運(yùn)動(dòng)控制器的硬件與軟件設(shè)計(jì)課件

基于PC104總線與MCX314As芯片的運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)——梁偉林基于PC104總線與MCX314As芯片的運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)—1主要內(nèi)容：第一章 緒論第二章 運(yùn)動(dòng)控制器整體的功能設(shè)計(jì)第三章 運(yùn)動(dòng)控制器的硬件設(shè)計(jì)第四章 運(yùn)動(dòng)控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)第五章 運(yùn)動(dòng)控制器軟硬件整體調(diào)試主要內(nèi)容：第一章 緒論2第一章 緒論1.1課題研究背景一、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) 在我國(guó)，數(shù)控技術(shù)起步于1958年，近50年的發(fā)展歷程大致可分為三個(gè)階段：第一階段從1958年到1979年，即封閉式發(fā)展階段。第二階段是在國(guó)家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期，即引進(jìn)技術(shù)，消化吸收，初步建立起國(guó)產(chǎn)化體系階段。第三階段是在國(guó)家的“八五”的后期和“九五”期間，即實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的研究，進(jìn)入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)階段。在此階段，我國(guó)國(guó)產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)步。 進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，受通用微機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的影響，數(shù)控技術(shù)正朝著以PC機(jī)為基礎(chǔ)，向著開(kāi)放化、智能化、圖形化等方面進(jìn)一步發(fā)展。第一章 緒論1.1課題研究背景3第一章 緒論P(yáng)C-NC架構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)第一章 緒論P(yáng)C-NC架構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)4第一章 緒論1.1.2運(yùn)動(dòng)控制器及其研究現(xiàn)狀

定義：所謂運(yùn)動(dòng)控制器是通過(guò)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定運(yùn)動(dòng)軌跡目標(biāo)的裝置。

