基于DSP的运动控制器控制系统设计_图文

1、五邑大学硕士学位论文基于DSP的运动控制器控制系统设计姓名：郝尚华申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：孔凡国20090415五邑大学硕士学位论文摘要开放式数控系统和高性能的运动控制器已成为当今数控技术的发展方向。运动控制器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。本文以基于公司的位定点芯片的运动控制器为研究对象，简单介绍了其硬件组成，并对该运动控制器的控制系统设计进行了详细阐述。论文的主要研究内容如下：通过分析国内外运动控制技术的发展现状，并结合开放式数控系统的最新研究成果，开发了基于的多轴运动控制器控制系统，实现多任务实时操作系统在的移植，采用了先进的

2、插补算法与位置控制算法。在运动控制器的硬件设计方面，设计了系统电源、时钟、复位、仿真接口、液晶驱动、键盘输入、存储器扩展、扩展等电路。构建了的通信电路。介绍了将实时嵌入式系统移植入控制器的实现方法，并提出了优化方法，从而提高了系统的可靠性、稳定性。在控制算法上，详细分析了位置常规控制算法的特点，采用了一种简单、收敛速度快的单神经元自适应控制算法。采用了基于三次样条曲线的实时恒速插补算法，在三次样条算法的基础上，详细阐述了运动控制系统中三次样条恒速插补算法的优越性，并用对算法进行了仿真实现。关键词：开放式数控系统；运动控制；三次样条曲线；插补；位置控制五邑大学硕士学位论文；一，弘：，：；本人声明

3、我声明，本论文及其研究工作由本人在导师指导下独立完成，完成论文所用的一切资料均已在参考文献中列出。作者：郝尚华签字：匆平移宇签字：郝膨绎年月日五邑大学硕士学位论文第一章绪论课题来源本项目来源于省科技项目江门市高新区产业集群协同创新平台建设子项目，其主要内容是设计基于的开放式多轴运动控制器控制系统。研究背景数控技术是用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种技术，是现代科学技术的最前沿，数控技术在制造业中具有重要地位。一个国家数控程度的高低已经成为衡量其机械工业技术水平的一个重要指标。随着制造业发展，传统的封闭式数控系统己不能满足现代化制造业向信息化、敏捷制造模式发展的需要，开放式数控系统

4、由于其可扩展性、可移植性、可互换性等特点，成为今后数控系统的发展方向。运动控制（）技术蟛。，是指在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制的技术。按照国际运动控制工程师协会的定义：“运动控制是指应用一个可控制的力的作用实现机电系统有效运动的技术，这个机电系统可以是以电气、液压、气动或其他形式驱动的。”运动控制技术它是在电驱动技术研究的基础上，随着科学技术的发展而形成的一门综合性多学科的交叉技术。运动控制单元是数控系统的核心单元模块，它的性能直接影响着机床的加工精度和加工效率。随着微电子技术、电力电子技术以及微处

5、理器控制技术的发展和现代科学技术的进步，传统的运动控制模式已经不能满足现代工业和社会发展的要求。研究和开发具有开放式结构的高性能运动控制系统是当前运动控制领域的一个重要发展方向，越来越得到世界各国学者的广泛关注。基于的运动控制器以芯片作为运动控制器的核，处理器，充分利用了的高速数据处理功能，便于设计出功能完善、性能优越的运动控制器。这类运动控制器通常都能提供多轴协调运动控制与复杂的运动轨迹规划、实时的插补运算、误差补偿、伺服滤波算法，能够实现闭环控制。因此，将运算高速、功能强大的应用于运动控制器中，开发出种高精度、高速度、多轴控制、体积小、集成度高五邑大学硕士学位论文的开放式运动控制系统，具有

