大学毕业设计运动控制卡的设计.docx

大学毕业设计运动控制卡的设计.docx

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大学毕业设计运动控制卡的设计

摘要

近年来,随着计算机技术、微电子技术和数控技术的发展,开放式数控系统已成为一个重要的发展方向。

作为开放式数控系统的重要组成部分,运动控制卡的研究和开发也日渐受到重视。

从发展趋势来看,基于CAN总线的,以CPLD和FPGA作为核心处理器的开放式运动控制器正成为主流。

这类开放式运动控制器以CPLD或FPGA芯片作为运动控制器的核心处理器,以PC机作为信息处理平台,运动控制器以插卡形式嵌入PC机,也就是采用“PC+运动控制器”的模式,这样的模式将PC机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合在一起,具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点。

本次设计了一种将CPLD控制应用于运动控制板卡设计的系统，该系统以MAXIIEPM570T14为核心。

在设计中以输出两路脉冲波形为目的，其中一路波形滞后另一路90°，并且能实现输出脉冲频率的可调节，从而控制步进电机的精确运转。

设计中采用MAXIIEPM570T144作为控制器，以VerilogHDL作为设计语言，用Quartus仿真软件分别对分频模块、调频模块和滞后模块进行了仿真。

关键字：

运动控制板卡，步进电机，VerilogHDL，CPLD，FPGA，Quartus

ABSTRACT

Inrecentyears,withthedevelopmentofcomputertechnology,microelectronictechnologyandNCtechnology,openCNCsystemhasbecomeanimportantdevelopmentdirection.AspartoftheopenCNCsystem'simportantcomponent,motioncontrolcardresearchanddevelopmenthasbeengivenmoreandmoreimportance.Fromthepointofdevelopmenttrend,basedontheCANbus,CPLDandFPGAasthecoreprocessoroftheopenmotioncontrollerisbecomingthemainstream.ThiskindofopenmotioncontrollerwithCPLDorFPGAchipasthecoreprocessorofmotioncontroller,withPCastheinformationprocessingplatform,motioncontrollerinembeddedPCplug-incardform,alsoistheuseof"PC+motioncontroller"mode,thismodelwillbePCmachineinformationprocessingabilityandopencharacteristicsandmotioncontrollerfortrajectorycontrolabilityorganicallytogether,withinformationprocessingability,highdegreeofopening,motiontrajectorycontrolaccuracy,goodversatility.

ThegraduationprojectdesignsaCPLDcontrolappliedinmotioncontrolcarddesignsystem,thesystemusesMAXIIEPM570T14asthecore.Thepurposeofthedesignwastooutputtwopathsofpulsewaveform,onewaveformlaganother90degrees,andcanrealizetheoutputpulsefrequencyadjustable.

InthisdesignusestheMAXIIEPM570T144asthecontroller,usingVerilogHDLasadesignlanguage,usingQuartussimulationsoftwareforfrequencydivisionmodule,frequencymodulationmoduleandlagmodulesimulationwascarriedout，thuscontrolprecisionsteppermotorrunning.

Keywords:

motioncontrolcard,stempingmotor,Verilog,CPLD,FPGA,Quartus

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

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涉密论文按学校规定处理。

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注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

1绪论

1.1选题的背景和意义

1.1.1选题的背景

运动控制卡是一种基于工业PC机、用于各种运动控制场合（包括位移、速度、加速度等）的上位控制单元。

它的出现主要是因为：

（1）新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求；

（2）在各种工业设备（如包装机械、印刷机械等）、国防装备（如跟踪定位系统等）、智能医疗装置等设备的自动化控制系统研制和改造中，急需一个运动控制模块的硬件平台；（3）PC机在各种工业现场的广泛应用，也促使配备相应的控制卡以充分发挥PC机的强大功能。

运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速DSP作为运动控制核心，大多用于控制步进电机或伺服电机。

一般的，运动控制卡与PC机构成主从时控制机构：

PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作（例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹的规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等）；控制卡完成运动控制的所有细节（包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速、原点和限位等信号的检测等等）。

