運動控制技術是推動新的技術革命和新的產(chǎn)業(yè)革命的關鍵技術，高速、高精度始終是運動控制技術追求的目標。運動控制技術能夠快速發(fā)展主要得益于計算機、高速數(shù)字處理器（DSP）、自動控制、網(wǎng)絡技術的發(fā)展，不僅應用于數(shù)控機床、工業(yè)機器人、輕工、紡織、化工、冶金等傳統(tǒng)行業(yè)，還在國防、航空航天等多個領域得到廣泛應用。數(shù)控技術、機器人技術更是一個國家運動控制技術發(fā)展水平的重要標志。隨著國民經(jīng)濟發(fā)展，數(shù)控技術為了滿足不同加工領域的要求也有了的長足進步，但對于大型的，高精密、高速數(shù)控裝備和數(shù)控系統(tǒng)仍需要進口，大大制約了我國裝備制造業(yè)和加工能力的提升。

當前，基于PC和運動控制器的開放式數(shù)控系統(tǒng)得到了很大發(fā)展，運動控制器在系統(tǒng)中接收PC控制指令，運算后轉(zhuǎn)換成控制信號到伺服驅(qū)動部分，從而快速構建數(shù)控平臺。開發(fā)人員可以根據(jù)運動控制器提供的驅(qū)動程序，進行二次開發(fā)，滿足用戶的各種特殊需求。目前，PC和運動控制器構成的開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究核心在于運動控制器的關鍵技術，因為數(shù)控機床的高速、高精和高可靠性等指標主要取決于運動控制器的性能。數(shù)字信號處理器（DSP）的發(fā)展，使運動控制過程的運算能力有了很大程度的提高，利用DSP開發(fā)的運動控制器性能越來越穩(wěn)定，功能也日趨強大。DSP強大的運算能力使運動控制過程中復雜的運動控制算法能夠得到很好的支持，使運動控制系統(tǒng)能有效進行運動規(guī)劃、高速實時多軸插補、誤差補償和更復雜的運動學、動力學計算，使得運動控制精度更高、速度更快、運動更加平穩(wěn)。因此，以DSP為控制核心結合FPGA模塊的嵌入式運動控制器成為發(fā)展的主流。

運動控制器中運動控制算法作為關鍵技術，其復雜程度、精確性、可靠性直接影響控制系統(tǒng)的控制性能。因此，對相關運動控制算法及其在運動控制器中的實現(xiàn)進行研究，有利于達到控制過程的高速、高精度和高可靠性。

本課題研究內(nèi)容

本論文工作的主要研究內(nèi)容是設計研究基于PCI總線并以DSP為核心的運動控制卡，對運動控制卡的硬件部分進行設計，并在此基礎上對運動控制卡的軟件進行設計，從而可以為后續(xù)開發(fā)研制成熟產(chǎn)品提供良好的軟硬件平臺。主要的研究內(nèi)容如下：

1．運動控制卡總體方案設計。對運動控制卡的整體結構進行分析，利用模塊化設計的思想設計一些主要功能，并在此基礎上設計本運動控制卡的總體設計方案，主要包括硬件部分的設計方案和軟件部分的設計方案。

2．運動控制卡的硬件設計。根據(jù)運動控制卡的硬件設計方案，對DSP芯片和PCI接口芯片等主要芯片的功能和特點進行研究，選擇適合本運動控制卡的芯片。在此基礎上進行運動控制卡的硬件設計工作，包括DSP的電源電路模塊、時鐘電路模塊、JTAG接口模塊、外擴存儲器模塊、步進電機的驅(qū)動模塊、上下位機通訊模塊以及輸入輸出接口模塊的設計工作，在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面，需要進行硬件抗干擾設計。

3．系統(tǒng)軟件設計。并采用模塊化程序設計方法，對DSP主控程序進行設計，包括DSP初始化模塊、DSP與PC機的實時通信模塊設計；在插補控制算法上，利用比逐點比較法精度更高的最小偏差法，設計直線和圓弧的插補算法并給出插補流程圖。

