基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研制与开发_图文

浙江大学 硕士学位论文 基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研制与开发 姓名:范文鹏 申请学位级别:硕士 专业:机械制造及其自动化 指导教师:邬义杰 20040201

浙江大学硕士学位论文

摘要
本文在分析国内外开放式数控系统及其运动控制器的发展现状和趋势基础 上,采用新型微处理器和集成电路来设计开放式数控系统的运动控制器。在系统硬

件电路的开发中,突破了RS232串行通信标准的限制,实现了高速串行通信;采 用了可编程集成电路来控制的脉冲分频输出,节省了CPU的资源;并设计出信号 转换电路和系统抗干扰电路。在系统软件开发中,我们大胆地将Windows系统的 消息驱动思想运用于单片机程序的开发中,实现了系统软件的模块化设计。本项目
的开展,对开放式数控系统的运动控制器做出了有益探索。

第一章首先介绍了数控技术的发展趋势,研究了开放式数控系统的概念及通
用模型,在此基础上介绍了几种常见的开放式数控系统体系结构,提出数控系统的

开放方式,最后给出本文的研究内容和结构安排。 第二章对项目任务进行分析,确定了设计原则。通过对步进电机运动控制器 开发所涉及到的关键技术的分析、研究、比较和论证,确定了系统开发所采用的技
术实施方案。最后根据项目任务、设计原则、技术实施方案,提出了步进电机运动

控制器的总体结构,并简要介绍了系统中主要模块的作用。 第三章主要围绕系统硬件部分的开发进行阐述,重点对运动控制器的脉冲分 频电路、RS.232通信接口电路、数模(D/A)转换电路、v/I转换电路、开关信号
输入电路、系统抗干扰电路等进行设计和分析。 第四章主要介绍系统的软件设计,将Windows软件编程的消息驱动思想应用

于单片机程序开发。详细阐述了消息驱动的基本原理,然后根据该思想设计出系统 软件。提出了系统控制软件的总体架构,对其中的自动加工、手动加工和高速串行 通信的实现进行了详细介绍,研究了软件抗干扰技术。 第五章主要介绍项目开发所得步进电机控制器的系统结构和功能模块配置,
并给出系统测试内容和测试结果。 第六章对全文工作进行总结和展望。 关键字 基于PC开放式数控系统运动控制器单片机

II

浙江太学硕士学位论文

Abstract

Base

on

the analyzing the development status and nend of Open-architecture NC its motion controller,this article
uses

system

and

new MCU

and
on

IC to design the motion
course

controller of

Open-architecture NC system which is based

PC.In the

of the

hardware designing,we break the limits of RS232

standard,achieve the goal of high
SO

speed serial communication.The pulse is programmable other

CPU have more time to do

jobs.We

also scheme out the signal conversion circuit and the new system

anti—interference

circuit.We modularize the

softerware

with

the

message

drive

programming idea that usually applies in Windows programming.
Chapter one:Firstly,summarizes the development status of NC techenology.Then bring up the conception of Open—architecture NC system and its general module.By introducing

some

familiar

architecture.Finally,the

content

and

configuration

arrangement
this

ofthis dissertation was gived.

Chapter two:Confirms the

designing

principle through analyzing the assignment of the pivotal technology of motion of system designing;
on

item;then

studying,analyzing,comparing

controller and Ascertaining the

technology actualization scheme
circuit,serial

Chapter three:design the hardware system of motion controller,lays stress analyzing the pulse
output

communication

interface

circuit,D/A

conversion circuit,V/I conversion circuit,swich input circuit circuit.

and

the

anti—interference

Chapter four:confirm the general architecture of software.Detailedly expounds the basic theory of the message drive.Discusse the module of auto process speed serial communication in detml. Chapter five:introduces the structure

and

the

high

and

functional module

arranging

of the motion

controller,and gives the process and result of system test. Chapter six:sumnmrizes the work of this dissertation research WOrk.

and

puts forward the future

Keywords:PC—based,Open-architecture NC system,Motion controller,MCU

111

y 680060

独创性声明
本人声明所学交的学位论文是在导师指导F进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知, 除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成

果,也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使f【_}j过的材料。与我一同
工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签名:<它乎瑚岛

签字日期:州年口j月,一日

学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定,有权保
留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。

本人授权盘望盘生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检

学位论文作者签名:—未堪 新虢多簿步 签字日期:夕钟3月7日
签字日期:≯哪∞年口;月,矿日
学位论文作者毕业后去向
工作单位 通讯地址 电话

索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书)

邮编

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

第一章绪论
【内容摘要】本章首先研究了数控技术的发展趋势,在此基础上提出数控系统开放的概念、 通}{=I模型及数控系统开放的方式,介绍了常见的开放式数控体系结构。最屙分析了开放式运动 控制器在数控系统中的地位,并对国内运动控制器的研究现状进行了介绍。

§I.I开放式数控系统的基本情况
§1.I.1问题的提出
数控技术是一种采用计算机对机械加工过程中各种控制信息进行数字化运算、 处理,并通过高性能的驱动单元对机械执行构件进行自动化控制的高新技术。 现代机械加工业逐步向柔性化、集成化、智能化方向发展,因此新一代数控技 术就必需强调具有开放式、智能化、网络化的特征【I,zJ。 1.“开放式”
要求新一代数控机床的控制系统是一种开放式、模块化的体系 结构,其特点是:在实现系统构成要素模块化的同时,要通过这些要素之间的标准

化,能够把由不同厂家提供的要素自由地结合起来,从而方便地构成完整的系统。
具体如下:

≯系统的构成要素应是模块化的,同时各模块之间的接口必须是标准化的;
≯系统的软件、硬件构造应是“透明的”、“可移植的”; 》系统应具有“连续升级”的能力。

同时新一代数控机床的机械结构也应是开放式的,其特点应是:
≯采用功能模块部件组成的机床; ≯采用“工艺策划”、“加工数据库”向用户开放;

≯采用“信息技术”将社会制造资源合理调配,逐步在机械制造业建立完善的 虚拟化与网络化的先进制造体系,使机械制造业资源能高效地被利用,达 到降低成本、提高质量、缩短制造周期的目的。
2.智能化

所谓智能化数控系统,是指具有拟人智能特征,在数控系统中

具有模拟、延伸、扩展的智能行为的知识处理活动,如自学习、自适应、自组织、
自寻优、自镇定、自识别、自规划、自修复、自繁殖等。智能数控系统通过对影响

加工精度和效率的物理量进行检测、建模、提取特征,自动感知加工系统的内部状 态及外部环境,快速做出实现最佳目标的智能决策,对进给速度、切削深度、坐标 移动、主轴转速等工艺参数进行实时控制,使机床的加工过程处于最佳状态。“智 能化”技术还要应用于新一代数控机床的调整、使用与维修等各个环节,使人工参 与大为简化,使机床的调整、使用与维修趋于“傻瓜化”。

浙江走学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控帝l卡的研究与开发

3.网络化

所谓网络化数控系统,就是指数控系统可以方便地接入任何类

型的计算机网络,操作人员和管理人员可以通过计算机网络对机床进行全方位的监 控和操作。将数控系统接入工厂的局域网后,管理计算机可以通过网络直接访问各 种有关加工工况和工作过程的数据,并实时发出各种指令,真正实现管理过程的闭 环控制。将数控系统接入因特网,可接受到数控系统制造商提供的在线服务。
到目前为止,可以说数控设备自身的自动化问题已经得到了很好的解决,并且

在一定程度上实现了可供系统集成的信息和硬件接口能力,实现了小范嗣内的
FMS乃至CIMS系统,但还没有形成一个从设计、制造到集成整个开发和生产过

程能够为机床制造商、系统开发商和系统集成商所广泛接受和遵循的统一标准和规 范,这就是开放式数控系统需要解答的问题。
为了克服封闭性的专用数控系统由于缺乏统一的接口标准而造成的编程语言、 人机界面、操作系统等方面的各自为政,进而给用户带来的诸多不便,20世纪80 年代末提出了设计基于统一标准和规范的开放式数控系统的问题。

§1.1.2数控系统开放的概念14,Sl
研究开放式数控系统的主要目的是解决变化频繁的需求与封闭控制系统之间 的矛盾,从而建立一个统一的可重构的系统平台,增强数控系统的柔性。通俗地讲, 开放的目的就是使NC控制器与当今的PC机类似,系统构筑于一个开放的平台之 上,具有模块化的组织结构,允许用户根据需要进行选配和集成,更改或扩展系统 的功能迅速适应不同的应用需求。并且组成系统的各功能模块可以来源于不同的部 件供应商并相互兼容。
丌放式数控系统的本质是数控系统的开发可以在统一的运行平台上,面向机床

厂家和最终用户,形成系列化,并可将用户的特殊应用集成到控制系统中,实现不 同品种、不同档次的开放式数控系统【31。 事实上,基于上述指导思想的开放式数控系统符合IEEE关于开放式系统的定
义【6’71:能够在多种平台上运行,可以和其他系统互操作,并能给用户提供一种统 一风格的交互方式。根据这一定义,开放式数控系统具有以下基本特征[8,9,10,111:

1)系统互换性(Interchangeability)指构成系统的各硬件模块、功能软件的选 用不受单一供应商的控制,可根据其功能,可靠性及性能要求相互替换,而不影响
系统整体的协调运行。 2)可伸缩?N!(Scalability)系统的功能、模块可以灵活设置,方便修改,既可 以增加硬件或软件构成功能更强的系统,也可以裁减其功能以适应低端应用。 3)可移植’N!(Portability)系统的功能软件与设备无关,即应用统一的数据格

式、交互模型、控制机理,使构成系统的各功能模块可运行在来源于不同的开发商
提供的硬件平台之上。

∞可互操作性(Interoperability)通过提供标准化接口、通信和交互机制,使



浙江大学硕士学住论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

不同功能模块能与标准的应用程序接口运行于系统平台之上,并获得平等的相互操
作能力,协调工作。

§1.2.3常见的开放式数控系统体系结构14I
开放式控制系统体系结构不是现有控制系统体系结构的简单集合,而是在博采
众长的基础上,反映控制系统体系结构未来发展的产物,它将引导丌放式控制系统 产品的发展,并对技术的发展起一定的指导作用。在该体系结构中,提供的是概念