运动控制卡都配有开放的函数库供用户在DOS或Windows系统平台下自行开发、构造所需的控制系统。

因而这种结构开放的运动控制卡能够广泛地应用于制造业中设备自动化的各个领域。

这种运动控制模式在国外自动化设备的控制系统中比较流行，运动控制卡也形成了一个独立的专门行业，具有代表性的产品有美国的PMAC、PARKER等运动控制卡。

在国内相应的产品也已出现，如成都步进电机有限公司的DMC300系列卡已成功地应用于数控打孔机、汽车部件性能试验台等多种自动化设备上。

近年来，随着工业PC机的快速发展，可靠性大为提高，软、硬件功能越来越成熟，而价格却大幅度降低，以工业PC机为核心的控制系统能够充分利用计算机技术发展的现有成果，柔性强，功能完善，因而这种系统在工业控制领域越来越广泛地应用。

在机床控制领域，采用工业PC机，开发开放式、软件化的数控系统、加工中心、柔性制造系统等，已成为国际研究的热点，符合数控技术发展的最新潮流。

同时，围绕工业PC机开发的实用功能扩展及其应用也越来越多，运动控制卡的产生便是其中一例。

在机电一体化领域中，运动控制卡的作用是控制执行机构（如步进电机或伺服电机）按照一定的速度和轨迹运行。

在一些控制较为复杂、要求有人机对话的场合已经有了广泛的应用。

目前运动控制卡所应用的场合大多数为开环控制，即由运动控制卡所发出的控制信号，使被控机构实现期望的位置控制、速度控制、加速度控制，以及对这些被控运动参数的综合控制，而没有将最终机构的运动参数（比如实际位置、速度）反馈给控制卡。

在位置控制方面，由于传动机构加减速、滚珠丝杠等都有一定的传动间隙、变形等，造成目标位置的的误差，很难达到很高的定位精度。

因此为了在机械加工过程中获得较高的加工精度，开发具有全闭环功能的运动控制卡，是摆在我们面前的重要课题。

1.1.2国内外研究的现状

早期的运动控制卡主要是针对数控等行业的专用控制器，可以独立完成运动控制功能、工艺技术要求的其它功能，并且无需另外的处理器和操作系统支持。

经过几十年的市场竞争，随着现代科学技术的进步，这种运动控制卡由于其自身的特性限制，如封闭式结构、控制软件的兼容性、容错性和缺少网络功能等，已不能满足现代工业和社会发展的需要。

为此，1987年开放式运动控制系统开始兴起，首先是美国空军在美国政府的资助下提出了“开放系统体系结构标准规格（OSAOA）”，其后许多相关的研究计划在世界各国相继启动，其中影响较大的有美国的开放式模块化结构控制器OMAO（OpenModularArchitectureController）、欧洲的OSAO（OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomation）和日本的OSEC（OpenSystemEnvironmentforControllerArchitecture）等计划。

再实施计划的同时，欧美等发达国家的公司也一直致力于研究开发开放式运动控制器。

在美国，开放式运动控制器被誉为新一代的工业控制器，已经有超过200多家公司从事运动控制器软硬件产品的研发制造，运动控制器产品的年销售额已超过20亿美元，占有世界运动控制器市场份额80%以上，最著名的运动控制器制造商有DeltaTau、Galil、Aerotech、Tech80等，美国还专门成立了运动控制器工程师协会（AIME），由此不难看出运动控制器系统的重要性。

在日本，开放式开放式运动控制器被认为是未来的第三次工业革命，并有预测其应用的普遍性将与目前广泛应用的PLC类似，代表的厂商有MAZAK公司和NOVA公司等。

美国DeltaTauDataSystem公司推出的PMAC系列伺服控制卡比较有代表性。

PMAC-PC以Motorola公司的DSP56001为微处理器，主频20/30MHz，60/40微妙/拍的伺服更新率，36位位置范围（64千兆计数范围），16位DAC输出分辨率，10/15MHz编码计数率，每秒可处置多达500条程序，可以完成直线或圆弧插补，“S-曲线”加速和减速，三次轨迹计算、样条计算。

利用DSP强大的运算功能实现1到8轴多拍实时伺服控制。

实际上，PMAC-PC卡本身就是一个完整的计算机系统。

依靠集成在卡上ROM中的程序，它能独立完成实时、多任务控制，而无需主机介入。

从市场需求来看，以美国DeltaTauDataSystem公司的PMAC系列卡为例，在全球的销售量超过45000套，被用于数控机床、医疗器械、工业机器人等需要高精度位置控制领域。

