单轴数控系统的架构

些公 司相 继推 出高性能 的专用控 制芯片 ， Ｎ ｔ ｎｌ 如 ａ ｏａ ｉ
采 ＣＩ实 用Ｐ 现 Ｄ
现匀加减速控制 ， 而不能实现 ｓ 加减速控制 ， Ｐ Ｌ一 ３ 如 Ｃ ８９ 运动控制卡 ， 因而这类控制器基本满足单轴点位控制的场 合， 但对于控制精度要求高和高速轨迹插补控制 的设备 ， 这类运动控制器还不能满足要求。随着电子技术的发展 ，
一
的 运 动 控 制 系 扩 电 ≥ ： 脉 产 电 ｌ 统 展路 ＝ 冲生 路
１１基于可编程逻辑控制器（Ｌ ）的单轴数控 ． ＰＣ
基于 Ｐ Ｃ的单轴数控的解决方案 ， Ｌ 其控制部件采用
可编程 逻辑 控制器 Ｐ Ｃ 这 种 方 案硬 件 工 作 量小 、 Ｌ， 开发 周
期短 ， 特别适用开关量较多的控制场合 ， 以及采用 Ｐ Ｃ编 Ｌ 程容易实现而采用其他高级语言通过复杂算法才能实现
同时， Ｓ Ｄ Ｐ芯片通 常 都 集成 了 电机 控 制 系统 所必 需 的输
入／ 输出、 数模转换 、 事件捕捉等功能 ， 因此以 Ｄ Ｐ为核心 Ｓ
的运动 控制器 能 为数控 系统提 供复 杂 的运动轨 迹规 划 、 误
图２ 基 于单 片机 的 单轴 数 控 系统
差 补偿 等算法 ， 能够实 现闭环 控 制 。图 ５为一 种 以 Ｄ Ｐ Ｓ 为 核心 的运 动控制 器 。
所 需外 围器 件较 多 ， 统 比较 复杂 ， 时软 件 编 程 的难 度 系 有
便的扩展所需要 的功 能。国 内深圳摩信公 司 的 Ｍ Ｔ一 Ｃ
８０ ００系列运动控制器 、 固高公司的 Ｇ ８０系列运动控 Ｈ一 ０ 制器 ， 都是基于 Ｄ Ｐ的运动控制器 ， 比较成熟 的产品。 Ｓ 是
・
２ ・ ４
单轴 数 控 系统 的架构
张伟
（ 枣庄科技职业 学院， 山东 滕 州 ２７０ ） ７ ５０
摘要： 本文对单轴数控 系 统的架构进行了 介绍， 论述了 基于可编程逻辑控制器、 微处理器、Ｃ十 Ｐ 运动控制器的三种单轴数
控 系统的硬件 构造方案 ， 了三种方案的特 与应 用场合 ， 分析 占 、 为草轴数控系统的设计提供 了方法。 关键词 ： Ｌ 单 片 ＰＣ 机 运动控 制器 单轴数控 系统
Ｋｅ ｒ ｓ Ｐ Ｃ；ｉ ｇｅ ｃ ｉ ｏ ｕ ｅ ； ｔ ｎ ｃ ｎ ｒ ｌ ｒ ｓ ｇｅ ａ ｉ Ｃ ｙ ｔｍ ｙ ｗｏ ｄ ： Ｌ ｓｎ ｌ— ｈ ｐ ｃ ｍｐ ｔ ｒ ｍｏ ｉ ｏ ｔｏｌ ；ｉ ｌ— ｓ ＮＣ ｓ ｓ ｏ ｅ ｎ ｘ ｅ
随着 机 电一体化 技术 的发展 ， 自动化装 备应用 １益广 ３
场合 仅 涉及单 轴运 动控制 问题 ， 在压 力机 、 印 机 、 比如 压 打
Ｐ Ｃ的单轴数控系统 ， Ｌ 功能简单 ， 属于单任务的数控 ， 多用
于简单循环的位置控制 ，Ｌ Ｐ Ｃ是专为工业环境应用而设计