6、深远的意义以及广阔的应用前景。国内外研究状况目前，开放式运动控制系统的研究得到了世界各主要工业国家的重视和支持，国外影响较大的研究计划有美国的（）和（）计划，欧洲的）计划，以及日本（）计划。各国在开放式运动控制系统的研究方面都取得了相当显著的研究成果，并提出了一些构建开放式系统的模式和方法。这些模式方法总的来说都采用了闭环控制，具有高速、高精度、高可靠性和高安全性的特点，同时在控制系统的软硬件上具有良好的开放性。在美国，开放式运动控制器被誉为新一代的工业控制器。美国有超过多家公司从事运动控制器软硬件产品的制造，其产品的年销售额己超过亿美元，占有世界运动控制器市场份额以上。最著名的运动控制器制造

7、商有，等。美国还专门成立了美国运动控制器工程师协会（）由此也不难看出运动控制器技术的重要性。在日本，开放式运动控制器被认为是将来的第三次工业革命，并预测其应用的普遍性将与目前广泛应用的类似，代表性的厂商为公司和公司。世界上己有多种商品化的运动控制主板，较著名的有：，等系统，其中的（可编程多轴运动控制器）。是一个很具有代表性的产品，它是美国公司年推出的完全开放体系结构、基于机平台的运动控制器。该产品采用的作为核心，具有曲线减速功能，可以实现直线、圆弧、螺旋线等多种插补方式。它的速度、分辨率和带宽等指标远远高于一般的运动控制器。伺服控制包括加和速度、加速度前馈控制。具有光纤通讯、环绕网等功能，在世

8、界上处于领先地位。美国运动控制公司的运动控制器一，一，采用位高速控制，每轴伺服更新率，支持、，内含回零、限位、电子齿轮、点一点定位、轮廓、直线、圆弧插补，位置双闭环、间隙补偿、带前馈控制、自动加减速控制、手动进给、示教等功能，非易失性存储器用于用户程序存储（行字符，个五邑大学硕士学位论文变量，个阵列元素用于捕获实时数据，如位置、转矩、模拟输入值及录返应用），点通用及点数字输出、点光隔输入、路模拟输入、高速位置锁存（）。通信接口有双向、，、（）等可供选用。与国外相比，我国对开放式控制系统的研究起步较晚，从事运动控制技术研究和开发的单位还为数不多，虽然也取得了一定的成果，但是在企业中的应用还不是很

9、广泛，主要是国内一些高校和公司研制的以为微处理器的运动控制器。比较有代表性的是固高公司的一运动控制器，它采用高性能的技术，每个控制器可以控制个伺服电机，有直线插补、圆弧插补、电子齿轮等功能，可编程梯形曲线规则和曲线规划，在线刷新运动控制参数。可设置跟随误差极限、加速度极限、控制输出极限等功能，保证控制安全可靠。伺服控制包括数字滤波器，带速度和加速度前馈，带积分限值和偏差补偿功能。深圳摩信科技公司的系列轴运动控制器，基于网络技术的开放式结构，控制器的采用美国公司的，主控机与控制器之间采用双向高速进行通讯，可提供轴调整高精度直流交流伺服控制，主控机可选用任何系列微机，系列产品在设计上采用了先进软硬

10、件重构技术，可根据用户的要求，控制器的硬件模块进行最佳调整，配以摩信科技的基本输入输出系统、基本运动控制函数库以及浮动网标在线控制界面，使提供用户的运动控制器具有最佳的性价比。我国已成为世界制造业大国，需要大量的数控机床、工业机器人、自动化生产线等与运动控制产品相关的设备。但由于数字控制器技术水平还不高，从而严重制约着我国制造业水平的提高。而与之同时，国际上的相关开发计划更是对我国的数字控制器技术的发展提出了严峻的挑战，但与此同时也带来了机遇。首先，开放式控制器系统研究计划的实旄，把世界上所有系统的开发商推到了同一起跑线上，在这个起跑线上，我们可以建立以国际采购为思路的系统集成开发之路，为我国

