运动控制器的硬件与软件设计
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基于PC104总线与MCX314As 芯片的运动控制器设计
— — 梁伟林
主要内容：
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章
绪论 运动控制器整体的功能设计 运动控制器的硬件设计 运动控制器的软件系统设计 运动控制器软硬件整体调试
第一章 绪论
❖ 1.1课题研究背景 一、数控技术的发展现状和趋势
在我国，数控技术起步于1958年，近50年的发展历程 大致可分为三个阶段： ❖ 第一阶段从1958年到1979年，即封闭式发展阶段。 ❖ 第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五” 的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶 段。 ❖ 第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间，即实 施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产 数控装备的产业化取得了实质性进步。
这类控制卡采用专用运动控制芯片作为板上的核心处理器。运动控 制芯片是为精密控制步进电机和伺服电机而设计的专用处理器。运动控 制芯片带有插补算法，能够完成大部分运动控制，大大简化了运动控制 系统的软硬件结构和开发工作。芯片厂家提供的文档资料充分，技术支 持良好，降低了开发难度，有利于快速开发。这种芯片运用广泛，主要 有PMD公司的Magellan系列、Navigator系列，日本NOVA公司的芯片等， 可选择的种类较多。
第一章 绪论
运动控制器常见的控制方案： 1. 基于单片机系统的控制器
主要以MCS-51, MCS-96等为代表的单片机为核心。这种控制卡控 制方式比较灵活，成本比较低。但采用的元器件较多，可靠性低、软硬 件设计工作量大，而且控制算法单一，运算及处理速度比较慢。 2. 基于PC的SOFT型控制器
它是指CNC的全部功能处理工作都由PC进行，并通过装在PC扩展 槽中的接口卡对伺服驱动进行控制。用户在Windows平台上，开发完成 数控系统中所有的实时任务和非实时任务，如编译、解释和插补等。这 是一种最新开放体系结构的数控系统，它提供给用户最大的选择和灵活 性，它的CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱 动和外部I/O之间的标准化通用接口。但由于CNC制造商不愿放弃多年 积累的专有技术，加上Windows操作系统本质上是非实时系统，对于高 速数控领域等，强实时性要求严格的系统，这种结构不能很好地满足要 求。
第一章 绪论
3. 基于通用DSP或FPGA的控制器 这类控制卡采用DSP或FPGA作为板上的核心控制芯片，具有很普
遍应用。由DSP或FPGA完成控制的功能（脉冲和方向信号的输出、编 码器反馈和限位等信号的检测等），提高处理速度。比如像深圳固高的 GT-800系列通用运动控制器。但是，由于底层DSP处理器上的插补等运 算，通信接口等都要开发者实现，开发难度相对大。 4. 基于专用运动控制芯片的控制器
这些模式方法总起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。
第一章 绪论
运动控制器在国内发展现状：
近年来，随着工业PC机的快速发展，可靠性大为提高， 以工业PC机为核心的控制系统己经被工业控制领域所接受。 在机床控制领域，采用工业PC机，发展通用化的数控系统， 己成为国际研究的热点，符合数控技术发展的潮流。同时， 围绕工业PC机开发的运动控制器及其应用也越来越多。国 内部分数控系统厂商采用PC+NC的方式，构建适合于需要 的运动控制系统，如北京机床研究所的中华系列，沈阳计算 所的“蓝天”系列，华中科技大学的“华中”系列、“航天” 系列等。
第一章 绪论
❖ 本课题研究的意义 ： 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段。 数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络、柔
性化、集成化的集成。数控装备的技术水平是一个国家工业现代化水平 的高低和综合国力的强弱的显著标志。
运动控制器在数控系统中占有十分重要的地位，是数控Leabharlann Baidu统的核心 部件之一。
与国外相比，我国在运动控制器的产品研发方面还比较落后，高端 产品基本上被国外公司垄断，我国作为世界上经济发展最快的国家，市 场上新设备的控制需求和传统设备技术升级换代，对运动控制器的需求 越来越大。此外，由于市场日益竞争的压力，系统集成商和设备制造商 要求运动控制系统向开放式方向发展。
进入20世纪90年代以后，受通用微机技术飞速发展的 影响，数控技术正朝着以PC机为基础，向着开放化、智能 化、图形化等方面进一步发展。
第一章 绪论
PC-NC 架构数控系统
第一章 绪论
❖ 1.1.2 运动控制器及其研究现状
定义：所谓运动控制器是通过对电机驱动的执行机构进 行运动控制，以实现预定运动轨迹目标的装置。
第一章 绪论
运动控制器在国外发展现状：
目前，开放式数控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 NGC(The Next Generation Work-station /Machine Controller)和OMAC(Open Modular Architecture Controller) 计划，欧洲的OSACA (Open System Architecture for Control within Automation System，自动化系统中控制器的 开放式体系结构)计划，以及日本的OSEC (Open System Environment for Controller)计划。
在这样的形势下，我国应该抓住这一机遇，研制出具有自主知识产 权，具有高水平、高质量、高可靠性的开放式运动控制器产品。
第二章 运动控制器整体的功能设计
总线接口的选择： ❖ ISA 总线 ❖ PCI 总线 ❖ PC/104 总线
根据三种总线的特点做比较，由于现在的主板供应商很 多不提供ISA接口插槽，故不采用该接口。而PCI总线的控制 器数据传输速度虽然要比ISA和PC104高，但因为PCI总线 设计难度和费用较高，在经济上普通用户难以承受。PC104 是专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，它比插卡型稳 定性能更好，比较适合本课题运动控制器的设计。