運動控制器設計要求

本文設計的運動控制器要求能應用于數(shù)控行業(yè)、機器人控制系統(tǒng)等領域。要求高速處理數(shù)據(jù)的能力，具有高集成度、高可靠性。主要性能指標和技術要求如下：

（1）具有4路模擬信號輸出，輸出電壓范圍為-10V 到+10V，同時具有 4路脈沖信號輸出，脈沖輸出頻率可達 4MHz，能控制交、直流步進電機和伺服電機。

（2）具有 4 路正交編碼器信號輸入接口，能采集 4 路增量式光電編碼器反饋信號，采集頻率可達 2MHz，能實現(xiàn)對電機速度和位置的實時檢測，滿足速度閉環(huán)和控制閉環(huán)控制系統(tǒng)的需要，位置寄存器的長度達到 32 位。

（3）設計并行通信接口能與 PC 機實現(xiàn)高速實時通信，同時設計 RS232 通信接口。

（4）采用開放式模塊化設計，同時實現(xiàn)高集成度。

（5）具有豐富的 I/O 接口，以實現(xiàn)對電機的控制和其他開關量信號的控制，比如限位信號、報警信號、原點檢測等。

（6）具有高速的運算處理能力，系統(tǒng)反應快，系統(tǒng)時鐘頻率為 150MHz。

（7）具有 S 曲線、T 型曲線、電子齒輪等運動控制方式，同時能實現(xiàn)多軸插補功能，能實現(xiàn)較復雜的算法。

（8）具有良好的軟件接口和功能豐富的函數(shù)庫，滿足多方面應用的需要。在實現(xiàn)上述性能與指標的同時，在設計中我們還應該遵循可靠性、模塊化、整體性、低成本等原則以此增強產(chǎn)品的市場競爭力。

設計方案：

硬件設計結構圖：

硬件設計結構圖

電源電路負責提供各模塊的電源，對 DSP 進行了 SRAM 和 FLASH 擴展，時鐘電路負責提供 DSP 和 FPGA 所需的時鐘信號，雙口 RAM用于負責 DSP 與 PCI總線的并行通信，電平轉(zhuǎn)換電路負責 RS232 與 DSP 之間的電平轉(zhuǎn)換。I/O 隔離負責各路 I/O 信號的光電隔離，專用輸入/輸出是一些電機控制中所必須有的 I/O 信號，通用輸入/輸出可用于其它 I/O 信號的控制，在 FPGA 模塊中設計了 D/A 轉(zhuǎn)換電路、脈沖輸出電路和編碼器輸入模塊。

FPGA硬件結構圖

脈沖輸出接口模塊主要任務是發(fā)送脈沖序列和方向指令給伺服驅(qū)動器，實現(xiàn)對電機的位移，速度，方向的控制。編碼器電路則是實現(xiàn)電機狀態(tài)的反饋，包括方向、速度等。A/D、D/A 模塊主要實現(xiàn)運動控制器跟伺服電機間模擬量與數(shù)字量之間的處理。I/O 接口則實現(xiàn)各種開關量信號的控制。本文沒有設計 A/D 轉(zhuǎn)換模塊，因為 DSP 自帶的 A/D 轉(zhuǎn)換接口可以滿足需求。在精度要求高的數(shù)控工業(yè)制造時可以用高精度 A/D 轉(zhuǎn)換芯片（如 AD7663）來實現(xiàn)，通過 FPGA 設計的A/D 接口傳遞給 DSP。

軟件總體設計

整個運動控制軟件系統(tǒng)可分為兩大塊：PC 層的軟件和 DSP 層的軟件。人機交互界面主要是提供包括工藝流程、軌跡規(guī)劃、狀態(tài)監(jiān)控等功能，提供用戶操作的界面環(huán)境。初始化程序后，對人機界面輸入的數(shù)據(jù)進行處理，代碼編譯生成相應的控制指令。設備驅(qū)動程序接口層是與硬件相關的一層，負責對運動控制器的硬件設備進行管理和控制，同時進行數(shù)據(jù)通信處理。DSP層的軟件通過對 PC層傳遞下來的指令代碼進行解析，然后實施具體的插補算法運算，并控制電機運動。同時將底層的狀態(tài)信息反饋給 PC 機。