性和功能性的结构,而不是系统设施和标准细节的精确定义。控制系统的开放式结
构的出现将导致新一代控制器的产生,并成为未来制造业的一大支柱。因此,欧美

及只本各国都相继进行了大量研究工作,并出台了各自的开放式体系结构规范。

一、

开放式模块化体系结构控制器(OMAC)
1989年,美国政府资助的NGC(Next
Generation

Controller)研究计划,作为开

放性结构控制器的标准提案受到了广泛关注。NGC与传统CNC的显著差别是它基 于“开放式体系结构”,其首要目标是开发“开放式系统体系结构标准规范”
(Specification for
an

Open System Architecture

Standard,SOSAS),此规范用来管理

工作站和机床控制器的设计和结构组织。NGC计划于1994年完成了原型研究,并 转入了工业开发应用。例如,美国Ford,GM和Chrysler等公司在NGC计划的指
导下,联合提出了OMAC(Open Modular
Architecture

Controller)开发计划。该计划

定义了一个应用于汽车工业的开放、模块化体系结构控制器的规范,其硬件继承了 VME系列的VMS。尽管目前还不够完善,但由于“API的接口层”的标准化,使 用户能够充分发挥自己的主动性,从而可装入自己所需的特殊功能:甚至可以装入 Widows操作系统,将CAM等现有的PC机资源移植到控制器中;同时,利用实时 数据库,可以实现数据的高效、便携化,具有极高的使用价值。实现OMAC的好 处在于能减少投资和生产周期的费用,容易将市场化的通用技术与用户自身的专有 技术融为一体,从而能高效的重构用于新程序的控制器,使得不断涌现的新技术能
及时植入。

OMAC没有指定一个固定的体系结构,也不提供系统硬件平台和软件平台的 信息指定操作系统。OMAcAPI由基类和模块来描述抽象的体系结构: 1)基类;通过对通用控制器按类的分解获得,基类定义了控制器的类层次
结构。

2)模块:将基类分组组成模块,模块是组成控制系统的即插即用的元件。 系统设计分为两个阶段:第一阶段:体系结构设计,将拟定的具有特定功能的
系统分解为OMAC模块:第二阶段,框架细节设计,细节化单个对象的API,即 对象的属性和方法,采用OMAC API和扩展该API构成应用系统。 OMAC采用“搭积木”的思想构造控制系统,在完成上述系统设计之后,预 制具有通用接口的模块,形成模块库和积木盒。构造系统时只需中从库选取模块组

浙江太擘硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

装即可。模块可被重用和继承。OMAC API采用IDL(接口定义语言)的语法规范来

保证其平台无关性。IDL支持大多数面向对象的概念,支持向多种编程语言的映射,
比如C、c++和JAVA等。

二、

控制器的开放式系统环境(OSEC)
与NGC同步,日本也启动了一项开放系统计划一OSEC(Open
System

EnvironmentforControlle0计划。其主要内容是基于PC平台的开放式系统,宗旨就

在于确定“不依赖于特定卖主的开放性控制器”的结构。这一计划提出了控制器的 分层模型,明确了各层次模块的功能、服务内容及接口规范。此外,还定义了一种

新的NC语-言--FADL(I厂自动化描述语言)语言。
OSEC的目标是提出一个国际性的FA(I厂自动化)控制设备标准。其重点集中 在NC本身和分布式控制系统上。OSEC认为,从制造的观点来看,NC是分布式

制造系统中的一个服务器。开放系统本身就是一个分布式系统,它能满足用户对制
造系统不同配置的要求、最小化费用的要求、应用先进的控制算法和基于PC的标 准化的人机界面的要求。OSEC的系统体系结构如图1.1所示

VII

应用环境功能层
VI



IV

NC环境功能层

III



驱动部分

图1.1

OSEC开放式系统体系结构



浙江走擘硕士学住论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

FADL是OSEC定义的一种新的NC数据表示法,它具有以下特点: 11硬件抽象:数据可以移植到带有解释器的每一台机器上。 21曲线特征:借助3D—CAD使设计人员可以设计曲线。
3)广泛的覆盖性:从元件级(电机等)到工作级(加工一个槽等)广泛的设备控制
描述。

41表达标准化。
三、

自动控制系统的开放式系统结构(OSACA)
OSACA(Open System Architecture for Control within Automation System)是欧洲

各国的合作计划,立足于提高机床和控制系统制造商在世界市场中的竞争力。 OSACA的主要任务是制定一个与制造商无关的开放控制系统结构。

OSACA借鉴ISO的OSI开放系统互连参考模型,提出了一个“分层的系统平
台+系统功能单元”的结构,其系统平台结构图如图1.2所示。

早里_旱
厂赢纛而]

OSACA体系结构的特点: 1)开放式控制系统以一个系统平台为基础,由一组逻辑的、离散的组件组成, 控制系统本身不带有平台的任何信息。

竺三竺



2)在组件与平台之间定义标准接口,不同供应商提供的组件可以据此协调工
作。

3)『F确工作的控制器可以运行于不同的系统平台之上。 4)系统平台由系统硬件和系统软件组成,系统软件包括操作系统、通讯系统 和可选的应用程序如数据库、图形系统之类。系统平台通过API对外提供
服务,API是AO(Architecture Object,结构功能单元,是指相互独立的

具有一定特性和行为规范的系统功能单元对象,是组成系统功能结构的最
基本单位)访问系统平台的唯~途径,它屏蔽了平台的真实实现,保证了 系统平台的硬件无关性和操作无关性。 5)充分保证了“开放系统”的各个特性,即可移植性、可互操作性等。

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

OSACA的目标是使自己成为自动化控制领域的通用国际标准,因此其应用目 标涵盖了整个自动化控制的领域。包括NC(数字控制)、CC(单元控制)、RC(机器人 控制)和PLC(可编程逻辑控制)。

§1.2.4开放式体系结构的通用模型
从上述对OMAC、OSEC、OSACA体系结构的分析可以看到,OSEC和OSACA 均采取了分层结构的系统平台,不同之处在于OSEC分层结构是按照数控系统控制

功能划分的,其开放性体现在每一功能层的可变功能部分,因此是一种阶段性和进 化性的开放式体系结构:OSACA分层结构是按照通用控制系统的功能划分为硬件、 系统软件和应用软件三个抽象的层面,按照硬件无关性和操作系统无关性原则,以 通讯系统为核心,从根本上实现丌放式体系结构;OMAC则不指定固定的基础体
系结构,通过定义基类和模块形成控制系统的基本元件,然后按体系结构设计和框

架细节设计两个步骤来完成系统设计,因此也是一种抽象的根本的开放式体系结
构。 一、

硬件系统的开放性
数控系统的硬件系统由机床伺服驱动、伺服控制、伺服接口、CNC平台、现

场总线接口等组成,硬件系统的开放性是由以下三部分保证的:PC平台的总线插 槽式结构保证了其基本配置和向上、向下扩展的开放性;数字伺服接口保证了轴伺
服和PLC I/0扩展的开放性(可扩展到254个从站);现场总线接口保证了本控制器

与同层控制器或上层设计规划或车间乃至工厂级网络连接的丌放性。这样一个硬件
系统配置,具有充分的可扩展性、可派生性和柔性。现对各部分硬件分述如下:

1)硬件平台 在数控系统体系结构中,PC机的通用软、硬件资源是实现系统开放性的基础,
它具备开放式控制系统对硬件平台的基本要求:可靠性高、成本低、便于升级扩展、 便于集成其他领域的软硬件产品。 2)数字伺服接口

伺服驱动接口是连接PC机与伺服驱动单元之间的接口,数控系统中常用的伺 服驱动单元按传递信息的不同可分为位置、速度和力矩三种,伺服驱动接口也就分 为三类: ?模拟式伺服驱动接口:适用于模拟式交/直流伺服驱动单元及数字式速度控 制单元与微机之间的连接,位置给定信号一般为±10V电压信号。
?数字式伺服驱动接口:适用于数字式位置控制单元与微机的连接。位置给

定信号一般为数控系统把每个插补周期的进给量变换成相应的脉冲信号 加上一个方向信号。 ?模拟式力矩型的伺服驱动接口:适于力矩控制单元与微机的连接。 开放式数控系统的技术特征之一是用户可以在较大范围内根据需要选择配置


浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

硬件,如主轴轴数、伺服轴数和PLC I/O的点数等,为此最好采用数字伺服系统并 用数字通讯技术连接cNc平台和机床的驱动部分。
数字伺服系统具有离速、高精度和无漂移等特点,本身具有位置反馈和位置控 制功能,CNC系统可以直接将位置指令传递给数字伺服系统,由其独立完成位置 控制。 3)机床I/O信号

数控系统与机床间的I/O信号也即传统意义上的PLC I/O信号,是实现机床逻 辑的硬件保证,在以PC机为硬件的开放式数控系统中,对于大多数的应用场合, 均可采用内嚣式的PC总线I/O卡与软件相结合(即软件PLC)来代替传统的PLC, 在必须的场合,可以采用外置式通用PLC来实现。这两种方法通用性好,开放简 单,符合“开放系统”的特点。
4)现场总线技术

现场总线具有降低设备连线费用、保证设备的通用性、扩展性和互换性等突出 优点,已广泛应用于控制系统中设备级问的网络连接,并且这些“开放式”特点将
使其在开放式数控系统中发挥作用。目前比较有影响的现场总线有CANBUS、 ProfiBus、LANWORS等。尤其在DNC系统中,已成功的采用CAN总线实现网络 连接。 5)网络制造技术 应用信息技术和网络技术的成果,是开放式控制系统实现其开放特征的必要条

件。TCP/IP协议为当前控制系统间互连的首选协议,但由于TCP/IP协议的非实时
性,目前仅用于数据的传输。
二、

软件系统的开放性
软件系统由操作系统、通讯系统、开发工具、应用软件、编程软件、数据库、

配最管理几部分组成,各应用系统之间的接口符合API规定的有关开放性标准。

软件的开放性体现在面向对象设计的设计方法、数控软件芯片库、系统配置管理的
灵活性诸方面。分述如下: 1)操作系统的选择

从数控技术的发展来看,数控程序向32位方向发展的趋势已不可逆转,而
WINDOWS操作系统(Windows95,Windows NT和Windows CE)支持的Win32 APT