11、制造高性能、高可靠性数字控制器创造条件；其次，通过一致的编程应用界面，容易形成自己的集成方案，进一步减小对卖方市场的依赖性，此外，随着开放系统计划的实施，统一开发平台的建立，将来数字控制系统的高技术附加值将主要体现在软件上，为我国发展民族软件产业创造了一个良好的契机。我们应充分把握机会，扬长避短，迎头赶上，研制出适合我国国情的新一代国产高性能运动控制器。五邑大学硕士学位论文：本课题研究内容文在对开放式数控系统体系结构分析的基础上，主要对运动控制器作了研究，研究的中心就是以作为核心控制模块的运动控制器控制系统。主要内容包括：在分析当今开放式数控系统以及运动控制技术的基础上，设计规划运动控制器控制

12、系统的整体设计方案。深入研究芯片的硬件资源与配置，对控制器的功能模块及接口进行硬件电路设计，包括与上位机的串口通讯，液晶显示，键盘输入输出，扩展等。深入分析研究了嵌入式多任务实时操作系统的特点及内核结构，并结合的编程特点，改写系统的源代码，并将其移植到中。使用软件进行编程，建立系统的基本软件结构，包括控制器的位置控制算法及插补功能的实现等。第二章运动控制系统总体设计运动控制卡的总体结构运动控制单元是数控系统中实时性要求较高的核心单元模块，数控系统的性能、精度一定程度上依赖于运动控制单元的快速计算能力和快速控制能力。传统系统既要完成系统的管理（包括通信、显示、诊断、零件程序的输入输出以及人机界面

13、管理等）又要完成实时性很强的控制任务（包括译码、刀具补偿、速度处理、运动控制（插补计算、位置控制）、开关量控制等），致使系统运动控制部分实时性降低，表现在插补周期和位置控制周期变长，采样时间变长，加工精度下降。本课题为提高数控系统运动控制的实时性和加工精度，为实现机与运动控制器组成的开放式数控系统，把数控系统中实时性要求较高的运动控制和开关量控制任务放到具有独立的运动控制器中实现，并通过总线将其与工业相连，控制主轴、多个进给轴，完成数控系统中实时性要求较高的插补计算、位置控制、开关量控制等任务。整个系统总体结构如图所示。光电编码器图运动控制系统结构图该运动控制器中要完成实时性要求较高的插补计算

14、和位置控制，需要输入的数据量多，要进行的运算量大。由于的高速运算能力、改进的哈佛总线结构、高速的输入输出、处理的实时性等特点正好可以满足运动控制的要求。运动控制中，选取种速度快、精度高、通用型的插补算法十分重要，本文采用基于三次样条的恒速插补算法。为实现运动控制卡与上位机的数据交换，作者采用公司的一实现双机通信。以下各节分别介绍运动控制器中用的关键技术和关键部件。控制芯片（）芯片即数字信号处理器，是一种具有特殊软硬件结构的微处理器，具有专门的硬件乘法器和并行处理结构，广泛采用流水线操作，并提供特殊的指令，具有很强的数字运算能力，可用来快速地实现各种数字信号处理算法优越于其它微处理器以及单片机的

15、地方在于以下几个方面儿¨：（）采用哈佛结构。通用的系列微处理器采用的是冯诺依曼结构，即程序指令和数据共用一个存储空间，统一编址，依靠指令计数器提供的地址来区分是指令、数据还是地址。而当前的放弃了冯诺依曼结构而采用哈佛结构，就是将程序指令与数据的存储空间分开，每个存储器独立编址，独立访问，从而使数据的吞吐率提高了一倍。（）采用流水线技术。计算机在执行一条指令时，总要经过取指、译码、取操作数、执行等几个步骤，每个步骤至少需要一个指令周期来完成。流水线技术是将各指令的执行时间重叠起来，每条指令处于流水线上不同的阶段。系列处理器的流水线深度从级不等，也就是可以并行处理条指令。（）运算速度快。