的 一 种 自动 控 制产 品 ， 干 扰 抗 能力 强 ， 靠 性 可 高 。 图 １是 一 种 由 Ｐ Ｃ 直 接 Ｌ
图 基于Ｐ：运动控制器的单轴数控 ３ （ ＋
Ｉｏ ／ 扩展 ＝ ＝
理
器
＝
译码电路
联 ， Ｃ机处 理非 实时 部分 ， 时控制 则 由插 入 Ｐ Ｐ 实 Ｃ的运 动
控制器来承担。可利用运动控制器提供 的驱动程序 ， 进行 二次开发， 以满足设计者要求 的运动。 根据运动控制器 的控制方法不 同， 于 Ｐ ＩＣ ＋ 基 Ｃ（ ） Ｐ
了生 产效 率与产 品质 量 。
１２基 于数 字 信号 ．
基于数字信号处理器 （ Ｓ ） Ｄ Ｐ 或单片机 （ Ｃ ）的单轴 ＭＵ 数控， 以数字信号处理器（ Ｓ ） Ｄ Ｐ 或单片机（ Ｃ ） Ｍ Ｕ 作为主控
单元， 配以周 围扩 展电路 ， 比如键 盘显示 、 储器 、 展 存 扩 ＩＯ 总线等接 口。经济型数控系统多采用 Ｍ Ｓ一５ ／ 、 Ｃ １系 列单片机或 Ｍ Ｓ 一９ Ｃ ６系列单 片机 ， 一般用 于开环控制 中， 限制了经济型数控机床性能的提高 。图 ２是基于单
的场合 ， 防止 步 进 电机 丢 步 的 加 减 速 控 制 功 能 。基 于 如
泛， 数控技术对加工效率和制造精度的影响越来 越大 ， 现 在数控技术不仅仅应用在数控机床上 ， 在化 工、 纺织 、 轻 工、 包装 、 制药等领域都广泛应用 ， 在这些领域的自动化控 制设备中， 除了常见的两轴、 三轴等多轴运动控制外 ， 许多
扰 能 力 以 及 系 统 的稳 定 性 得
场合 ， 基于 Ｄ Ｐ的运动控制器已成为伺服运动控制的首 Ｓ 选器件 ， 是运动控制器的发展方 向， 在将来 的数控系统应 用中， 应用前景广阔。
３ 运动控 制器 的核 心为专 用运 动控制 芯片 ） 专用 运动 控制 芯片是 指将 控 制 电机 所 需要 的相关 逻 辑功 能 、 关运 动规划 集成 于一 片专用 芯片 中 。早 期基 于 相 专用 运动控 制 芯片 的运 动控 制 器 大多 数 只 能输 出 脉 冲信
中图分类号：Ｐ３ Ｔ Ｚ
文献标识码－ 文章缔号 Ｏ 曩 ８６２ ０ 净 ０ ０ ＝ Ａ ｌ ２ ６８（ １）２ ０ ３ Ｏ ０２
Ｓ ｒ ｃｕ ｅ ｏ ｈ ｉ ｌ— ｘｓＣＮＣ ｙ ｔｍ ｔｕ ｔ ｒ ｆｔ ｅ Ｓｎｇｅａ ｉ Ｓ ｓｅ
ＺＨＡＮＧ ｅ Ｗ ｉ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｎ ｔ ｉ ｐ ｐ ｒ， ｅ ｓｒ ｃｕ ｅａ ｄ ｄ ｖ ｌｐ ｎ ｅ ｄ ｏ ｅ ｓｎ ｌ— ｘ ｓＣ ｙ ｔ ｍ ｒ ｎｒ ｄ ｃ ｄ ， ｒｅ ｓｒ ｃｕ ｅｓ ｈ ｍｅ ｓ ｒ ｃ ：Ｉ ｈｓ ａ ｅ ｔ ｔｕ ｔ ｒ ｎ ｅ ｅｏ ｉ ｇ ｔ ｎ ｆ ｈ ｉ ｇｅ ａ ｉ ＮＣ ｓ ｓｅ ａ ｅｉ ｔ ｕ ｅ ｔ ｅ ｔ ｔ ｅ ｅ ｓ ｈ ｒ ｔ ｏ ｈ ｕ ｒ ０ ｈ ｉｇ ｅ ａ ｉ ＣＮＣ ｓ ｓｅ ｂ ｓ ｄ ｏ Ｌ ＭＣ Ｐ ｎ ｔ ｎ ｃ ｎ ｒ ｌ ｒａ ｅｄ ｓ ｒ ｅ ．