在32位程序方面具有突出的优势,因此Windows操作系统将进入丌放式控制系统
并发挥作用。

2)面向对象的设计 面向对象技术是实现系统重构性和柔性的有效途径,它将数掘和过程这两个逻 辑上独立的实体组合在一个逻辑实体即对象中,对象与对象之间只能通过发送消息 来进行联系。

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

§1.2.5数控系统开放的方式‘8I
如何使传统的专用型封闭式系统走向开放,不同的系统,l:发商及研究机构对此
提出了一些解决方案。按开放的层次不同可分为3种途径,它们的开放层次不同,

难度不等,获得的丌放效果也相差很大。可将控制系统划分为人机控制
fMan—Machine Control,MMC)层和控制内核层两个层面。其中,控制内核是CNC

系统完成实时加工过程调度和控制的核心,与系统的实时性紧密联系。3种方式就 是基于对这两个层面开放的不同处理来区分的。 1)开放人机控制接口 这种方式允许开发商或用户构造或集成自己的模块到人机控制接口
(Man—Machine
Interface,

MMI)中。这一手段为用户提供灵活制定使用于各自

特殊要求的操作界面和操作步骤的途径,一般使用于基于PC作为图形化人机控制
界面的系统中。

2)开放系统核心接口 此方式除了提供上述方式的开放性能外,还允许用户添加自己特殊的模块到控 制核心模块中。通过开放系统的核心接口,用户可按照一定的规范将自己的特有的 控制软件加到系统预先留出的内核接口上。 3)开放体系结构
开放体系结构的解决方案是一种更彻底的开放方案。它试图提供从软件到硬 件,从人机界面到底层控制内核的全方位开放。人们可以在丌放体系结构的标准及

‘一系列规范的指导下,按需配置成功能可繁可简、性能可高可低、价格可控制、不
依赖于单一卖方的集成系统。

从实现的方法上,Pc-Nc(个人计算机数控)是目前比较现实的NC开放化的途 径。也就是在PC机硬件平台和操作系统的基础上,使用市售的软件和硬件插卡,
构造出数控系统功能。PC.NC主要可归纳为3种【12J: ◆NC板插入PC NC板插入到PC中的形式,就是将运动控制器或整个CNC单元f包括集成的 PLC)插入的个人计算机的扩展槽中。由PC机完成非实时处理,实时控制由CNC

单元或运动控制器来承担,这种方法能够方便的实现人机界面的开放化和个性化,
即上述第1层次的开放。在此基础上,借助于所插入的NC板的可编程能力,能部 分地实现系统核心接口的开放,即上述第2层次的开放。 ◆PC板插入NC装置

PC板插入NC中这一形式,主要为那些大型CNC控制器制造商所采用。其原 因有两个方面:一是许多用户对他们的产品很熟悉,也习惯使用:另一方面是控制 器制造商不可能在短时间内放弃他们传统的专用CNC技术。因此,才出现了这种 折中的方案,其做法就是在传统的CNC中提供PC前端接口,使其具有PC处理的 柔性。显然,这种系统的NC内核保持了原有的封闭性,故只能实现第l层次上的

浙江失学硕士学位论文

基于Pc的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

开放。

◆软件NC 所谓软件NC,是指NC系统的各项功能,如编译、解释、插补和PLC等,均

由软件模块来实现。这类系统借助现有的操作系统平台(如DOS,WINDOWS等),
在应用软件(如Visualc++,VisualBasic等)的支持下,通过对NC软件的适当

组织、划分、规范和开发,可望实现上述各个层次的开放。 应该指出,将开放系统的概念引入CNC系统的发展需求之中,表明系统走向 开放的条件日趋成熟。然而,具有开放系统特征的开放体系结构CNC系统仍处在
成长期,有关开放体系结构CNC系统科学、明确的定义及相应的规范标准尚处在 进一步的发展完善中。

§1.2开放式运动控制器的研究现状
运动控制器在开放式数控系统中占有很重要的地位,起到将PC机与驱动部分

连接的作用。也就是说,只要有工业PC机,再配上运动控制器和一些适当的I/O 接口卡,与驱动部分连接起来,在硬件上就构成了一个完整的数控系统,开放数控 系统要求有开放式的运动控制器,下面针对运动控制器做简要介绍。

§1.2.1常见的开放式运动控制器113-191
如前文所述,PC-NC(个人计算机数控)是目前比较现实的NC开放化的途径, 因此目前对开放式数控系统的研究就集中在插入PC的NC控制器的研究上。已有 不少著名的大公司开发出了开放式的运动控制器,表1.1是一些公司的产品的比较。
表1.1一些开放式的运动控制器
公司名称
Advanced
& Technology Corp. RCS Dual PCs

产品型号

计算机要求

操作系统


阿络接口

for Ethernet Sercos motion bus

WindowsNTforGUI
keral

Research

●Real-time
control



Burtonsville,Md

●ProfiBUS distributed I/O


Bridgeport

PC,DoSforGUI ●
Ethernet SeriaI Channel I/o

Machines
DX-33
Dual PCs



Motomla

68K/real.time ●

inc.Bridgeport Conn keral for control


Cimetrixlne Ucah Drovo. CX3000 Single PC

WindowsNTor
LynxOS



Ethemet

●PMAC motion card
bus
version



VME
available



Cognex

or

Datacube

Vision cards



浙江走学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

Delta Tau Data Systems

PMAC-NC Single PC
lnc Northridge,Calif.



Windows95

●PMAC motion

Card

●ThrolJIgh Fanux F-bus
GE Fanuc lnc

to

MMC.4
PC front.end HSSB

CNC

Charlottesville,va

●Thr01nIgh

high-

Speed

serial bus to CNC


Hewlett—Packard CO. OAC500 Dual PCs

Ethemet
Sereos motion bus
net

●WindowsNTforGUI


Santa Clara,Calif.

●Lynx OS for control
●Deviee
distributed I/O

Indramat
Rexroth

(Div

Of CNC

Corp)Hcffmarl MIC200
eoproccssol"



PC bus

●Discrete I/O Cards

Estates,ll l

Manufaetudng
Systems
lnc.

Data Anna OpenCNC Single PC



ONX real-time Unix

Arhor,Mich. ●PC/DOS forC刚l
Siemens AG Edangen, Germany Sinumerik DHal PCs 840D rcal-time control keral

for

Windows

Nurbs motion control Siemens S7-300 PLC for I/O



RISC

of

PC

with



for

§1.2.2国内运动控制器的研究现状
国内目前没有专门基于开放式体系结构的运动控制器,从现有的文献来看主要
是各个高校或科研院所为自己设计的基于PC的数控系统的运动控制器,并没有形 成一种通用的、系列化供应于市场的产品。

根据被控制的电机是步进电机还是伺服电机,其实现控制有各种不同的方法,
但大多数由如下四个方案[20,211:

1)基于大规模集成电路的运动控制器; 2)基于微处理器的运动控制器;
3)基于ASIC专用芯片的运动控制器;

4)基于数字信号处理器(DsPl的运动控制器。

一、基于大规模集成电路的运动控制器
基于大规模集成电路的运动控制器是基于如8253、8254等大规模集成电路, 利用其内部的计数器功能,通过编码器改变其脉冲输出频率和脉冲输出数,实现步

10

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

进电机的速度和位置控制,这种方案对实现步进电机的加减速控制不很方便,需较
高的编程技巧。

在文献[22】中,介绍了一种用大规模集成电路设计的二轴步进电机运动控制
卡,该卡的原理如图1.3。从PC总线接口来的地址总线和控制总线信号经过缓冲 器后,送到“卡地址译码选择电路”,在这里用户通过四位拨码开关,可以选择16

种地址。为保证步进电机的控制精度,控制卡设计了精确的“时钟电路”和“分频 电路”,用以产生不同频率的输出信号。从“PC总线接口”来的数据总线信号经过 隔离缓冲后,送入“输出锁存器电路”。步进电机控制信号经“信号变换电路”和 “输出放大驱动电路”,分别由通道A和通道B输出。
此控制器是一个简单的二轴控制器,核心分频电路就是采用的8254,而且包 括输出放大驱动电路,所以只是一个简单的控制器,且是结合具体的步进电机设计 的,不具有通用性。

l 信号分频l l卡地址译码l l输出锁存器I I输出放大 电路 电路 选择电路
,r



-l信号变换器电路

电路













L▲



J‘




数据总线 缓冲电路

i i
通道A输出 通道B输出

l时钟电路

摔制总线、地址 总线缓冲电路

j}
PC总线接口

{}

图1.3步进电机控制卡原理框图

对于步进电机,需要不同的驱动器与之配套,但不同驱动器要求控制系统提供
的控制功能和性能却基本相同,所以控制器完全可以设计为通用的。在文献[231中

介绍的控制器的原理同上,但它最后的输出信号是脉冲和方向信号,可以和各种驱 动器相连接,具备了一定的通用性。

二、基于微处理器的运动控制器
基于微处理器的运动控制器是利用如8031、8098等微处理芯片来实现运动控

制。较第一种方案而言,这种方法要灵活的多,可通过硬件实现更多功能。但微处 理器所需的周边器件较多,要加上存储器、编码器信号处理及D/A转换电路等。 其控制算法出事先编好的程序固化在存储器中。控制程序一旦固化,控制参数不易
修改,软硬件设计的工作量较大。

在文献【24】中介绍了基于80C196KC单片机的交流伺服电机控制器的硬件设计

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

及其软件实现。该控制器被制成标准的ISA插件的形式,通过ISA总线接收来自
上位机的各种命令,并完成系统的位置检测、位罱控制等功能,进而准确、可靠地

驱动伺服电机的连续运转。控制器主要由并行通信部分、80C196KC最小部分、位
置检测部分和位置控制部分等组成。 在文献[251中的控制器也是基于80C196KC的,最主要的不同是采用了PSD芯