16、为了适应实时数字信号处理的需要，当前的都设置了硬件乘法器加法器，能在单个指令周期内完成乘法累加运算、任意位数的位移，以及标准的算术和逻辑运算。在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需许多个指令周期来完成。当前的水平己达到每秒数千万次乃至数十亿次定点运算或浮点运算。（）适合于数字信号处理运算。为了满足，卷积等数字信号处理的特殊要求，当前的大多在指令系统中设置了“循环寻址”（）及“位倒序”（）指令和其它特殊指令，使得在做这些运算时寻址、排序及计算速度大大提高。的移植为有效地协调系统各部分有序运行，提高整体系统的运作效率，从而让系统更加地稳定、可靠，常常需要使用实时嵌入式操作系统。本

17、文对控制器系统研究并移植嵌入了实时操作系统。弘是一个源代码公开的实时嵌入式内核心，它提供了实时系统所需的基本功能。其包含全部功能的核心部分代码只占用字节，而且由于是可裁剪的，所以用户系统中实际的代码最少可达字节，可谓短小精悍。一实际上是一个实时操作系统内核，只包含了任务调度、任务管理、时间管理、内存管理和任务间的通信与同步等基本功能，没有提供输入输出管理、文件系统、网络之类的额外服务。作为一个实时内核，总的来说有以下几个显著的特征心。：精简性：是一个源码公开的实时嵌入式操作系统，它提供了实时系统所需的基本功能。其包含全部功能的核心部分代码只占用字节，事实上，的可裁剪性，所以用户系统中实际的代码

18、最少可达字节。可裁减性：系统由多个相对独立的、短小精炼的目标模块组成，用户可根据需要选择适当模块来裁剪和配置系统，这样，通过目标模块之问的按需组合，可以减少产品中的所需的存储空间，这种裁减性是靠条件编译实现的。另外，由于源码的开放特性，用户还可以针对自己的硬件优化代码，以获得更好的性能。可移植性：的大部分代码是用写成的，只有与处理器硬件相关的一部分代码用汇编语言编写。所以的移植性很强，可以在绝大多数位、位、位微处理器、数字信号处理器上运行。的移植并不复杂，只要编写个汇编语言的函数、个函数再定义个宏和个常量，这些宏和函数都比较简单，其中的个函数甚至只需声明不必包含代码。用户可以根据需要自己编写移

19、植代码。多任务：可以管理个任务，每个任务的优先级必须是不同的，其中系统占用个，应用程序最多可以有个任务。可确定性：全部服务的调度，执行时间是可知的，即系统服务的执行时间不依赖于应用程序任务的多少。稳定性和可靠性以及广泛的适用性：自问世以来己经有了百个商业应用，并通过（美国联邦航空局）认证。内核¨叫从结构组成上可以大致分成核心部分摸块、任务管理模块、时间管理模块、任务间同步与通信模块、内存管理模块、移植相关模块这五个部分。核心部分（）是操作系统的处理核心，包括操作系统初始化、操作系统运行、中断进出的前导、时钟节拍、任务调度、事件处理等多部分。核心部分模块包含了维持系统运作的基本支持功能

20、。是以任务为基本单位调度的，任务处理部分（）任务处理部分中的内容都是与任务的操作密切相关的。包括任务的建立、删除、挂起、恢复等等。中的最小时钟单位是（时钟节拍），而任务延时等操作是由时钟部分（）完成的。任务同步和通信部分为事件处理部分，包括信号量、邮箱、邮箱队列；以及事件标志等部分，主要用于任务间的互相联系和对临界资源的访问。、的内存管理不同于通常意义上的内存管理，的内存管理主要是面向用户任务中的动态内存分配如和操作提供满足实时性要求的有效支持。移植相关部分是指针对所使用的平台的移植部分。由于是一个通用性的操作系统，所以对于关键问题上的实现，还是需要根据具体的具体内容和要求作相应的移植。这部分