第一章 緒論1.1.2運(yùn)動(dòng)控制器及其研究現(xiàn)狀5第一章 緒論運(yùn)動(dòng)控制器在國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀： 目前，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究得到了世界各主要工業(yè)國(guó)家的重視和支持，國(guó)外影響較大的研究計(jì)劃有美國(guó)的NGC(TheNextGenerationWork-station/MachineController)和OMAC(OpenModularArchitectureController)計(jì)劃，歐洲的OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystem，自動(dòng)化系統(tǒng)中控制器的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu))計(jì)劃，以及日本的OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)計(jì)劃。 這些模式方法總起來(lái)說(shuō)都采用了閉環(huán)控制，具有高速、高精度、高可靠性和高安全性的特點(diǎn)，同時(shí)在控制系統(tǒng)的軟硬件上具有良好的開(kāi)放性。第一章 緒論運(yùn)動(dòng)控制器在國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀：6第一章 緒論運(yùn)動(dòng)控制器在國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀： 近年來(lái)，隨著工業(yè)PC機(jī)的快速發(fā)展，可靠性大為提高，以工業(yè)PC機(jī)為核心的控制系統(tǒng)己經(jīng)被工業(yè)控制領(lǐng)域所接受。在機(jī)床控制領(lǐng)域，采用工業(yè)PC機(jī)，發(fā)展通用化的數(shù)控系統(tǒng)，己成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)，符合數(shù)控技術(shù)發(fā)展的潮流。同時(shí)，圍繞工業(yè)PC機(jī)開(kāi)發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制器及其應(yīng)用也越來(lái)越多。國(guó)內(nèi)部分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)廠商采用PC+NC的方式，構(gòu)建適合于需要的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，如北京機(jī)床研究所的中華系列，沈陽(yáng)計(jì)算所的“藍(lán)天”系列，華中科技大學(xué)的“華中”系列、“航天”系列等。第一章 緒論運(yùn)動(dòng)控制器在國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀：7第一章 緒論運(yùn)動(dòng)控制器常見(jiàn)的控制方案：1.基于單片機(jī)系統(tǒng)的控制器 主要以MCS-51,MCS-96等為代表的單片機(jī)為核心。這種控制卡控制方式比較靈活，成本比較低。但采用的元器件較多，可靠性低、軟硬件設(shè)計(jì)工作量大，而且控制算法單一，運(yùn)算及處理速度比較慢。2.基于PC的SOFT型控制器 它是指CNC的全部功能處理工作都由PC進(jìn)行，并通過(guò)裝在PC擴(kuò)展槽中的接口卡對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制。用戶在Windows平臺(tái)上，開(kāi)發(fā)完成數(shù)控系統(tǒng)中所有的實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)，如編譯、解釋和插補(bǔ)等。這是一種最新開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，它提供給用戶最大的選擇和靈活性，它的CNC軟件全部裝在計(jì)算機(jī)中，而硬件部分僅是計(jì)算機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)和外部I/O之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口。但由于CNC制造商不愿放棄多年積累的專有技術(shù)，加上Windows操作系統(tǒng)本質(zhì)上是非實(shí)時(shí)系統(tǒng)，對(duì)于高速數(shù)控領(lǐng)域等，強(qiáng)實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)不能很好地滿足要求。第一章 緒論運(yùn)動(dòng)控制器常見(jiàn)的控制方案：8第一章 緒論3.基于通用DSP或FPGA的控制器 這類控制卡采用DSP或FPGA作為板上的核心控制芯片，具有很普遍應(yīng)用。由DSP或FPGA完成控制的功能（脈沖和方向信號(hào)的輸出、編碼器反饋和限位等信號(hào)的檢測(cè)等），提高處理速度。比如像深圳固高的GT-800系列通用運(yùn)動(dòng)控制器。但是，由于底層DSP處理器上的插補(bǔ)等運(yùn)算，通信接口等都要開(kāi)發(fā)者實(shí)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)難度相對(duì)大。4.基于專用運(yùn)動(dòng)控制芯片的控制器 這類控制卡采用專用運(yùn)動(dòng)控制芯片作為板上的核心處理器。運(yùn)動(dòng)控制芯片是為精密控制步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)而設(shè)計(jì)的專用處理器。運(yùn)動(dòng)控制芯片帶有插補(bǔ)算法，能夠完成大部分運(yùn)動(dòng)控制，大大簡(jiǎn)化了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)和開(kāi)發(fā)工作。芯片廠家提供的文檔資料充分，技術(shù)支持良好，降低了開(kāi)發(fā)難度，有利于快速開(kāi)發(fā)。這種芯片運(yùn)用廣泛，主要有PMD公司的Magellan系列、Navigator系列，日本NOVA公司的芯片等，可選擇的種類較多。第一章 緒論3.基于通用DSP或FPGA的控制器9第一章 緒論本課題研究的意義： 大力發(fā)展先進(jìn)的制造技術(shù)已經(jīng)成為世界各國(guó)最重要的技術(shù)戰(zhàn)略之一，先進(jìn)制造技術(shù)已經(jīng)是國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)和產(chǎn)品革新的一種重要手段。 數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的核心，是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)、柔性化、集成化的集成。數(shù)控裝備的技術(shù)水平是一個(gè)國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化水平的高低和綜合國(guó)力的強(qiáng)弱的顯著標(biāo)志。 運(yùn)動(dòng)控制器在數(shù)控系統(tǒng)中占有十分重要的地位，是數(shù)控系統(tǒng)的核心部件之一。 與國(guó)外相比，我國(guó)在運(yùn)動(dòng)控制器的產(chǎn)品研發(fā)方面還比較落后，高端產(chǎn)品基本上被國(guó)外公司壟斷，我國(guó)作為世界上經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的國(guó)家，市場(chǎng)上新設(shè)備的控制需求和傳統(tǒng)設(shè)備技術(shù)升級(jí)換代，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器的需求越來(lái)越大。此外，由于市場(chǎng)日益競(jìng)爭(zhēng)的壓力，系統(tǒng)集成商和設(shè)備制造商要求運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)向開(kāi)放式方向發(fā)展。 在這樣的形勢(shì)下，我國(guó)應(yīng)該抓住這一機(jī)遇，研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，具有高水平、高質(zhì)量、高可靠性的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品。第一章 緒論本課題研究的意義：10第二章 運(yùn)動(dòng)控制器整體的功能設(shè)計(jì)總線接口的選擇：ISA總線PCI總線PC/104總線

根據(jù)三種總線的特點(diǎn)做比較，由于現(xiàn)在的主板供應(yīng)商很多不提供ISA接口插槽，故不采用該接口。而PCI總線的控制器數(shù)據(jù)傳輸速度雖然要比ISA和PC104高，但因?yàn)镻CI總線設(shè)計(jì)難度和費(fèi)用較高，在經(jīng)濟(jì)上普通用戶難以承受。PC104是專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線，它比插卡型穩(wěn)定性能更好，比較適合本課題運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)。第二章 運(yùn)動(dòng)控制器整體的功能設(shè)計(jì)總線接口的選擇：11第二章 運(yùn)動(dòng)控制器整體的功能設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制芯片的選型：日本NOVA公司專用運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314As第二章 運(yùn)動(dòng)控制器整體的功能設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制芯片的選型：12運(yùn)動(dòng)控制器的硬件與軟件設(shè)計(jì)課件13第三章 運(yùn)動(dòng)控制器的硬件設(shè)計(jì)PC104總線接口協(xié)議：