著名的哈伯特望远镜面就是由PMAC系列轴卡系统来控制研磨的。

我国上海磁悬浮列车高架钢梁的设计，需要使用6轴控制卡进行加工。

在国外，已有多种商品化的运动控制主板，较著名的有：

Galil、CompuMotor、PMAC、FANUC、SIMENS、AB等系统，这些系统的共同点是：

1.均可在高级语言下直接编程；

2.均可在Windows平台下工作，可使用VB、VC等语言；

3.通过采用特殊的中断方式，一般都具有很好的实时性，并具有Windows系统的多任务型；

4.均为多轴联动系统，具有直线和圆弧插补功能；

5.均可进行位置及速度水平的控制，在启动和停止阶段具有加速度水平的控制，使系统具有较好的动态响应特征；

6.可对直、交流伺服电机及液压伺服马达进行控制。

前三种是通用的多轴运动控制卡，而后三种为典型的数控系统，主要应用于数控机床。

这几种系统都以实现了功能强大的开放化和柔性，其产品本身具有功能强大的开放式配套软件，这些软件提供给用户非常多的功能，用户可在短期内方便的通过二次开发出自己的产品，所以这种系统受到用户的欢迎。

虽然国外的同类产品在性能方面具有许多优势，但他们也具有许多不足之处，主要表现在一下几方面：

1.价格昂贵，以Galil运动控制主板为例，一个八轴的Galil运动控制主板为4000美元，再加上一些其他辅助设施将达到5000美元左右；

2.对一般数控系统经常要求的限位功能没有过多考虑，主要原因是作为通用多轴控制器，是面向一般用户的（无论机器人，还是数控，一般运动时有一定限度范围的）

3.寻零功能有的还不完善

在后两个不足之处主要是通用多轴运动控制卡才出现的。

认真地研究了国外先进的Galil、ComputMotor及东芝系列等电机控制系统，可以发现这些控制系统均可适用于步进电机、交流伺服电机、直流伺服电机及液压伺服元件的运动控制，其控制精度高，工作可靠，具有优良的工作特性。

其中，尤其值得推崇的是许多国外的这类系统都提供了高级语言的工作平台，用户可采用C++、VB和VISUALC++等对其驱动器直接进行编程控制。

此外，他们大多都提供了共有1~6轴控制等不同规格的控制板以适应不同要求的情况。

可使用其工作平台，很方便地对所设计的多轴系统进行智能运动控制，实现复杂的平面和空间运动及各种变速运动。

借助于这样先进的控制系统，国外的许多设计者免除了国内设计者要花很大力气完成的底层设计工作。

即提高了工作效率，又使所设计控制系统具有很好的通用性。

早在“八五”期间，国内一些研究单位为实现特殊的需要，并从开发的难度、成本的高低等方面考虑，采用“PC机+运动控制卡”的方式，构建适合于需要的运动控制系统。

如北京研究所的中华系列，沈阳计算所的“蓝天”系列，华中科技大学的“华中”系列等数控系统。

这些系统采用模块化，嵌入式软、硬件结构，其中以华中I型较具有代表性，它采用工业PC机加控制卡的结构，运行在DOS平台上，具有较好的模块化、层次化特征和一定扩展性、伸缩性。

但是这些系统中的运动控制卡都是有用在基于PC的系统中，并没有形成一种通用的、系列化应用于市场的产品。

直至近年，固高科技（深圳）有限公司成立，这是国内（大陆地区）较早专业开发、生产开放式运动控制器产品的公司，并且目前已有一系列的运动控制器，如基于计算机标准总线运动控制器GT系列等，填补了国内相关行业的多项空白。

此外，该公司以运动控制器为核心派生了众多面向行业应用的控制系统，形成了一定规模，其中2003年未研制成功的GH-800型控制卡是较先进的轴控制卡。

GH-800运动控制器能够控制八个伺服轴或四个步进轴，并可实现伺服轴和步进轴的任意组合，控制信号的输出有多种形式，可为模拟量、脉冲或PWM。

用户可通过控制器的扩展口实现最多达16轴的控制，但成本很高。

除固高公司外，还有其他众多公司开发生产的运动控制器，如深圳雷赛公司、摩信公司以及成都步进电机公司等。

其中深圳摩信公司独立开发了基于网络技术的具有开放式结构高性能MCT8000系列运动控制器，控制器的CPU采用TI公司主频。

和传统的运动控制器产品相比，所有摩信科技的产品都具有开放式结构，高速高精度，网际在线控制，多轴同步控制，可重构性，高集成度，高可靠性和安全性的卓越性能。

　　MCT8000系列产品可广泛应用于半导体加工设备，工业机器人，数控机床，医疗设备，纺织设备，印刷设备，自动化装配线，数据采集和处理，智能家电以及需要网际在线和无线漫游控制的各种场合。