21、内容由于牵涉到等系统指针，所以通常用汇编语言编写。主要包括中断级任务切换的底层实现、任务级任务切换的底层实现、时钟节拍的产生和处理、中断的相关处理部分等内容。通过移植嵌入式系统，实现控制系统多任务实时运行，可以最大发挥系统的性能，便于控制系统的开发，同时由于采用任务化运行，便于添加新的控制任务，有利于以后系统的升级，因此对系统效能提高是明显的。三次样条曲线插补年，在研究曲线的基础上，把样条函数拓广成参数形式的样条曲线。它比曲线更为优越，使设计的曲线具有局部修改能力和更大的灵活性，同时也容易保证曲线的连续性，使曲线光滑拼接问题简化，因此样条曲线日益得到了广泛的应用。在目前的数控系统中，其主要轨迹

22、控制功能仍为直线和圆弧插补，而且一般采用离线编程。此编程方式的加工过程为：根据给定的曲线的几何信息和加工工艺信息，经过离线编程生成描述刀具路径的刀位文件，并通过后置处理对其进行编码，以得到用诸如代码等代码表示的指令序列即零件的程序，而后在实际加工时，再将该程序输入数控系统，由其对程序进行译码和处理，最后通过实时直线或圆弧插补得到所希望的刀具运动轨迹和坐标运动控制指令，由此控制数控机床的运动完成曲线的加工。为了保证精度要求，每段代码定义的位移很小，因而代码文件会变的很长，这会严重影响加工的速度和效率，即人们常说的“牺牲速度获得精度”。很明显，这与所期望的高效、高精度、高速加工有了难以解决的冲突。

23、为了同时获得较高的速度和精度，引入了复杂曲线（如样条曲线等）的插补功能¨引，可以直接输入到系统来形成数控插补路线，或者用这种灵活性更高、适应性更强的曲线来逼近各种复杂曲线。这样，在相同的精度下，一段复杂曲线段比一段直线段能描述更长的零件轮廓，一般情况下，采用复杂曲线的代码文件的长度不会超过原来方法的十分之一。而且，由于采用曲线的直接插补或者通过曲线逼近的方法进行插补，所以加工速度要快的多，加工出来的曲线也更加平滑。随着计算机技术和伺服技术的发展，以交流伺服电机为驱动元件的计算机闭环数字控制系统己成为数控的主流。由于现有处理器处理速度以及运算能力的大大增强，使得复杂曲线和曲面的实时插补

24、成为可能，为提高数控系统插补的功能提供了有利的条件。因此，现在样条曲线的插补算法非常流行，这种算法广泛的应用于复杂曲线的加工，它把曲线加工中的仅有的离散点的加工能力，提高到对刀具连续运动轨迹的控制。本文采用了基于三次样条曲线的恒速进给实时插补算法¨引，该算法不仅使插补动点位于三次样条曲线上，而且参数域的非均匀分割使实时插补过程中插补速度保持恒定。实时插补一方面大大减少了系统与数控系统间的几何信息传递，有效缓和零件快速、高精度加工与通讯加载间的冲突，另一方面插补速度波动和轮廓误差比传统插补算法和参数均匀分割插补算法均小的多。本章小结本章从总体的角度考察了基于的运动控制器的设计，给出了运

25、动控制系统的整体结构图，确定运动控制器在数控系统中具体承担的任务，分析了实现这些任务应注意的问题，详细阐述了板卡中所用到的关键技术和关键部件，包括实时控制芯片作为运动控制器的、，嵌入式系统移植、基于三次样条曲线的恒速插补算法。五邑大学硕士学位论文第三章运动控制系统硬件设计选择芯片是系统设计过程中一个非常重要的环节。只有选定了芯、片才能进一步设计其外围电路及系统的其它电路。芯片的选择应根据实际的应用系统需要确定。一般从以下几个方面考虑：芯片的运算速度、价格、硬件资源、运算精度、开发工具和的功耗等。芯片是（）公司生产的位定点数字信号处理器，是专门应用于电机控制领域的一款低价格、高性能芯片。它将高性