PC104總線是一種在工業(yè)控制方面運(yùn)用廣闊的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，因其總線之間互連使用了104個(gè)信號(hào)線，因而得名。第三章 運(yùn)動(dòng)控制器的硬件設(shè)計(jì)PC104總線接口協(xié)議：14運(yùn)動(dòng)控制器的硬件與軟件設(shè)計(jì)課件15第三章 運(yùn)動(dòng)控制器的硬件設(shè)計(jì)PC104總線插槽示意圖第三章 運(yùn)動(dòng)控制器的硬件設(shè)計(jì)PC104總線插槽示意圖16第三章 運(yùn)動(dòng)控制器的硬件設(shè)計(jì)MCX314As運(yùn)動(dòng)控制芯片介紹：

MCX314As是日本NOVA電子有限公司研制的DSP運(yùn)動(dòng)控制專用芯片，是MCX314的升級(jí)版。芯片能與8位或16位數(shù)據(jù)總線接口，通過(guò)命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)等寄存器實(shí)現(xiàn)4軸（稱為X、Y、Z、U四軸）中任意2軸或3聯(lián)動(dòng)的位置、速度、加速度等的運(yùn)動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)直線、圓弧和位元3種模式的軌跡插補(bǔ)，輸出脈沖頻率可達(dá)4MHz。每軸都有伺服反饋輸入端、4個(gè)輸入點(diǎn)和8個(gè)輸出點(diǎn)，能獨(dú)立地設(shè)置為恒速、線性或S曲線加/減速控制方式，并有2個(gè)32位的邏輯、實(shí)際位置計(jì)數(shù)器和狀態(tài)比較寄存器，實(shí)現(xiàn)位置的閉環(huán)控制。第三章 運(yùn)動(dòng)控制器的硬件設(shè)計(jì)MCX314As運(yùn)動(dòng)控制芯片介紹17運(yùn)動(dòng)控制器的硬件與軟件設(shè)計(jì)課件18寫寄存器地址地址（A2A1A0）寄存器符號(hào)寄存器名稱000WR0命令寄存器001WR1模式寄存器1010WR2模式寄存器2011WR3模式寄存器3100WR4通用輸出寄存器101WR5插補(bǔ)模式寄存器110WR6寫數(shù)據(jù)寄存器1111WR7寫數(shù)據(jù)寄存器2第三章 運(yùn)動(dòng)控制器的硬件設(shè)計(jì)寫寄存器地址地址（A2A1A0）寄存器符號(hào)寄存器名稱0019讀寄存器地址地址（A2A1A0）寄存器符號(hào)寄存器名稱000RR0主狀態(tài)寄存器001nRR1狀態(tài)寄存器1010nRR2狀態(tài)寄存器2011nRR3狀態(tài)寄存器3100RR4通用輸入寄存器1101RR5通用輸入寄存器2110RR6讀數(shù)據(jù)寄存器1111RR7讀數(shù)據(jù)寄存器2第三章 運(yùn)動(dòng)控制器的硬件設(shè)計(jì)讀寄存器地址地址（A2A1A0）寄存器符號(hào)寄存器名稱0020運(yùn)動(dòng)控制器的硬件與軟件設(shè)計(jì)課件21硬件抗干擾技術(shù)：（1）脈沖、方向信號(hào)采用差分輸出方式（2）采用高速光耦進(jìn)行電氣隔離（3）硬件電路板布局布線（4）信號(hào)濾波和鉗位第三章 運(yùn)動(dòng)控制器的硬件設(shè)計(jì)硬件抗干擾技術(shù)：第三章 運(yùn)動(dòng)控制器的硬件設(shè)計(jì)22第四章 運(yùn)動(dòng)控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和編程工具介紹：