尽管目前国内已有一些较高的档的运动控制卡，但是与国外的运动控制卡相比还存在一定的差距，主要的缺陷有：

1）不支持目前比较先进的NURBS样条曲线插补控制，运压NURBS曲线插补可以进行三次以上的轨迹运算，从而提高运动的速度和精度。

2）控制系统的封闭性使它的扩充和修改极为有限，造成用户对供应商的依赖，并难以将自己的专门技术、经验集成于运动控制卡内。

此外，专用的软硬件结构也限制了系统本身的持续开发，使系统的开发投资人，周期长、风险高，更新换代慢，不利于运动控制系统的发展和进步。

1.1.3应用及发展趋势

运动控制技术日新月移，不论是ASIC或是DSP为核心的运动控制卡，均有其优越点。

在高端应用上，对于控制的实时性要求会是一个新趋势，串行式的通信技术加上DSP的运动控制，程序运动控制的技术将可以让用户在精密机械的控制中，提升控制精度与效能，缩短往复运动的周期时间，进而增加机器设备的生产产能。

1.2研究的基本内容

1.2.1CPLD的设计

本设计的关键还是在于内部芯片程序的设计。

由于EDA软件的功能日益强大，原来功能单一的软件，现在增加了很多新的用途。

本次设计采用的是Altera公司的CPLD芯片，我们会利用QuartusII进行设计，其中采用文本编辑器，来进行VerilogHDL语言的设计。

其中各个模块用VerilogHDL语言设计，然后用原理图设计法把各个模块组合起来，形成整个系统模块。

本设计共包含三个模块，即分频模块、调频模块、滞后模块，三个模块的主要功能如下：

1.分频模块：

把实验板上晶振频率（48MHz）分频到我们需要的频率,既400Hz，便于观察。

2.调频模块：

把分频模块的输出频率进行调节，主要是通过改变外部三个管脚的高低电平，来模拟外界的变化，输出我们所需要脉冲的频率，用以控制步进电机的运转，实现步进电机的速度可调。

3.滞后模块：

目的是输出的一路脉冲滞后于另一路脉冲90°。

另外，CPLD器件的选择也是一个关键。

我们拟采用CPLD通用版来设计，这样的话，包括基准时钟在内的所有芯片外的东西，都需要外部接入来完成，因此对芯片结构的了解也是一个关键。

1.2.2外围电路的设计

外围电路都是一些最基本，最常见的模拟电路，因此使用时不会有太大的问题，但是有一些细节要注意，就是在一些电阻和电容的取值上，要仔细一些，使电阻和电容要匹配。

外围电路的调试工作要配合芯片程序设计一起进行，这样才能轻松地输出所需要的理想脉冲。

2CPLD介绍

2.1CPLD发展历程

数字集成电路本身在不断地进行更新换代。

它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路（VLSIC，几万门以上）以及许多具有特定功能的专用集成电路。

但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。

系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路（ASIC）芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件（FPLD），其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）。

早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器（PROM）、紫外线可按除只读存贮器（EPROM）和电可擦除只读存贮器（EEPROM）三种。

由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。

其后，出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件（PLD），它能够完成各种数字逻辑功能。

典型的PLD由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与一或”表达式来描述，所以，PLD能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。

这一阶段的产品主要有PAL（可编程阵列逻辑）和GAL（通用阵列逻辑），PAL由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，或门的输．出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。

PAL器件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术、EPROM技术和EEPROM技术。

还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵列（PLA），它也由一个“与”平面和一个“或”平面构成，但是这两个平面的连接关系是可编程的。

PLA器件既有现场可编程的，也有掩膜可编程的。

在PAL的基础上，又发展了一种通用阵列逻辑GAL（GenericArrayLogic），如GAL16V8,GAL22V10等。

它采用了EEPROM工艺，实现了电可按除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有很强的灵活性，至今仍有许多人使用。

这些早期的PLD器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。

为了弥补这一缺陷，20世纪80年代中期。

Altera和Xilinx分别推出了类似于PAL结构的扩展型CPLD（ComplexProgrammab1eLogicDvice）和与标准门阵列类似的FPGA（FieldProgrammableGateArray），它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。

这两种器件兼容了PLD和通用门阵列的优点，可