26、能的内核和丰富的微控制器外设功能集于一身，为控制系统应用提供了一个理想的解决方案。芯片特点在芯片是平台下的一种定点芯肟。为功能强大的结构设计提供了低成本、低功耗、高性能的处理能力，对电机的数字化控制非常有用。几种先进外设被集成到该芯片内，以形成真正的单芯片控制器。在与现存控制器芯片代码兼容的同时，。芯片具有处理性能更好（）、外设集成度更高、程序存储器更大、转换速度更快等特点，是电机数字化控制的升级产品，有以下一些特点：斌：采用高性能静态技术，使得供电电压降为，减小了控制器的功耗，的执行速度使得指令周期缩短到（），从而提高了控制器的实时控制能力。基于的核保证了代码和系列代码兼容。片内有高达字的程

27、序存储器（扇区），高达字的数据程序，字可实现零等待两次访问的存储器空间（），字单次零等待访问的存储器空间（）。两个事件管理器模块和，每个事件管理器包括：两个位通用定时器，个位的脉宽调制（）通道。可以实现：三相反相器控制、的中心或边缘校正；当外部引脚出现低电平时快速关闭通道：防止击穿的可编程的死区控制；对外部事件进行定时捕获的个捕获单元；片内光电编码器接口电路。事件管理器模块适用于控制交流异步电动机、无刷直流电动机、开关磁阻电动机、步进电机、多级电动机和逆变器。可扩展的外部存储器总共字：字程序存储器；字数据存储器和字的空间。看门狗（）定时器模块。通道的位转换器，最小转换时间为，可选择由两个事件管

28、理器来触发两个通道输入转换器或一个通道输入的转换器。控制器区域网络（）模块。串行通信接口（）。位的串行外设接口模块（）。基于锁相环（）的时钟发生器。高达个可单独编程或复用的通用输入输出引脚（）。个外部中断（电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断）。电源管理包括种低功耗模式，并且能独立将外设器件转入低功耗模式。辅助电路设计供电电路设计是低功耗芯片，必须采用供电，采用美国公司生产的电源管理芯片的将电压转换为为和器件等需要电压的元件供电，电源管理电路如图所示。端是电压输入端，输入电压可以是一之间，端是电压输出端，在时的典型值是，在之间，输出电压最小为，最大为。具有极低的静态电流，典型值为微安，输出电流可

29、达，具有（电源好）指示功能。图电源电路时钟电路设计上集成有（锁相环）时钟模块，可以为芯片及外设提供所需的时钟信号。可提供种时钟信号：供内核、片内寄存器、片内设备使用的，系统时钟，一般为的或，供模拟模块使用的，一般为，供计数实时中断模块使用的，一般为。模块可以按照、的倍率进行倍频或分频¨。这里的时钟信号由外部提供，由于的速度达到，所以选择的晶振，从输入，经和三倍频成信号，供使用，管脚悬空。复位电路设计的复位信号有两种：上电复位和手动复位。一般将上电复位和手动复位的两个信号经过与以后送到的复位输入引脚。在电源接通时，电源通过电阻向电容充电，待电容的电压达到一定的数值时，整形触发电路向的复

30、位端输出可靠的复位信号使系统复位。电容的充电时间的长短取决于充电参数（电阻和电容）的大小，电阻和电容参数的选取取决于用户的要求。当需要系统复位是按下按钮，则电容通过形状放电，电容两端的电压迅速下降，通过整形电路输出低电平信号，再一次使复位，整形电路的作用是保证复位信号稳定可靠。五邑大学硕士学位论文仿真接口设计在上设置有符合标准的（）标准测试接口及相应的控制器。不但能控制和观察多处理器系统中的每个处理器的运行、测试每块芯片，还可以通过这个接口来载入程序。控制片上设置了一个针的接口。在运动控制器的硬件调试及软件开发过程中，闻亭公司提供的仿真器接通接口，在上编译软件并下载到中进行控制，开发好的程序也