ｔ ｉ ａ ｅ ｎ ｌ ｚ ｓｔ ｅ ｃ ａ ａ ｔｒｓ ｃ ｎ ｆ ｅ ｓｎ ｌ — ｘｓ ｔ ｙ ｔ ｍ ａ ｅ ｎ Ｐ Ｃ、 Ｕ、 Ｃ ａ ｄ ｍｏｉ ｏ ｔ ｌ ｒ ｅ ｃｉ ｄ ｏ ｏｅ ｂ ｈ ｓｐ ｐ ｒａ ａｙ ｅ ｈ ｈ ｒ ｃｅ ｉ ｉ ｓａ ｄ ｔ
１ 单轴数控的架构
在 自动化控制设备 中采用单轴数控时 ， 由于应用场 合与应用要求不同， 其型式亦多种多样 ， 常见 的方案一般 用工控机（Ｐ ）数字信号处理器（ Ｓ ）可编程逻辑控制 ＩＣ 、 ＤＰ 、
器（ Ｌ ）单片机（ Ｃ ） ＰＣ 、 Ｍ Ｕ 作为控制单元来完成位置或速度
的控 制 …。
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２５ ・
理想 的开放式数控系统 。
数字信号处理器 Ｄ Ｐ芯片是一种具有特殊结构的微 Ｓ
处 理器 ， 哈佛 结 构 （ 采用 多组 总 线 结构 ）流水 线 技术 以及 、 特 殊 的处 理数 字信 号 的 Ｄ Ｐ指 令 ， Ｓ 在计 算 复 杂 、 性 要 实时
求较高的应用场合 下，比一般 的单 片机有更高 的效率。
ａｐｉ ｔ ｎ ｆ ｈｅ ｔ ｃ ｒ ｓｈｍ ｓ ｐｏｉｅ ｔｏ ｒ ｅｉ ｆ ｈ ｉｇ ａｉ Ｃ Ｃ ｓｓ ｍ． ｐｌ ａ ｏｓｏ ｔｒｅｓ ｕｔ ｅ ｃｅ ｅ ， ｒｖ ｓ ｍｅ ｄｆ ｓ ｎｏ ｔｅｓ ｌ ｘ ｓ Ｎ ｙｔ ｃｉ ｒ ｕ ｄ ａ ｈ ｏｄ ｇ ｎ ｅ— ｅ
外定中 Ｉ 部 时 断
上位机与下位 机的串 ｔ通讯 ｑ ㈢ 电路 Ｃ ＝＝ 盟 片
译 电 码路
倍频鉴 向电路
到 提 高。图 ４
为一种 基 于单
号， 用于开环控制方式中对步进电机 的控制 ， 有的仅能实
计数 电路
机控 接 ： ＝ 片 机 与 Ｃ ｌ 电 制 口Ｉ 机 ＰＪ Ｄ
运动控制器 ， Ｐ Ｄ高度集成 ， ＣＬ 通过对其 编程设 计 ， 将传 统的译码 、 倍频鉴 向、 计数等电路功能用一片 Ｃ Ｌ Ｐ Ｄ完成 ，
实 现 了用软 件代 替 硬 件 的 功 能 ， 化 了硬 件 系统 的复 杂 简 性， Ｃ Ｐ Ｂ面积减 小 、 降低 ， 动 控 制器 的灵 活性 、 干 成本 运 抗
串口通讯 ＝ 数 ｛
字
运 动 控 制 器 是 Ｐ 与 伺 Ｃ 服 系统 之 间 的
桥 梁 ， 动 控 运
计数 电路（４ Ｓ ９ ） ７ Ｌ １３
ｒ
信
倍频鉴 向电路
Ｐ。 接 Ｉ ＲＢ 口 号 Ｅ ＝》
处 ＝ ＝ 脉冲产 生电路（２ ４ ８５）
பைடு நூலகம்
制 器 通 过 总 线 与 Ｐ Ｉ Ｃ） Ｃ（Ｐ 相
数 控 系统 ， 新 方 达 的 Ｃ Ｃ一 ６ 南京 Ｎ １Ｄ单轴 数 控 系 统 ， 些 这