Windows98操作系統(tǒng)VisualC++6.0第四章 運(yùn)動(dòng)控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和編程工具介紹：23第四章 運(yùn)動(dòng)控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)MCX314As指令系統(tǒng)：寫入數(shù)據(jù)命令讀取數(shù)據(jù)命令驅(qū)動(dòng)命令插補(bǔ)命令第四章 運(yùn)動(dòng)控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)MCX314As指令系統(tǒng)：24第四章 運(yùn)動(dòng)控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)VC++語(yǔ)言中的標(biāo)準(zhǔn)通信函數(shù)介紹：_outp（），_outpw（）和_outpd（）函數(shù)； 功能分別是：寫一個(gè)字節(jié)、字和雙字到指定的輸出端口。_inp（），_inpw（）和_inpd（）函數(shù)； 功能分別是：從指定的輸入端口讀一個(gè)字節(jié)、字和雙精度字。第四章 運(yùn)動(dòng)控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)VC++語(yǔ)言中的標(biāo)準(zhǔn)通信函數(shù)25第四章 運(yùn)動(dòng)控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)：讀/寫寄存器函數(shù)；軸設(shè)置函數(shù)：工作模式設(shè)定函數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置函數(shù)、初始化函數(shù)；運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)；

I/O讀寫和驅(qū)動(dòng)狀態(tài)查詢函數(shù)。第四章 運(yùn)動(dòng)控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)：26運(yùn)動(dòng)控制器的硬件與軟件設(shè)計(jì)課件27第四章 運(yùn)動(dòng)控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用程序示例的設(shè)計(jì)：?jiǎn)屋S運(yùn)動(dòng)的位置和速度控制直線、圓弧插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)外部I/O讀寫第四章 運(yùn)動(dòng)控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用程序示例的設(shè)計(jì)：28第四章 運(yùn)動(dòng)控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在插補(bǔ)之前，需要先指定哪個(gè)軸是基軸。MCX314As芯片的WR5的D0~D5用來(lái)指定各個(gè)軸ax1、ax2、ax3和ax4。X、Y、Z和U軸可按一定順序定義成ax1、ax2、ax3和ax4。在插補(bǔ)的過(guò)程中，所有的計(jì)算都是基于基軸ax1的，所以在進(jìn)行插補(bǔ)之前要對(duì)基軸設(shè)置所有的參數(shù)：初始速度、驅(qū)動(dòng)速度和加速度等。 當(dāng)插補(bǔ)命令執(zhí)行時(shí)，寄存器RR0的D8位（I-DRV）將變?yōu)?，在插補(bǔ)結(jié)束時(shí)變?yōu)?。于是在插補(bǔ)過(guò)程中應(yīng)該查詢I-DRV的狀態(tài)，只有當(dāng)I-DRV為0時(shí)，才可以執(zhí)行下一個(gè)插補(bǔ)命令。同時(shí)，還必須調(diào)用各個(gè)狀態(tài)查詢函數(shù)，檢測(cè)是否有報(bào)警，急停，限位，中斷等狀況發(fā)生。第四章 運(yùn)動(dòng)控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在插補(bǔ)之前，需要先指定哪29運(yùn)動(dòng)控制器的硬件與軟件設(shè)計(jì)課件30第四章 運(yùn)動(dòng)控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)單軸常速運(yùn)行時(shí)脈沖頻率的測(cè)試：1KHz脈沖輸出第四章 運(yùn)動(dòng)控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)單軸常速運(yùn)行時(shí)脈沖頻率的測(cè)試31第四章 運(yùn)動(dòng)控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)400KHz脈沖輸出第四章 運(yùn)動(dòng)控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)400KHz脈沖輸出32第四章 運(yùn)動(dòng)控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4MHz脈沖輸出第四章 運(yùn)動(dòng)控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4MHz脈沖輸出33運(yùn)動(dòng)控制器的硬件與軟件設(shè)計(jì)課件34運(yùn)動(dòng)控制器的硬件與軟件設(shè)計(jì)課件35運(yùn)動(dòng)控制器的硬件與軟件設(shè)計(jì)課件36運(yùn)動(dòng)控制器的硬件與軟件設(shè)計(jì)課件37運(yùn)動(dòng)控制器的硬件與軟件設(shè)計(jì)課件38I/O信號(hào)的測(cè)試界面I/O信號(hào)的測(cè)試界面39結(jié)論（1）分析了數(shù)控技術(shù)和國(guó)內(nèi)外控制器發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)控制器常見(jiàn)的解決方案進(jìn)行了比較，結(jié)合本課題運(yùn)動(dòng)控制器的功能需求，給出了系統(tǒng)整體功能設(shè)計(jì)方案：選用PC104總線接口作為運(yùn)動(dòng)控制器與上位PC機(jī)通信的橋梁，采用MCX314As運(yùn)動(dòng)控制芯片作為控制器核心處理器，并采取差分脈沖信號(hào)輸出和光耦隔離方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)外部電源隔離，提高抗干擾能力；上位機(jī)軟件系統(tǒng)采取模塊化的原則，設(shè)計(jì)了人機(jī)控制界面、應(yīng)用示例