31、可以通过该接口烧录到的程序存储器中。和测试口同时工作的还有一个分析模块，它支持断点设置和程序存储器、数据存储器、程序的单步运行和跟踪以及外部中断计数等。与的接口电路图如图所示，和信号加上拉电阻的目的是为了保证信号上升时间小于¨别。蚺。一一一）一一一（二仁二图仿真接口电路液晶显示屏和键盘输入接口是一个高速同步串行输入输出端口，它允许一个具有可编程串行外设接口长度到位）的串行位流，以可编程的位传送速率从设备移入或移出。本设计利用口外接液晶显示屏，是一块低功耗的控制驱动器，设计为驱动行列的图形显示。所有必须的显示功能集成在一块芯片上，包括电压及偏置电压发生器，只须很少外部元件且功耗小。与微

32、控制器的接口使用串行总线。引脚说明，见下表：引名称脚说明电源（）串行时钟线串行数据线（）模式选择，选择命令地址或数据输入。芯片使能电源地复位，低电平有效电压调整，一般对地接电容背光灯指示，高电平亮电路如图所示：图液晶显示驱动电路通过外接可以实现键盘输入。是并行输入，串行输出移位寄存器，可以多个串接，本设计只用了一个扩展个键盘输入，通过接口与连接，原理图如图示：图键盘输入电路转换电路设计芯片内部没有转换模块，本设计通过扩展外接芯片。公司生产的位路转换芯片将数字量转化为模拟量送到电机驱动器。它接收位并行的输入数据，有双缓冲的输入逻辑，并提供一个内部输入寄存器的反馈模式，它有低功耗。能在单极电源或双

33、极电源±下工作。每个的低功耗、小体积使特别适合于闭环伺服控制系统。所谓双缓冲就是指在数据传送到实际转换器前，数据可以写到保持寄存器中，这样数据可以分别载入，但同时转换。五邑大学硕士学位论文图转换电路控制电压转换电路要实现对电机转速的控制，需要将中计算所的的数字量转化为的控制电压。控制器中采用的位路转换芯片将数字量转化为模拟量送到电机驱动器。采用作为基准电源，它提供了一个的基准电压作为供给的参考电压。采用单极电源方式，的接，接地，接，接地，输入范围，四个通道在中的地址为：，更新的地址为，其片选信号由器件进行逻辑运算后获得。由于是供电，与之间通过的电压转换芯片传输数据。的四个通道输出信号

34、的电压范围为，需要将其进行处理，将其转化为。图是放大电路原理图。经过运算放大器的第一级运放后得到的电压范围是，然后经过运算放大器的第二级运放后得到的电压范围是，与数字量相对应。五邑大学硕士学位论文图电压放大电路存储器扩展电路对于运动控制器的存储器扩展电路，选择具有较高存取速度的外部存储器非常重要。如果不考虑速度问题，可使用信号和片内等待状态发生器来产生等待状态，满足与慢速器件之间的通讯问题。而对于本系统，终端部分的数据处理量比较大，数据处理速度要求快，因此需要高速的存储器接口。因此，我们选用公司生产的¨到是高速静态，它的特点：高速的存取速度、低功耗、高字节和低字节的存取独立控制等，供

35、电，接，其和接地，接的信号，接的信号。有字的数据程序，字双口（）和字的单口（）。但是考虑到控制器的程序量比较大，相关的数据较多，需要的数据储存空间较大，因此在外部用一片扩展了位的数据存储器，地址空间为。数据存储空间用来保存采集的实时数据、处理过的数据和运算过程中的许多中间变量，当访问片内数据存储器时，外部存储器信号和处于高阻状态，在内，地址线的最高位取非后与信号相或，其输出与外部数据存储器的连接进行片选，当访问外部数据存储器时，一个有效的信号表明外部总线正被数据存储器占用，处于低电平。在基于总线的控制器中，外部数据空间的被映射到一的寄存器，因此需要对数据存储器的地址线还提供了字节的程序存储器，