片,PSD芯片除具备一般可编程逻辑器件PLD的功能外,还具备总线控制、存储 器、计数器/定时器和中断控制功能。采用PSD技术的两片控制器硬件设计方法采
用硬件描述语言建立的模型进行仿真,生成符合PSD芯片要求。在电路结构上可 行的数字逻辑,在采用电气编程的方法写入PSD芯片。完成一次设计,也就是利

用PSD芯片完成所有的外围电路的功能。PSD芯片与微控制器组成的简单的两片
控制系统可大大简化硬件电路的设计,提高系统集成度和可靠性。

三、基于ASIC芯片的运动控制器
ASIC芯片将实现电机控制所需的各种逻辑功能集成在一专用芯片内,并提供

一些专用的控制指令,同时具有一些诸如限位开关、零位开关处理、电机使能、报 警等必须的辅助功能,使用户的软件设计工作都减少到最小程度。对于伺服电机, 用一个芯片即可完成速度曲线规划、伺服控制算法、编码器信号处理等多种功能。
一些需要用户经常更改的参数如电机位置、速度、加速度、PID参数等均在芯片内 部的RAM区内,可由计算机用指令很方便地修改。回路采样时问可在5009s以内。

但由于受运算速度的限制,复杂的控制算法和功能很难实现。
在文献[20,211中介绍了基于两种ASIC芯片,即PLC.AK和PMD公司的 MCl401A芯片组设计的运动控制器,对这两种ASIC这里不再赘述。两篇文献中

也主要对ASIC芯片作了介绍,并设计了周边电路,以及控制的库函数。

四、基于数字信号处理器(DSP)水J运动控制器
DSP处理器的集成程度更高,其高速运算能力使得很多复杂的控制算法和功
能得以实现,而且随着电子技术与电子工艺的发展,DSP芯片的性能不断提高,

价格也不断下跌,针对电机控制的DSP芯片也不断涌现。因此90年代以来,DS 处理器在运动控制中得到越来越广泛的应用。



在文献[26】中介绍了一种基于DSP的机器人控制器,该控制器采用了主从式结 构,主机选用PC机或配有ISA总线的其他计算机,从机以高速DSP为CPU,在
充分利用DSP特点的基础上,以与主机协作的方式完成对机器人的控制。考虑到 机器人轴的冗余,这种控制器最多可控制八个轴。
在文献[27]中介绍了基于DSP的数控系统的设计研究,原理图如图1.4。系统 采用双CPU结构,主机(工业PC机)与DSP直接通过总线相连,主机和DSP均可 读写内存,从而达到通信的目的。同时主机CPU也可直接读写I/O信号和读取反

馈信号。DSP控制器使用一种简单而特有的计算机结构提供先进的计算和实时控 制功能。控制器用50MHz的TMS320C40芯片来完成高速运算,DSP完成轴的伺

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

服回路运算及处理相关的I/O功能。 从以上对国内运动控制器的分析来看,国内目前所作的工作主要是针对具体的 科研项目而做的一些工作,还没有从一种开放的眼光出发,开发独立的、丌放的运 动控制器。

模拟电机信号 8线12位 模拟信号 步进/方向信号 3—16位计 数/定时器 TTL、110线 编码器输入

图1.4

DSP系统硬件框图

§1.3本论文任务及安排
我们采用新型微处理器、高性能集成电路及成熟的通信技术,研究开发智能 步进电机控制卡。开发出的步进电机控制卡在…定程度上符合了开放化、网络化、 一体化等发展趋势,因此有较好的应用前景。在本项目的开发过程中,应主要完成
以下方面的任务:

?以Atnlel公司P89C52单片机为核心器件构筑出功能强大的智能单元,增强
步进电机控制卡的运算和实时控制能力;

?硬件电路结构实现模块化设计,使其具有可扩展性和易维护性; ?采用输出频率可调的方波来驱动步进电机,实现步进电机的加减速控制,增
强系统控制的灵活性:

?采用高精度转换放大电路和D/A转换器来实现信号转换,实现对电主轴的
转速控制;

?采用RS一232标准总线做为系统的通信接口,保证通讯的可靠性;

?采用容错、软件陷阱、数字滤波等多种技术措施提高系统的可靠性。 基于以上任务,我们对本文各章内容作出如下安排: 第一章:简要介绍了数控系统的发展趋势,探讨了开放式数控系统概念的提出

浙江戈学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

及常见的体系结构及通用模型,给出全文的研究内容及其安排。 第二章:根据本项目开发的实际要求给出系统的设计任务和设计原则,通过对

步进电机控制的关键技术的分析提出系统总体结构。 第三章:侧重于系统硬件电路的设计,详细介绍步进电机控制卡中脉冲分频电
路、RS一232串行通信接口电路、D/A转换电路、丌关信号输入电路及系统抗干扰
电路等的设计。

第四章:着眼于系统软件的设计,简单介绍系统的软件总体架构,详细介绍了

自动加工和高速串行通信两个模块软件的设计。并对步进电机加减速控制方案做一
定介绍。

第五章:在上述工作基础上进行系统集成、测试和分析。 第六章:对全文工作进行总结和展望。

§1.4本章小结
本章首先介绍了数控技术的发展趋势,在此基础上研究了开放式数控系统的概 念及通用模型,介绍了几种常见的开放式数控系统体系结构,提出数控系统的丌放
方式,最后给出本文的研究内容和结构安排。

14

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

第二章系统分析及方案设计
【摘要】本章首先对项目任务进行分析,确定了设计原则。然后通过对步进电机运动控制器 开发所涉及到的关键技术的分析、研究、比较和论证,确定系统开发所采用的技术实施方案。 最后根据项目任务、设计原则、技术实施方案,提出了步进电机运动控制器的总体结构,并简
要介绍系统中主要模块的作用。

§2.1任务分析与设计原则
本项目的研发,一方面是为了对开放式数控系统的运动控制器开发做出大胆尝
试,提高运动控制器的技术水平,另一方面也必须满足用户对数控系统功能的要求。 因此,本项目所要达到的预期目标不但要具备传统运动控制器一些基本功能,而且

还要在集成化、开放性、实时性等方面有较大提高。基于以上任务要求的分析,我
们对运动控制卡所要实现的功能做出如下要求,并为此制定了相应的设计原则,以 保证设计工作的顺利实施。

一、系统功能要求
1、

能独立地对三个轴进行控制。为每个轴提供步进脉冲和方向信号,实
现可编程自动加减速功能;每轴具有两个限位,一个零位开关输入。 能输出主轴控制信号,为主轴提供转速、方向及启停信号;并可实现

2、

电压信号与电流信号的的切换输出。
3、
4、 5、 6、

光隔离的12路通用数字I/O接口。 光隔离的双脉冲(正、负脉冲)或单脉冲(脉冲、方向)输出。 具有掉电保护的用户程序存储器,以抵抗电源等方面的干扰。

提供标准的RS一232串行通信接口,以实现与计算机的通讯。

二、系统设计原则
1、提高系统智能性系统的智能性包括控制智能性和数据处理智能性。在开

发本系统时应充分利用微处理器强大的控制能力,用软件来实现对步进电机的控制
和管理,避免使用常规仪器仪表中大量的数字电路,即尽可能实现“硬件软件化”。

3、提高系统开放性开放性包括硬件电路开放性、软件设计开放性以及系统
通讯接口开放性三部分。硬件功能模块划分要明确,电路功能单元要相互独立,以 做到即插即用。同时,组成电路单元的元器件应通用性强,替代性好;软件设计时

应考虑可读性和可扩充性,易于后人二次开发;要充分利用RS一232标准总线的优
点,严格按照通信协议进行通信模块开发,方便用户联网组态。

4、提高系统可靠性为保证系统即使在恶劣工作环境中仍具有高的可靠性, 在器件选取上应考虑成熟的产品;在硬件设计上应使其具备电源监视、掉电保护、

浙江大学硕士学位论文

基于Pc的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

自动诊断等功能,模拟和数字电路间必须全方位光电隔离;软件设计上必须采取容
错、滤波、软件陷阱等抗干扰措旌。

5、降低系统成本在能满足系统任务要求的情况下,为了获得较高性能价格 比,应尽可能采用简单、实用的方案,同时尽量选择性价比较高、功能强大的元器
件。这样做不仅可以降低系统成本,而且还可以简化系统结构,缩小系统体积,增

加系统可靠性。另外,降低成本除了要考虑硬件成本,还应考虑研制成本和使用维 护成本。因此,在系统丌发时应尽量选用成熟的理论和方法,提高系统开发一次性 成功的概率,缩短研制开发周期,降低研制成本。 6、提高系统易操作和易维护性系统应具有友好的操作界面,以降低对操作 人员的要求,使操作人员可根据操作说明书就能顺利操作;同时,系统应具有易维
护性,以便在系统出现故障时能够及时排除故障。

§2.2系统关键技术分析
§2.2.1矩形脉冲发生电路128-31I
在数控系统中,各种执行机构常常需要脉冲信号来驱动,步进电机就是一个典 型的例子。脉冲信号是控制步进电机运动的基本信号。因此如何产生一个稳定、精
确的脉冲信号是步进电机控制器的一个关键技术。

获得脉冲信号的方法通常有两种,一种是利用脉冲振荡器直接产生脉冲波,另 一种方法是利用脉冲整形电路将已有波形变换成我们所需的脉冲波。本文着重讨论 利用脉冲振荡器直接产生脉冲波这一方法。
脉冲振荡器的种类有很多,最常用的有多谐振荡器。多谐振荡器是脉冲振荡 电路中最重要的基础电路之一,它采用两个电阻耦合放大器构成环路。按照耦合电

路的构成方法,多谐振荡器可分为无稳态多谐振荡器、单稳态多谐振荡器与双稳态 多谐振荡器三类,各自具有不同的稳定状态数目。单稳态多谐振荡器只有一个稳定
状态,用作方波振荡器与延迟电路。而双稳态多谐振荡器有两个稳定状态,作为计

数器与存储装置中的基本电路。无稳态多谐振荡器没有稳定状态,它不需要外界输
入触发信号,就能自动地周期性地产生矩形脉冲,常常用作方波脉冲发生电路。下

面对几种常用无稳态多谐振荡器电路及工作原理进行分析。 一、TTL门电路组成的对称多谐振荡器 TTL门电路组成的对称多谐振荡器电路如图2.1所示。电路的工作原理分析如 下:接通电源时,由于某种外界原因(如外界干扰、电源波动或者内部噪声等), 使【,。有微小的正跳变,就会引起以下的正反馈过程:

