码器

44、倍频计数电路等。5. 对整个嵌入式运动控制系统进行系统测试。基于该卡设计全数字转速测 量电路以验证该卡设计的可行性。6. 最后总结研制过程中的得失，并展望数控的发展趋势。2系统总体方案设计2.1运动系统的控制技术在运动控制系统中，按机械运动的轨迹分类，可分为点位、直线、轮廓控 制等。点位控制(PositionControl)又称为点到点控制(Point to PointControl)，是一种从某个位置向另一位置移动时，不管中间的移动轨迹如何， 只要最后能到达目标位置的控制方式。这类控制在移动过程中，对两点间的移 动速度及运动轨迹没有严格要求，可以先沿一个坐标移动完毕，再沿另一个坐 标移动，也

45、可以沿多个坐标同时移动。直线控制(Strait Con trol)又称为平行控制(Parallel Con trol)，这类运动除了控制点到点的准确位置外，还要保证两点之间移动的轨迹是一条直线，而且对移动的速度也要进行控制。轮廓控制(Contouring Control)又称为连续轨迹控制(Continuous Path Control)，这类 运动能够对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制，因而 可以进行曲线或曲面的运动21。在运动控制系统中，按执行部件的类型分类可分为开环、半闭环和闭环伺 服系统。采用步进电机驱动的开环系统，没有位置反馈和校正系统，其位移精 度取决于步进电机

46、的步距角及传动机构的精度等。而闭环和半闭环伺服系统的 位移测量和位置比较环节，这样可以达到比开环系统更高的精度与运行速度21 C2.1.1连续运动轨迹插补原理连续运动轨迹是诸如数控机床、机器人等机械的一种典型运动方式，这种 控制在本质上属于伺服系统。插补是一个实时进行的数据密化的过程，不论是何种插补算法，运算原理 基本相同，其作用都是根据给定的信息进行数值计算，不断计算出参与运动的 各坐标轴的进给指令，然后分别驱动各自相应的执行部件产生协调运动，以使 被控部件按理想的路线与速度移动，由此，轨迹插补与坐标轴位置伺服控制是 运动控制系统的两个主要环节。插补运算是轨迹控制中最重要的计算任务，而插补计

47、算又必须是实时的， 即必须在有限的时间内完成计算任务。因此，除了要保证插补计算的精度外， 还要求算法简单，一般采用迭代算法，这样可以避免三角函数计算，同时减少 乘除及开方运算，它的运算精度直接影响运动系统的控制速度，而插补计算精 度又影响整个运动系统的精度，人们一直在努力探求计算速度快同时计算精度 又高的插补方法。目前普遍使用的插补算法分为两大类：基准脉冲插补和数据采样插补22基准脉冲插补又称脉冲增量插补或行程标量插补，其特点是每插补运算一 次，最多给每一运动坐标轴送出一个进给脉冲。每次插补结束，数控装置向每 一轴输出基准脉冲序列，每个脉冲代表其最小位移量，脉冲序列的频率代表运 动的速度，脉冲

48、的数量表示其位移量。基准脉冲插补适用于步进电机为驱动装 置的开环数控系统。数据采样插补又称为时间标量插补或数字增量插补。其特点是插补运算分 粗插补和精插补两步完成。它是在给定起点和终点的曲线之间插入若干等分点， 用若干条微小直线段来逼近给定的曲线。精插补是在粗插补算出的每一微小直 线段的长度基础上再作“数据点的密化”工作，相当于对直线的脉冲增量插补 数据采样插补方法适用于闭环、半闭环以及直流和交流伺服电机为驱动装置的 位置采样控制系统。2.1.2位置控制技术位置控制是常被称之为伺服控制系统的运动控制系统的基本功能，它要求 体现调速范围宽、负载特性硬、反应速度快、多轴联动响应一致等多方面的性 能

49、指标，其中的重要指标是跟追误差、定位精度及允许运动速度的高低等。因 此，研究与开发高性能驱动系统及位置控制系统，一直是研究数控机床与机器 人等的关键技术之一 21。位置控制系统又分为开环和闭环两种，开环控制系统一般用于精度及速度要求不高、成本低的场合。而在要求高精度、高速度的场合，则采用直流伺服 电机、交流伺服电机的闭环位置控制。位置控制的职能是精确地控制机械运动部件的坐标位置，例如数控计算机 将插补计算得出的各轴位移量送入位置控制单元，而对闭环位置控制系统（又 称为位置伺服系统）来说，位置控制单元根据位移量大小产生进给速度指令， 并接收位置反馈修正速度指令值，实现快速而准确的跟追位置指令的运

50、动。1. 步进电机运动系统的有关控制技术步进电机是一种增量运动的电磁执行元件，这种元件是将数字脉冲输入转 换为旋转或直线增量运动的一种装置，当采用适当的控制时，步进电机的输出 步数总是和输入指令的电脉冲相等，因此它可以作为开环位置系统工作。在增 量运动方面，步进电机可以用作具有迅速加速、减速和停机功能的起停运动控 制器。步进电机以具有转子惯量、无漂移和无累积误差为特征，而且其控制路线 经济简单，不需反馈编码器和相应的电子线路， 特别是近年来微机方面的发展, 使步进电机的控制性能大为改善，所以在很多位置和速度控制的应用中都是比 较理想的。步进电机运动系统主要是由步进控制器、功率放大器及步进电机组