— — 梁伟林
主要内容：
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章
绪论 运动控制器整体的功能设计 运动控制器的硬件设计 运动控制器的软件系统设计 运动控制器软硬件整体调试
第一章 绪论
❖ 1.1课题研究背景 一、数控技术的发展现状和趋势
在我国，数控技术起步于1958年，近50年的发展历程 大致可分为三个阶段： ❖ 第一阶段从1958年到1979年，即封闭式发展阶段。 ❖ 第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五” 的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶 段。 ❖ 第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间，即实 施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产 数控装备的产业化取得了实质性进步。
这类控制卡采用专用运动控制芯片作为板上的核心处理器。运动控 制芯片是为精密控制步进电机和伺服电机而设计的专用处理器。运动控 制芯片带有插补算法，能够完成大部分运动控制，大大简化了运动控制 系统的软硬件结构和开发工作。芯片厂家提供的文档资料充分，技术支 持良好，降低了开发难度，有利于快速开发。这种芯片运用广泛，主要 有PMD公司的Magellan系列、Navigator系列，日本NOVA公司的芯片等， 可选择的种类较多。
第一章 绪论
运动控制器常见的控制方案： 1. 基于单片机系统的控制器
主要以MCS-51, MCS-96等为代表的单片机为核心。这种控制卡控 制方式比较灵活，成本比较低。但采用的元器件较多，可靠性低、软硬 件设计工作量大，而且控制算法单一，运算及处理速度比较慢。 2. 基于PC的SOFT型控制器
它是指CNC的全部功能处理工作都由PC进行，并通过装在PC扩展 槽中的接口卡对伺服驱动进行控制。用户在Windows平台上，开发完成 数控系统中所有的实时任务和非实时任务，如编译、解释和插补等。这 是一种最新开放体系结构的数控系统，它提供给用户最大的选择和灵活 性，它的CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱 动和外部I/O之间的标准化通用接口。但由于CNC制造商不愿放弃多年 积累的专有技术，加上Windows操作系统本质上是非实时系统，对于高 速数控领域等，强实时性要求严格的系统，这种结构不能很好地满足要 求。
第一章 绪论
3. 基于通用DSP或FPGA的控制器 这类控制卡采用DSP或FPGA作为板上的核心控制芯片，具有很普
遍应用。由DSP或FPGA完成控制的功能（脉冲和方向信号的输出、编 码器反馈和限位等信号的检测等），提高处理速度。比如像深圳固高的 GT-800系列通用运动控制器。但是，由于底层DSP处理器上的插补等运 算，通信接口等都要开发者实现，开发难度相对大。 4. 基于专用运动控制芯片的控制器
这些模式方法总起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。
第一章 绪论
运动控制器在国内发展现状：
近年来，随着工业PC机的快速发展，可靠性大为提高， 以工业PC机为核心的控制系统己经被工业控制领域所接受。 在机床控制领域，采用工业PC机，发展通用化的数控系统， 己成为国际研究的热点，符合数控技术发展的潮流。同时， 围绕工业PC机开发的运动控制器及其应用也越来越多。国 内部分数控系统厂商采用PC+NC的方式，构建适合于需要 的运动控制系统，如北京机床研究所的中华系列，沈阳计算 所的“蓝天”系列，华中科技大学的“华中”系列、“航天” 系列等。
第一章 绪论
❖ 本课题研究的意义 ： 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段。 数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络、柔
性化、集成化的集成。数控装备的技术水平是一个国家工业现代化水平 的高低和综合国力的强弱的显著标志。
运动控制器在数控系统中占有十分重要的地位，是数控Leabharlann Baidu统的核心 部件之一。
与国外相比，我国在运动控制器的产品研发方面还比较落后，高端 产品基本上被国外公司垄断，我国作为世界上经济发展最快的国家，市 场上新设备的控制需求和传统设备技术升级换代，对运动控制器的需求 越来越大。此外，由于市场日益竞争的压力，系统集成商和设备制造商 要求运动控制系统向开放式方向发展。
进入20世纪90年代以后，受通用微机技术飞速发展的 影响，数控技术正朝着以PC机为基础，向着开放化、智能 化、图形化等方面进一步发展。
第一章 绪论
PC-NC 架构数控系统
第一章 绪论
❖ 1.1.2 运动控制器及其研究现状
定义：所谓运动控制器是通过对电机驱动的执行机构进 行运动控制，以实现预定运动轨迹目标的装置。
第一章 绪论
运动控制器在国外发展现状：
目前，开放式数控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 NGC(The Next Generation Work-station /Machine Controller)和OMAC(Open Modular Architecture Controller) 计划，欧洲的OSACA (Open System Architecture for Control within Automation System，自动化系统中控制器的 开放式体系结构)计划，以及日本的OSEC (Open System Environment for Controller)计划。
在这样的形势下，我国应该抓住这一机遇，研制出具有自主知识产 权，具有高水平、高质量、高可靠性的开放式运动控制器产品。
第二章 运动控制器整体的功能设计
总线接口的选择： ❖ ISA 总线 ❖ PCI 总线 ❖ PC/104 总线
根据三种总线的特点做比较，由于现在的主板供应商很 多不提供ISA接口插槽，故不采用该接口。而PCI总线的控制 器数据传输速度虽然要比ISA和PC104高，但因为PCI总线 设计难度和费用较高，在经济上普通用户难以承受。PC104 是专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，它比插卡型稳 定性能更好，比较适合本课题运动控制器的设计。