U,一—+u。.Ir一∽2l+虬2f t f
16

浙江大学硕士学位论丈

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

U,迅速跳变为低电平,Uo:迅速跳变为高电平,电路进入第一个暂稳态正阶段。 随后Uf】:对电容CI充电,使U.:升高;同时电容C:放电,使q。降低。由于CI的充 电速度快,首先使U,上升到G2的阈值电压,使(32门输出产生负跳变,反馈到Gj门 使Ui。负跳变,uo。正跳变,使q门输入U:正跳变,U,产生更火负跳变。正反馈
过程如下所示。

U—S—U,又一UII—U 0≮




结果%:迅速变为低电平,Uo。迅速变为高电平,电路进入第二个暂稳态正阶段,

图2.1

TTL对称多谐振荡器

U“

矿T“

D U。1


Lh 矿

州0
U r 啦洲 矿n D

图2.2

TTL对称多谐振荡器的振荡波形

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控帝j卡的研究与开发

随后乩.对c2充电,使U.升高:c1放电,使V:降低。随着c2充电的进行,U。上
升,当u,;上升到门G。的阈值电压时,电路又进入第一个暂稳态,如此周而复始, 产生了振荡,得到矩形脉冲波形。当G=G时,振荡周期T“1.4RC。工作波形如
图2.2所示。

实际上,由于构成反相器的TTL门电路输出波形的占空比不为50%,而且在

公式推导时使用的条件是理想化的,故计算的结果与测量的结果存在着一定的偏
差,一般来说这种偏差不影响使用效果。但如对频率稳定度要求很高的电路系统则 上述电路所产生的波形很难满足要求。

二、CMOS非门组成非对称多谐振荡器
由CMOS非门组成非对称多谐振荡器如图2_3所示。与上述对称多谐振荡器

比较,将电路中的B和e省掉即可。电路工作状态的翻转仍由电路的充放电决定。



图2.3非对称多谐振荡器

电源刚接通时,电路工作于不稳定态,设“.产生微小负跳变,使G门输出(亦

即G2门输入)uo.产生较大正跳变,62门输出%:产生更大正跳变,由于电容c电 压不能突变,反馈到Gl门使“,有很大负跳变,产生的正反馈过程如下

型二::!?二:p
结果使“。.迅速跳变为高电平,I/02跳变为低电平,电路进入第一暂稳态。uo。通过电 阻R对电容c进行充电,使珥电位升高,当升高到Gl的阈值电压时使Gl输出%。发 生负跳变,G2门输出产生正跳变,反馈回Gl门使虬有很大的正跳变。发生正反馈 过程如下:

浙江大擘硕士学位论文

基于Pc的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

t!二型二■
b!o.迅速跳变为低电平,“。:迅速跳变为高电平,电路进入第二稳态。同时电容c

通过电阻R放电,使虬电位下降,当下降到G1的阈值电压时使Gl输出“。发生『F跳
变,G2门输出产生负跳变,反馈回G.门使“,有更大的负跳变,再次发生正反馈。心,

迅速跳变为高电平,“。:迅速跳变为低电平,电路再次进入第一稳态。输出周期性
的矩形脉冲,振荡周期丁z 1.4RC。振荡波形如图2.4所示。

甜01

矿oH


b/i

VTn D
甜02

yDD



图2.4非对称多谐振荡器的振荡波形

三、RC环形多谐振荡器

RC环形多谐振荡器由奇数个门电路(一般为3个)构成负反馈,利用每一个 门的传输延迟时间产生自激振荡。在电路中常加入定时元件RC,从而达到降频、
调频的作用。由TrL非门组成的电路如图2.5所示。

电路中月,的作用是保护G3门。防止防止材;,产生负跳变时流过输入端的电流过大, R、R不能过大,应小于关门电阻』0,否则“:,始终大于阈值电平,电路将无法工
作。

无振荡时,设电路输出“。为高电平,反馈到q门的输人端,经Gl门、G2门、
19

浙江大擘硕士学住论文

基于Pc的开放式数控系统的步进电机控书!卡的研究与开发

G3门反相后变为低电平;设电路输出“。为低电平,反馈到Gl门的输入端,

G1门、

G:门、G3门反相后变为高电乎。因此,每个门的输出、输人只能处在高、低电平 之间的某个中间值,即工作在转折区,这种状态为不稳定态。

图2.5带RC电路的环形多谐振荡器

接通电源时,设由于某种原因使G1门输入电压q,产生了微小的正向波动,使 “。.(即“。:)产生较大的负跳变,通过G2门使“。:产生更大的正跳变,由于电容上


K“ Ko 0 甜i2



Z厶2

图2,6带RC电路的环形多谐振荡器的振荡波形

的电压不会突变,使G3门的输入“。与G2门的输入%:同时产生相等的负跳变。因

浙江大擘硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

此“。:对电容充电,且使电容从较负的电平开始充电,这样就延长了G3门的输人电 压“。上升到闽值电压的时问,即延长了由“,:到U。的传输时问。电容充电时%上 升,电路处于第一暂稳态,当Ui,上升到阈值电压时,G3门输出负跳变为低电平反
馈到G1门输入端,使虬.产生负跳变,使坼:、“。同时产生正跳变,而“。产生负跳 变,此时电容开始放电,Ui3逐渐下降,电路处于第二暂稳态,当“。下降到阈值电

压时,G门输出正跳变为高电平。反馈到Gl门输入端,开始第二个振荡周期。振
荡波形如图2.6所示。

由于门的传输延迟时间远远小于RC环节所产生的延迟时间,因此计算时仅考 虑RC的延迟时间。作为近似估算,电路输出波形的周期T*2.2RC。 四、密特触发器构成多谐振荡器 利用反相施密特触发器可以很容易地构成多谐振荡器,电路如图2.7所示。将
施密特触发器的输出端‰通过R、C反馈到输入端“,即可电源接通时,电容电压为

0V,电路输出‰为高电平,输出通过R对C充电,输入端“,按指数规律升高,达 到『F阈值电平K。时,触发器翻转输出为低电平,电容c又通过R对输出端放电, 使甜,下降,当“,低于负闽值电平%一时,电路又一次翻转为高电平,形成多谐振荡。
其工作波形如图2.7所示。 调整R、C可以改变振荡T,对于集成施密特触发器T4000系列,一般取巧一=0.8V



地雕
阢D

图2.7密特触发器构成多谐振荡器及其振荡波形

_一=O,8V,%+=1.6V,输出电压摆幅为3V,振荡周期约为R=t.t5RC。

21

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控乐统的步进电机控制卡的研究与开发

五、石英晶体多谐振荡器

前面已经介绍了几种多谐振荡器,其振荡频率主要取决于时间常数RC,同时

与闽值电子‰及集成电路内部元件的参数有关。由于_。和半导体元件的参数受
温度和电压的影响较大,因而振荡频率不够稳定,在频率稳定性要求较高的电路中, 如计算机CPU中的时钟等,就无法满足要求。在这种情况下,可以利用石英晶体 制成频率稳定性极高的多谐振荡器。
石英晶体相当于电容、电感并联的网络,当信号频率厂=工时,石英晶体的电 抗最小,呈纯电阻性。f称为石英晶体的固有振荡频率,它只与石英晶体的切割 方向、外形、尺寸有关,不受外围电路参数的影响,其频率稳定度可达10。。13 足以满足大多数数字系统的要求。
10。1,

目前广泛采用的稳频方法是在多谐振荡器的反馈回路中串联石英晶体,构成石 英晶体多谐振荡器,振荡频率为石英晶体的固有频率。
石英晶体多谐振荡器如图2.8所示。当电源刚接通时,Gj门和G2门的输人端

均有噪声电压且频谱非常宽,包括频率工。对f=Z,石英晶体阻抗最小,适当选 择电容C,使其在频率为工时的阻抗可以忽略,从而Gl门和G2门对频率工的信号
形成了一个具有很强正反馈的通路,而其他频率的信号经过石英晶体后严重衰减,

不足以产生振荡,于是产生频率为疋的自激多谐振荡。输出端所接的非门G3门,
可以改善输出波形,增强带负载能力。

石英晶体C2

图2.8石英晶体多谐振荡器

§2.2.2串行通信接口技术
一、串行通信的优点

浙江大学硕士学位论文

基于Pc的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

同并行总线相比,串行总线具有许多优点。串行总线连接引脚数量少,连接简
单,成本较低,系统可靠性高。串行总线对系统体系结构具有重大的影响,它的应 用有助于数据流计算机体系结构的实现。

对于高速计算机系统,串行总线比并行总线更容易使用。在并行总线中,传输 数据的各个位必须处于一一个时钟周期内的相同位置,频率越高,对器件的传输性能
和电路结构要求越严格,系统设计难度加大,致使系统成本提高,可靠性降低。相

比之下,使用串行总线时,数据的各个位是串行传输的。在串行总线设计时,既可
以嵌入时钟信号作为同步信号,也可以采用锁相环的时钟恢复方式:同并行总线相 比,串行总线的传输线效应比较容易处理,从而降低设计难度和系统成本。

另外,以串行信息包为基础的系统,不需要编写驱动程序。当断开任何一根互
连线,对全部信息包进行解码时,串行总线将这些信息包移入存储器并中断处理器,

这是一种局部的中断或事件。随后微处理器将查看这些信息包,而不需要用驱动程 序进行上述工作。系统将成为一种信息传递系统,而不是事件驱动系统。

二、几种串行通信接口标准【61,62】
RS.232、RS一422与RS-485都是串行数据接口标准,最初都是由电子工业协 会(EIA)制订并发布的。RS一232、RS.422与RS.485标准只对接口的电气特性做 出规定,而不涉及接插件、电缆或协议,在此基础上用户可以建立自己的高层通信

协议。RS.232/422/485接口的电路特性比较见表3.1。
1.RS一232

RS一232在1962年发布,命名为EIA一232.E,作为工业标准。以保证不同厂家

产品之间的兼容。RS.232是目前PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。 RS一232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS.232采取
不平衡传输方式,即所谓单端通讯。由于其发送电平与接收电平的差仅为2V至3V