51、成。纯 硬件的步进电机控制器由脉冲发生器、环形分配器、控制逻辑等组成。它的作 用就是能把代表转速的脉冲串分配给步进电机的各个绕组，让步进电机按既定 的方向和转速旋转。若采用微机技术，以软件与硬件相结合的方式改造上述步 进控制器，则不仅可在硬件上简化电路，降低成本，而且可靠性也会大为提高C2. 伺服电机运动系统的位置闭环控制采用伺服电机的闭环系统主要由执行元件（如交直流伺服电机、液压马达 等）、反馈检测元件、比较环节、驱动线路和机械运动机构五部分组成。其中， 比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统 的跟随误差，经驱动控制执行元件带动机械位移，直到跟随误差为零。根据比

52、 较环节组成的闭环位置控制方式，伺服系统也有多种形式。随着微处理器及控制技术的介入和完善，由硬件组成的比较环节将由软件 实现的位置控制环取代，即由模拟式向数字化方向过渡，以适应更高速度与精度的需要，而且系统中的电流环、速度环和位置环的反馈控制全部数字化，全 部伺服的控制模型均由高速微处理器及其控制软件进行实时处理，采样周期只 有零点几毫秒，米样前馈与反馈结合的复合控制可以实现咼精度和咼速度，近 年来又出现了学习控制这一智能型伺服控制，在周期性的高速度、高精度跟踪 中，几乎可以消除第一个周期以外的全部伺服误差，数字化的软件伺服是当今 的发展趋势。2.2基于PCI的运动控制卡根据我国加工业快速发展

53、的需要，发展符合中、低端数控设备需求的开放 式数控系统，有其广阔的市场前景。这类系统必须具有嵌入式特征和较低廉的 价格。因此，本论文提出一种基于 PCI的开放式数控系统解决方案。为此，有 必要先介绍一下嵌入式系统和嵌入式计算机及其应用。2.2.1嵌入式系统概念嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中，即系统 的应用软件与系统硬件一体化。具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等 特点。特别适合于要求实时的和多任务的体系。嵌入式系统通常是面向特定应 用的，它是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应 用相结合后的产物。在模块化设计出现以前，主要有两种嵌入式微机系统

54、的设计方法：基于芯 片和基于模块的设计方法。前者是指设计全部从芯片开始，它可以有针对性的 满足用户系统要求，产品成本也较低。但缺点是开发费用高，研发周期长，因 而满足不了当今竞争激烈的市场环境。后者是指用市场上销售的总线模块板来 组建自己的微机系统，它能大大缩短产品的开发周期，但产品往往成本高、体 积大、灵活性差，限制了其在嵌入式系统中的应用，如国内的STD总线工控机 随着芯片集成度的提高、功能的加强、价格的下降、PCB板制作工艺的改进、元器件封装和安装技术的发展，出现了模块化设计，并逐渐成为嵌入式微机系 统的设计趋势。所谓“模块”是指一种体积较小的多集成块组件，通常是一块 12906452m

55、m勺电路板，多个模块可以采用插针和插座的方式连接，也可以象安装集成块那样将模块插入用户专用底板上3运动控制卡硬件设计3.1可编程逻辑器件简介随着半导体技术、集成电路技术和计算机技术的发展，电子系统的设计方 法和设计手段发生了很大的变化，传统的设计方法逐渐退出历史舞台，而基于 EDA(Electro nics Design Automatio n)技术的芯片设计方法正成为电子系统设计的主流25。大规模可编程逻辑器件 CPLD(ComplexProgrammable Logic Device) 和FPGA是当今应用最广泛的两类可编程专用集成电路ASIC(ApplicationSpecified I

56、ntegrate Circuit)。电子设计工程师利用它可以在办公室或实验室里设计出所需要的专用集成电路，从而大大缩短了产品上市时间，降低了开 发成本。此外，可编程逻辑器件还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特 性，使得硬件的功能可以象软件一样通过编程来修改，这样就极大地提高了电 子系统设计的灵活性和通用性25。可编程逻辑器件，主要是指 CPLD和 FPGA由于以EEPROMSRAME FLASH 为基础，用户可以通过计算机对芯片进行编程，大大降低成本和缩短开发时间。FPGA1 一种将门阵列的通用结构与PLD的现场可编程特性结合于一体的新 型器件，可以实时地对外加或内置的 RAM或 EPRO编程，实时地改变器件功能， 实现现场可编程(基于EPROJM或在线重配置(基于RAM是科学实验、样机研 制、小批量生产的最佳选择西。电路设计师设计一个电路首先要确定电路(也可以用VHDL进行行为描述，然后做逻辑综合)，然后进行软件模拟及优化，以确认设计电路的功能和性能。 然而随着电路规模的不断增大和工作频率的提高，将会给电路引入很多分布参 数的影响，而这些影响很难用软件来反映，所以有必要做硬件仿真。FPGA就可以实现硬件仿真，将软件模拟后的线路经过处理后下载到FPGA设计者就可以直观地测试其逻辑功能及性能指标26。采用系统内可再编程的技术，使得系统内硬件的功能可以象软件一样被编 程