控 制 的简 易 数
控 钻 床 的 单 轴 数 控 系 统 组 成
框 图 。
图 １ 基 于可 编 程 逻辑 控 制 器 的单 轴 数 控 系统
单轴数控系统的大量应用显著提高了生产的自动化 ， 提高
高性 能 的 Ｄ Ｐ 动控 制器不 但 可 以适 用那 些低 要 求 的场 Ｓ运 合 ， 可 以适 用那 些 对 系统 性 能 、 度 和精 度 要 求 高 的 而且 速
也较大 。为降低系统电路板 的复杂性 ， 提高可靠性 ， 现在
常用基 于单 片 机 和 Ｃ Ｌ （ 杂 可 编 程 逻 辑 器 件 ） 构 的 ＰＤ 复 架
运动 控制 器 的开放 式单 轴数 控可分 为 以下 三种形 式 ：
图 ５ 基 于Ｄ Ｐ 运 动 控 制 器 Ｓ的
基于 Ｄ Ｐ的运动控制器系统功能强大， Ｓ 外围电路少 ，
系统 的可靠 性高 。另外 ， 许多 功能都 可 以通 过 软件 编 由于 程 来实 现 ， 因此 ， 统升 级容 易 ， 展性 、 护性 好 ， 系 扩 维 如美 国
１运动控制器 的核心为单片机 ）
以单 片机 为核 心 的运 动控 制 器通 过 硬 件 和编 程 可 以
Ｄ ｌ ａ ｅ ａ ｕ公司的 Ｐ Ａ ｔＴ Ｍ Ｃ可编程多轴运动控制器采用摩托 罗拉 的 Ｄ Ｐ为核心 Ｃ Ｕ， Ｓ Ｐ 具有完全的开放体 系， 以很方 可
实现较多功能 ， 完成许多复杂的控制算法 ， 灵活性和适应 性有了一定 的提高 ， 多用于一些性能要求不高的场合 ， 然 而单片机处理器的运算速度有限 ， 处理能力 有限； 单片机
器 。
由 于 单 片
图 基于单片机与ｃＬ 的运动控制器 ＰＤ
机的自身 内在本质结构 ， 其难以满足运算量较大的实时信
号处理的需要 ， 以实现先进控制算法 ， 难 如模糊控制 、 复杂 预测性控制等 ， 因此基于单片机微处理器构成的运动控制 器不适用于一些高精度 、 高速度的运动控制场合。 ２ 运动控制器 的核心为数字信号处理器 ）
标机 、 磨床 、 剪折板机 、 组合机床 、 数控转台和 自动生产线 等控制领域。为了适应竞争以及满足市场的需求， 各数控 厂家纷 纷推 出 了单 轴控制 系统 ， 广州数 控设 备厂 的 如 Ｇ Ｋ ９ 单轴数控系统 、 Ｓ ９１ 北京凯恩帝数控技术有 限公司的 ＫＳ Ｉ 单轴数控系统、 上海开通数控有限公司的 Ｋ ７０ Ｔ０ 单轴
片机的单轴数控系统的硬件架构 。
由于 Ｄ Ｐ相对 ＭＣ Ｓ Ｕ拥有巨大优势 ，Ｓ Ｄ Ｐ愈来愈多的 用于数控系统 的构建， 如美 国德 州仪器公 司（ Ｉ生产的 ｒ） ｒ Ｔ Ｓ２ Ｍ ３０系列数字信号处理器 ， 功能强大、 全面， 对机床可 进行闭环控制 ， 精密控制 。
１３基于 Ｐ （Ｐ ） 运 动控制器 的开 放式 单轴数 控 ． Ｃ ＩＣ ＋ 基 于 Ｐ 运 动控制 器 的开放式数 控 系统是 当前最 为 Ｃ＋