左右,所以其共模抑制能力差,再加上双绞线上的分布电容,其传送距离最大为约 15米,最高速率为20kb/s。RS一232是为点对点(即只用一对收、发设备)通讯而 设计的,其驱动器负载为3~7kQ。所以RS一232适合本地设备之间的通信。
2.RS一422

RS一422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”,它定义了接口电路 的特性,RS一422由RS.232发展而来。为改进RS.232通信距离短、速率低的缺点, RS-422的数据信号采用差分传输方式,也称作平衡传输,将传输速率提高到 10Mb/s,传输距离延长到4000英尺(速率低于100Kb/s时),并允许在一条平衡总 线上连接最多10个接收器。RS.422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输 规范。
3.RS一485

为扩展应用范围,EIA又于1983年在RS一422基础上制定了RS一485标准,增 加了多点、双向通信能力,即允许多个发送器连接到同一条总线上,同时增加了发

浙江大学硕士学位论文

基于Pc的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

送器的驱动能力和冲突保护特性,扩展了总线共模范围,后命名为TIMEIA.485-A
标准。

RS.485许多电气规定与RS.422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输
线上接终接电阻等。RS一485收发器采用平衡发送和差分接收,即在发送端,驱动 器将TTL电平信号转换成差分信号输出:在接收端,接收器将差分信号变成1vrL

电平,因此具有抑制共模干扰的能力,加上接收器具有高的灵敏度,能检测低达 200mV的电压,故数据传输可达千米以外。 RS.485可以采用二线与四线方式,二线制可实现真正的多点双向通信。而采
用四线连接时,与RS.422一样只能实现点对多的通信,即只能有一个主(MaSter)

设备,其余为从设备,但它比RS一422有改进,无论四线还是二线连接方式总线上
可连接多达32个设备,SIPEx公司新推出的SP485R最多可支持400个节点。

表2.1 接口 _:作方式
节点数

RS一232/422/485接口的电路特性比较
R¥232 R¥422
R485

单端

差分 l发10收

筹分 1发32收
400英尺
10Mb/s .7V~+12V

1收、1发 50英尺
20Kffs 士2SV

最大传输电缆长度
最大传输速率 最大驱动输出电压 驱动器输出信号电平 负载

400英尺
10Mb/s 一0.25V~+6V

士5V~士15V

士2.0V

士1.5V

(负载最小值) 驱动器输出信号电平 (空载最大值)
驱动器负载阻抗(Q)

空载

士25V

士6V

土6V

3K~7K
30V,Ⅱs
士15V 士3V

100 N,A

54

摆率(最大值)
接收器输入电压范围

N,A

-10V~+10V
士200mV

.7V~+12V
士200mV

接收器输入门限 接收器输入电阻(Q)
驱动器共模电压

3K~7K

4K(最小)
.3V~+3V .7V~+7V

≥12K

.1V~+3V .7V~十12V

接收器共模电压

24

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

§2.2.3

D/A信号转换技术‘28。31

随着数字电子技术的不断发展,特别是电子计算机应用的几益普及,数字信号
和模拟信号的相互转换变得越来越重要。

一些物理量,例如压力、流量、速度、温度、轴角、振幅、光通量等,都可以 通过适当的换能器或传感器、敏感器件等变成模拟电信号输出。如果要将这些模拟 电信号送给数字电子计算机进行分析处理,必须将这些模拟电信号转换成数字信 号。经过数字电子计算机分析处理后的结果,输出仍是数字信号,必须转换成模拟 信号,才能送去控制执行元件。 将模拟信号变换成数字信号的电路称为模数转换 器或称为A/D转换器,而将数字信号转换为模拟信号的电路则称为数模转换器或
D/A转换器。由此可见,数模和模数转换器是电子计算机和各用户之间不可缺少的

接口部分它们是数字工程中重要的组成部分。 为确保系统处理结果的精确度,要求A/D转换器、D/A转换器具有一定的转 换精度,在对快速变化的信号进行实时检测和控制时,则要求AdD转换器、D/A
转换器具有一定的转换速度。 鉴于本系统中只使用到数模转换技术,因此对于模数转化技术不做介绍,着重 介绍模数转换技术。

一、D/A转换器的转换特性
数模(D/A)转换器可以看作是一个译码器,它将输入的二进制数字信号转换
(翻译)成模拟信号,并以电压或电流的形式输出。 设D/A转换器输入的二进制数为

X1X0)∑(_x27)
设D/A转换器输出的电压为/40或电流为f0,则
i=a-1 i=n-l

‰=koX=吒∑(x,x2‘)或fo=k,X=t∑(一×2‘)
i=O i=0

式中:图中屯为电压转换系数,k,为电流转换系数。 D/A转换器的最小输出电压增量“。对应输入数字量中最低位‰状态变化时 的输出电压变化值;满刻度输出电压“。。即为输入信号最大时对应的输出电压值。 没输入的数字量为3位二进制数,则D/A转换器的转换特性曲线如图2.9所示。

二、D/A转换器的转换精度
D/A转换器的转换精度常用分辨率和转换误差来描述

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

1、

分辨率

D/A转换器的分辨率是描述转换器分辨最小电压能力的一个重要参数,用于表征 D/A转换器对微小输入量变化的敏感程度。定义为最小输出电压增量“。。与满刻度 输出电压“。。之Lt。

分辨率=堑/wMAX 2西1
当blMA。一定时,输入的二进制数位数r/越多,其“,。就越小,分辨率就越小,分辨

能力就越好。它取决于D/A转换器的数字信号的位数或“。、“。。

幽2,9

D/A转换器的转换特性盐线

2、

转换误差 D/A转换器的转换误差有以下两类误差。 1)绝对误差 绝对误差又称为绝对精度,指输入信号为满刻度时D/A转换器的实际输出与

理论值之差,一般应小于1/2“。
2)非线性误差

非线性误差是一种没有一定变化规律的误差,一般用在满刻度范围内,偏离理 想的转换特性曲线的最大值来表示。非线性误差与满刻度值之比为D/A转换器的
非线性度。

三、D/A转换器的转换速度
当D/A转换器的输入数字量发生变化时,输出的模拟量需要一定的时间才能达 到对应的量值,这就牵涉到D/A转换器的转换速度。D/A转换器的转换速度一般 用建立时间和转换速率来表示。

浙江大学硕士学位论丈

基于Pc的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

建立时间指从输入数字量变化到相应输出稳定模拟量所需的时问。它与D/A
转换器的模拟开关通断时间、求和放大器的建立时间及分布电容的影响等多种因素

有关。一般用D/A转换器输入数字量从全0变为全l时输出电压达到规定误差范
围所需时间来表示。单片D/A转换器的建立时IⅥ可达0.1¨s。

D/A转换器的转换速率较高,但它是在不考虑外接参考电压源、集成运放条件
下得出的,因此在实际应用时,要实现快速的D,A转换,需要D/A转换与高速集 成运算放大器配合使用才行。

§2.2.4步进电机驱动技术132’33
步进电动机使用脉冲电源工作,使直流电源以脉冲方式向绕组供电,这一过程
我们称它为步进电动机的驱动。

步进电动机的驱动方式有多种,我们可以根据实际需要来选用。下面就介绍常
用的斩波驱动、细分驱动及集成电路驱动的工作原理。

一、斩波驱动吲
双电压会增加设备的成本。斩波驱动会很好地解决这些问题。
图2.10是斩波恒流驱动的原理图。Tl是一‘个高频开关管。T2丌关管的发射极

接一只小电阻R,电动机绕组的电流经这个电阻到地,所以这个电阻是电流取样电
阻。比较器的一端接给定电压“,,另一端接取样电阻上的压降,当取样电压为0 时,比较器输出高电平。

图2.10斩波恒流驱动电路原理图

当控制脉冲%为低电平时,T1和T2两个开关管均截止;当“,为高电平时,
Tl和T2两个开关管均导通,电源向绕组供电。由于绕组电感的作用,R上的电压

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

逐渐升高,当超过给定电压“。的值时,比较器输出低电平,使与门输出低电平,
T1截止,电源被切断;当取样电阻上的电压小于给定电压时,比较器输}H高电平,

与门也输出高电平,Tl又导通,电源又开始向绕组供电。这样反复循环,直到坼为
低电平。












图2.11斩波恒流驱动的输出波形

以上的驱动过程表现为:T2每导通一次,T1导通多次,绕组的电流波形为锯
齿形,如图2.11所示。在T2导通的时间里,电源是脉冲式供电(见‰波形),所以 提高了电源效率,并且能有效地抑制共振。由于无需外接影响时间常数的限流电阻, 所以提高了高频性能;但是,由于电流波形为锯齿形,将会产生较大的电磁噪声。

二、细分驱动[36,37j
步进电动机各相绕组的电流是按照工作方式的节拍轮流通电的。绕组通电的过

程非常简单,即通电一断电反复进行。但当每次通电时电流的幅值并不是一次升到 位,丽是分成阶级,逐个阶级地上升;同样,每次断电时电流也不是一次降到0, 而是逐个阶级地下降。如果这样做会发生什么现象?
我们都知道,电磁力的大小与绕组通电电流的大小有关。当通电相的电流并不 马上升到位,而断电相的电流并不立即降为0时,它们所产生的磁场合力,会使转

子有一个新的平衡位置,这个新的平衡位置是在原来的步距角范围内。也就是说,
如果绕组中电流的波形不再是一个近似方波,而是一个分成N个阶级的近似阶梯 波,则电流每升或降一个阶级时,转子转动一小步。当转子按照这样的规律转过N

小步时,实际上相当于它转过一个步距角。这种将一个步距角细分成若干小步的驱
动方法,就称细分驱动。

浙江犬学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

细分驱动使实际步距角更小了,可以大大地提高对执行机构的控制精度。同时, 也可以减小或消除振荡、噪声和转矩波动。目前,采用细分技术已经可以将原步距
角分成数百份。

实现细分的驱动电路可分为两类:一类是采用线性模拟功率放大的方法获得阶 梯形电流,这种方法电路简单,但功率管功耗大,效率低;另一类是用单片机采用
数字脉宽调制的方法获得阶梯形电流,这种方法需要复杂的计算束使细分后的步距