36、可以将编译好的程进行相应的译码处理，使数据空间映射到。五邑大学硕士学位论文序烧录进去运行。但是，程序在中运行速度较慢，最好是在上电复位后将程序搬运到中运行以提高执行速度。同时，在进行程序调试时，也是通过跳线将引脚置为高电平，使程序在外部存储器中执行。因此利用芯片扩展了的片外程序存储器。当访问片内程序存储器时，外部存储器信号和处于高阻态，信号直接和外部的连接，一个有效的信号表明外部总线正被程序存储器占用。光电隔离电路设计为防止外界信号干扰，保证控制器的可靠性和安全性，输入输出信号都经由进行光电隔离。输入信号主要包括限位开关信号、回零信号和伺服报警信号。每个控制轴有正反方向的两个限位开关，各产生两

37、个限位信号，如有个轴，则共个限位信号：、一、一、，其中“表示正限位，“一表示负限位。报警信号为，回零信号为。它们进入的信号经过光电合理后电平由变为，信号名称分别为工。一，酬，进入的、和通用口。当检测到这些输入并引起的中断后，确定具体触发的信号，限位信号触发则立即停止对应电机该方向的运动，直到限位消除电机才能在该方向继续运动；回零信号触发则电机等待信号的输入后立即让电机反向运行用户设定的回零距离作为机械零点；伺服报警信号输入时，程序立即停止该电机的运动，直到用户将报警清除。输入光电隔离电路图如图所示。同时，还提供四路通用输入信号。输出信号主要包括伺服电机的伺服使能信号、报警清除信号和路通用输出信

38、号，分别由、等口输出。与上述的输入输出对应，在程序中，需要将的通用输入输出口进行配置，在初始化程序中的配置主要为：，。图输入信号光电隔离电路图图输出信号光电隔离电路图总线与通讯电路设计是的缩写，即通用串行总线。它是一种电缆总线，是电脑系统连接外围设备的新的输，输出标准，而协议是总线的通信协议。目前，总线己经成为机主板上的标准配置，作为一种新型的接口以其较五邑大学硕士学位论文快的传输速率和方便的连接等优势受到用户的青睐。到目前为止，己经在机的多种外设上得到应用。接口芯片选择按芯片的构架来划分，市面上的控制器芯片可以分为不需要外接微处理器的和需要外接微处理器的两类芯片。内嵌通用微控制器的控制芯片，

39、一般是在通用微控制器的基础上扩展了功能，其优点是开发者熟悉这些通用微控制器的结构和指令集，相关资料丰富，易于进行开发。如基于的系列，基于的，基于系列的，基于的等控制芯片。需要外接微控制器的芯片，只处理与相关的通信工作，而且必须由外部微控制器对其控制才能正常工作，这些芯片必须提供一个串行或并行的数据总线与微控制器进行连接。其优点是芯片价格便宜，而且便于用户使用自己熟悉的微控制器进行开发。如公司的和一。按传输速度高低，可分为支持协议的低速系列、全速系列和支持协议的高速系列。属于前者，而属于后者。由于运动控制器选用高性能的处理器作为核心，对数据传输的实时性和传输速度有较高的要求，因此选用公司的瞄引接口芯片。的特性一是公司在原有芯片的基础上开发的又一款高速接口芯片。运动控制器主要涉及的芯片的特性如下：高性能的接口器件，集成了串行接口引擎（、存储器、数据收发器和的电压调整器；支持的自检工作模式和的返回工作模式；个端点，个端点和个固定的控制端点；集成字节的多结构存储器；端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现实时数据传输；同大部分的微控制器微处理器有单独的总线接