角均匀一致。下面我们介绍一种属于脉宽调制法的驱动电路一叵频脉宽调制细分电
路,它不需要复杂的计算,是目前比较流行的方法。 恒频脉宽调制细分驱动控制实际上是在斩波恒流驱动的基础上的进一步改进。

在斩波恒流驱动电路中,绕组中电流的大小取决于比较器的给定电压,在:C作中这 个给定电压是一个定值。现在,用一个阶梯电压来代替这个给定电压,就可以得到
阶梯形电流。

旺墨

岫叫衄阻衄.
D~

1酬马.
D‰

皿口凹咖.
o.-





I Z二堕丝

i㈣‘




‘吣电路圈(b)波形图

幽2.12恒频脉宽调制细分驱动电路原理及输出波形图

恒频脉宽调制细分驱动电路如图2.12(a)所示。单片机是控制主体。它通过定时
器TO输出20 kHz的方波,送D触发器,作为恒频信号。同时,输出阶梯电压的

数字信号到D,A转换器,作为控制信号,它的阶梯电压的每一次变化,都使转子
走一细分步。

恒频脉宽调制细分电路工作原理如下:当D/A转换器输出的‰不变时,恒频 信号CLK的上升沿使D触发器输出%高电平,使开关管T1、T2导通,绕组中的 电流上升,取样电阻R2上压降增加。当这个压降火于%时,比较器输出低电平,

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

使D触发器输出%低电平,T1、T2截止,绕Nit re流下降。这使得R2上的压降 小于“,比较器输出高电平,使D触发器输出高电平,T1、T2导通,绕组中的电 流重新上升。这样的过程反复进行,使绕组电流的波顶锯齿形。因为CLK的频率
较高,锯齿形波纹会很小。 当%上升突变时,取样电阻上的压降小于”,电流有较长的上升时间,电流 幅值大幅增长,上升了一个阶级,如图2.12(b)所示。 同样,当%下降突变时,取样电阻上的压降有较长时间大于”,比较器输出 低电平,CLK的上升沿即使使D触发器输出1也马上被清0。电源始终被切断,

使电流幅值大幅下降,降到新的阶级为止。 以上过程重复进行。%的每一次突变,就会使转子转过一个细分步。

三、集成电路驱动‘38,39]
驱动电路集成化已成为一种趋势。目前,已有多种步进电动机驱动集成电路芯
片,它们大多集驱动和保护于一体,作为小功率步进电动机的专用驱动芯片,广泛

用于小型仪表、计算机外设等领域,使用起来非常方便。下面举一例,介绍
UCN5804B芯片的功能和应用。

图2.13

UCN5804集成电路典型应用

UCN5804B集成电路芯片适用于四相步进电动机的单极性驱动。它最大能输出 1.5 A电流、35 V电压。内部集成有驱动电路、脉冲分配器、续流二极管和过热
30

浙江大学硕士学位论文

基于Pc的开放式数拄系统的步进电机控制卡的研究与开发

保护电路。它可以选择工作在单四拍、双四拍和八拍方式,上电自行复位,可以控
制转向和输出使能。 图2.13是这种芯片的一个典型应用。结合图2.13可以看出芯片的各引脚功能 为:4、5、12、13脚为接地引脚;1、3、6、8脚为输出引脚,电动机各相的接线

如图:14脚控制电动机的转向,其中低电平为讵转,高电平为反转:ll脚是步进 脉冲的输入端;9、10脚决定工作方式。 在图2.13所示的应用中,每两相绕组共用一个限流电阻。由于绕组间存在互
感,绕组的感应电动势可能会使芯片的输出电压为负,导致芯片有较大电流输出, 发生逻辑错误。因此,需要在输出端串接肖特基二极管。

§2.2.5步进电机的加减速控制技术‘52‘601
步进电机在变速运行时,既要克服负载转矩,同时也要克服变速所引起的系统 惯性转矩。由步进电机的矩频特性可知,脉冲频率越高,电磁转矩就越小;同时, 角加速度越大,引起的系统惯性转矩越大,故其直接启动频率限制在一有限值上。 如果启动频率大于这一有限值,步进电机就会出现失步现象。因此,步进电机在高 速下运行时,必须在低于或等于启动速度下启动,然后,逐步增大脉冲频率直到期 望的速度。同样,步进电机不能在高速运行状念下突然停止,否则,由于惯性作用

会出现过冲。故需逐步降低脉冲频率直到能够停止的速度,以实现准确定位。另外,
应尽量缩短启动加速和停止减速时间,提高其快速性。

为了保证在进给时不产生冲击、失步、超程或振荡等现象,能够按照预定的速 度和位置实现快速准确地运动,加给电机的输入(脉冲频率或电压)需要按照一定的 规律给出,这就是在进给起、停、轨迹转接过程中进行的加减速控制。因此对步进
电机的加减速控制对本系统的性能有着至关重要的意义。

一、加减速控制方法分析
数控系统的加减速控制多采用软件来实现,根据其位置在插补前后分为前加减 速控制和后加减速控制。前加减速控制和仅对合成速度进行控制,因此不会影响实 际插补输出的位置精度,但是它需要预测减速点,计算量较大。后加减速控制则相
反,它对各轴分别进行加减速控制,由于各轴之间没有协调关系,因此在加减速控 制后实际的合成位置可能会出现偏差。

二、常见的加减速曲线
常见的加减速曲线有以下几种:阶梯加减速曲线,直线加减速曲线,指数加减 速曲线,S形加减速曲线。 阶梯加减速曲线如图2.14(a)所示,步进电机的转速每跃升一个台阶后将恒速 运转一段时间。这种方法的缺点是在恒速阶段没有加速,未充分利用步进电机的加 速性能;而且在高频段加速台阶高,步进电机在速度阶越时会发生失步。

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

图2.1耳常见的加减速速曲线

直线加减速曲线如图2.14(b)所示,步进电机的加速度是恒定的,其缺点是未 充分考虑步进电机输出力矩随速度变化的特性。步进电机在高速时会发生失步。 指数加减速曲线如图2.1射c1所示,指数加减速控制目的是将启动或停止时的 速度突变,转成随时问按指数规律上升或下降变化。使用指数曲线进行加减速控制 时,算法比较简单,容易实现,但存在两个缺点,一是启动过程中,速度、加速度 变化率较大,当负载扭矩较大时容易造成电机的堵转;二是加速段脉冲数与减速段
脉冲效在理论上不相等,必须经过修调处理后才能实际应用,整个调速控制过程完 成的时间比理论计算要长。

s形加减速曲线如图2.14(d)所示,在加减速时,其加速度的导数Jerk为常数, 通过对Jerk值的控制来最大限度地减小对机械系统造成的冲击。另外,通过对加
速度和Jerk两个物理量的参数设定或编程设定,可实现柔性加减速控制,以适应 不同种类机床的工况。

三、加减速控制曲线的离散化拟合
步进电机运行方式是步进式的,实际的速度是跳跃式的,并且跳跃的量值大 小必须适中,否则电机将无法响应。各种速度曲线的离散化拟合方法是用一系列阶
梯形折线来逼近该曲线(见图2.15)。对阶梯线的要求是:每个阶梯步进电机的步

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

数为整数,频率为最小频率增量的整数倍,每次的增量大小适中,并且阶梯越小逼 近精度越高。可以采用递推算法来计算速度一时间曲线在离散拟合点的速度值,每 个插补周期或若干个插补周期实时计算一个瞬时速度值,作为阶梯形折线的一个速
度台阶。

图2.15速度曲线的离散化拟合

图2.16使用查表法进行加减速控制的算法流程

四、查表法加减速控制算法实现

浙江大学硕士学住论文

基于Pc的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

查表法根据设定的加速度n、加加速度.,和加减速控制曲线型式以及步进电机 的极限速度范围由控制程序在开始加工以前生成相应曲线的表格并保存。每一程序
段使用查表法进行加减速控制的算法流程如图2.16所示。图中A S为每个频率段上 所定步数,S为已走步数,厂为该段速度频率,盎。为步进电机最高工作频率。

查表赋值过程实时性极强,并且表格自动生成,能适应不同种类机床的要求,
实现了柔性加减速控制。查表法的最大缺陷是当段内稳定速度小于表格设定的最大

速度时,实际加减速曲线与表格拟合曲线不完全一致,从加速段到匀速段和从匀速 段到减速段加速度过渡均不连续。如果让加减速段速度曲线对称,就可以采取倒查
表的方法来控制减速过程。

§2.3系统总体结构设计
通过对步进电机控制器关键技术进行分析、研究和比较,并综合国内外运动 控制器产品智能化、集成化、开放化的发展趋势,我们提出的步进电机运动控制器
总体结构如图2.n所示。

图2.1下系统总体结构

系统主要由开关量输入单元、信号输出单元、控制单元构成。其中,开关量 输入单元包括开关量采集模块、开关信号隔离整形模块等;信号输出单元包括脉冲
信号输出单元、电压信号输出单元、电流信号输出单元、方向信号输出单元等;控 制单元包括RS一232通信接口、脉冲信号发生模块、电源监控模块等。各单元及模

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控审1卡的研究与开发

块的功能如下所述:

关量采集模块:利用光电开关、限位丌关将位置信号转换成相应的脉冲号。
1、

开关信号隔离整形模块:将开关量采集模块传来的脉冲进行调压、整形,
提供单片机可接受的脉冲信号。

2、

脉冲信号输出模块:根据系统需要产生矩形波并输出至步进电机驱动器。 电压信号输出模块:输出0~5v的电压提供给电主轴驱动单元以控制主轴转
速。

3、

4、

电流信号输出模块:与电压信号输出模块类似,不同在于输出的为0~20mA
的电路信号。

5、 6、 7、
8、

方向信号输出单元:输出方向信号以控制主轴或电机的转向。 RS一232通信模块:为控制卡提供RS一232标准总线通信接口。 脉冲信号发生模块:为脉冲信号输出模块提供脉冲源。 电源监控模块:对系统电源电压进行实时检测。当发现电压不稳或掉电时, 电源监控模块向CPU发出中断,请求实施掉电保护操作。

§2.4本章小结
本章首先对项目任务进行分析,确定了设计原则。然后通过对步进电机运动控

制器开发所涉及到的关键技术的分析、研究、比较和论证,确定了系统开发所采用
的技术实施方案,为系统设计奠定了基础。最后根据项目任务、设计原则、技术实 施方案,提出了步进电机运动控制器的总体结构,并简要介绍了系统中主要模块的

作用。本章为步进电机运动控制器设计工作的展开奠定了基础。

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

第三章系统硬件电路设计
【内容摘要】在上一章系统关键技术分析及提山系统总体结构方案的基础上,本章重点对步 进电机运动控制器的脉冲分频电路、串行通信接口电路、数模(D/A)转换电路、电流/电压(VII) 转换电路、开关信号输入电路,系统抗干扰电路等进行设计和分析,并:给出各部分的实际电路, 为系统软件开发打下了坚实的基础。

§3.1脉冲分频电路设计[41,42,431
本系统的主要控制对象为步进电机,步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的 执行机构。因此产生符合系统要求的步进电机驱动脉冲为整个系统设计中的关键。

本系统的脉冲分频电路由图3.1所示。整个电路采用3片8254来产生x、Y、
z三个轴的驱动脉冲信号,鉴于Y、z轴的电路与X轴相同,因此图中只表示了X 轴脉冲数输出的电路原理。 Intel8254是可编程定时/计数器,片内包含3个独立通道,每个通道均为功能 相同的16位计数器,每个计数器的工作方式和计数长度分别出软件编程选择。8254 是8253的改进型,操作方式及引脚与8253完全相同。8253计数频率为2.6MHz,

8254的计数频率则更高,可达到6MHz。更提供了状态回读功能,是一种常用的可 编程计数器。本系统即选择了8254作为脉冲分频电路的主控芯片。

醚磊 陲垂 筐霎
避!基盛 23"-g‘W~R
wa

过蔓蔓。AO;
图3.1脉冲分频屯路图

.pULSE\

8254内部的三个16位计数器,每个都可按十进制或二进制计数。共有6种不
同的工作方式: (1)方式O:计数到0中断方式; (2)方式l:单脉冲硬件触发方式; (3)方式2:频率发生器方式;

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

(4)方式3:方波发生器方式: (5)方式4:软件触发选通方式;

(6)方式5:硬件触发选通方式。 运动控制器中每片8254的计数器0和计数器l用来控制输出脉冲的频率,它 们工作于方式3(方波发生器发生器方式);计数器2用来控制输出脉冲的数目,它
工作于方式O(计完最后一个数时中断)。每片8254与CPU和外设连接的方法相同。 由于8254与CPU的连接较为简单,这里只示意出8254和外设的连接。8254中三

个计数器各有三个引脚:一个时钟脉冲输入端(CLK),一个门控输入端(GATE)aN-- 个输出端(OUT)。如图所示,计数器0的脉冲输入端(CLK0)接振荡电路输出的脉冲 源,计数器0的门控端(GATE0)和计数器2的门控端(GATE 2)接+5V电源,计数器
0的输/出(OUT0)作为计数器1的脉冲输入(CLKl),计数器1的输出(CLKl)一方面 作为计数器2的脉冲输入(CLK2),另一方面经过光电隔离电路输入到步进电机驱 动器,控制步进电机的运转,计数器2的输,m,(OUT2)--方面输入到CPU的输入端

口,另一方面和CPU的输出信号经与门控制器送入计数器1的门控端(GATE

1)。

脉冲控制电路的工作原理如下:在对各计数器送计数值前,先使控制GATE 1引脚
的CPU输出端口变低。由于输出脉冲的频率是由振荡电路的振荡频率经过计数器

0和计数器1两次分频得到的,因此在设置计‘数器0和计数器1的分频系数时应考
虑两个计数器计数值的分配,送人计数器2的计数值为输出脉冲的数目。 当设置完各计数器的计数初值后,再使控制GATEl引脚的CPU输出端口变高,

这样便从OUTl引脚输出所需频率的脉冲,当计数器2的计数值变为零时,OUT2 引脚变高,经反向器使GATEl引脚变低,禁止计数器1计数,从而实现脉冲频率 和脉冲数目的控制。另外,当计数器的计数值变为零时,还产生中断信号,可供控
制程序使用。

在3-2.1一节中我们介绍了几种脉冲发生电路,经比较,输入8254的CLK0 引脚的CLK脉冲采用石英晶体多谐振荡器产生,保证其频率的稳定性。采用4MHz
石英晶体来产生4MHz的源脉冲。图中Rd的作用是限制晶流及调整负阻,Cg和 Cd的作用是为了消除寄生、杂散电容,保证频率的稳定和精确。根据所选晶振, 来确定Rd、cg和cd的值。

§3.2

RS.232通信接口电路设计144,451

在系统设计时我们要根据实际需要为运动控制器配备合适的通信接口。在当今

单片机系统的通信中,RS.232和RS一485标准总线应用最为广泛,技术也最为成熟。
为了使运动控制器的适用范围更加广泛,配合PC的现有接口,我们选用RS一232 标准总线来实现控制器和PC的通信,其接口电路如图3.2所示【43]。 在图3.2所示的通信接口电路中,我们选用MAX232作为系统的通信接口芯 片。MAX232是MAXIM公司生产的低功耗、单电源双RS一232发送/接收发器,适
37

浙江大学硕士学住论支

基于PC的开放式数控系统的步进电机控书l卡的研究与开发

用于各种EIA一232E和V28Ⅳ.24的通信接口。MAX232芯片内部有一个电源电压 变换器,可以把输入的+5v电源变换成RS一232C输出电平所需:k10v电压,所以采
用此芯片接口的串行通信系统只要单一的+5V电源就可以。

MAX232外围需要4个电解电容C1、C2、C3、C4,是内部电源转换所需电容。 其取值均为O.1p.F/25V,宣选用钽电容并且应尽量靠近芯片。C44为0.1laF的去耦 电容。 MAX232的引脚TIIN、T2IN、R10UT、R20UT为接TTL/CMOS电平的引脚。
引脚T10UT、T20UT、RIlN、R21N为接RS一232C电平的引脚。因此TTL/CMOS 电平的TIlN、T2IN引脚应接MCS.5l的串行发送引脚TXD;R10UT、R20UT应 接MCS.51的串行接收引脚RxD。与之对应的RS.232C电平的T10UT、T20UT 应接pC机的接收端RD;RIlN、R2IN应接PC机的发送端。

单片机TXD脚 输出TTL

魑 肇


|l啪洲

图3,2通信接口电路

三翌多 扭萋

在前面介绍RS.232的电气标准时,为了保证数据传输的可靠性,要求数据传

输速率最大不要超过20kpbs,这样的传输速率显然是不可能满足系统的需要。考 虑到在实际应用中,数据的传输距离较短(约为lm),因此大胆地突破了这一限制, 实现传输波特率为57.6kbps。采用三线制,即只连接收发RX、TX和地GND到 PC机的串口。采用11.0592MHz石英晶体作为单片机的晶振,保证了理论波特率
误差为0。详细介绍见后续的高速串行通信设计一节。

§3.3

D/A转换设计H6,47J

本运动控制器需要对电主轴的转速进行控制,对电主轴的控制通过其驱动器来 实现。 电主轴驱动器根据输入的电压或电流的大小来确定主轴的转速,因此系统需要 输出O~5v的电压或0~20mA的电流。必须将系统处理过的数字量经D/A转换变
成模拟量输出。

浙江大学硕士学位论支

基于Pc的开放式数控系统的步进电机控书l卡的研究与开发

本控制器的D/A转换主要由DAC0832芯片实现。D/A转换电路及其外接转换
电路原理图如图3.3所示。

DAC0832是8位微处理器兼容型数/模转换器芯片,是DAC0830系列的一种。
该系列产品还有DAC0830、DAC0831,它们可以互相代替。DAC0832与微机接口

方便,可以充分利用微处理器的控制能力实现对D/A转换的控制,且价格便宜, 冈此在实际中得到了广泛的应用。DAC0832具有以下主要特性: (1)数字输入端具有双重缓冲功能,可以双缓冲、单缓冲或直通数字输入:
(2)具备2级锁存控制功能,能够实现多通道D/A的同步转换输出; (3)与所有通用微处理器可直接接口; (4)满足TTL电平规范的逻辑输入; (5)分辨率为8位,满刻度误差士ILSB,转换时问为lgs,功耗20mW:
(6)

电流输出型D/A转换器,要获得模拟电压输出,须加外接转换电路。

内部无参考电压,须外接参考电压电路。

U5

图3.3

D/A转换电路及其外接转换电路

DAC0832采用R-2R T型电阻解码网络,由8位DAC寄存器、8位D/A转换 电路及转换控制电路组成。DAC0832芯片为20脚双列直插式封装,其引脚符号、 引脚号及功能详见表3.1。

DAC0832有以下三种数据输入方式:
1)双缓冲方式:ILE常接高电平,使面i信号随时可用。数据先写入D/A变换

器的输入寄存器,但输出端并不能得到相对应的模拟量输出,只有在选通面、而吾
后,输入寄存器内的数据才进入DAC寄存器中,得到相应的模拟量输出。即数据
经过双重缓冲后再送入D/A转换电路,执行两次写操作才能完成一次D/A转换。

这种方式可在D/A转换的同时,进行下一个数据的输入,可提高转换速率。更为 重要的是,这种方式特别适用于要求同时输出多个模拟量的场合。此时,要用多片
39

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的型重发
表3.1 DAC0832的引脚符号、引脚号及功能

DAC0832组成模拟输出系统,每片对应一个模拟量。





写信号2,低电平有效。当而;也有效时,将输入寄存器的数据锁存于DAC寄存器中

2)单缓冲方式:不需要多个模拟量同时输出时,可采用此种方式。此时两个
寄存器之一处于直通状态,输入数据只经过一级缓冲送入D/A转换电路。这种方

式只需执行一次写操作,即可完成D/A转换。

3)直通方式:此时两个寄存器均处于直通状态,因此要将丽、丽。、ji常接
地,1LE常接高电平,使锁存寄存器同时处于放行直通状态,数据直接送入D/A转
换电路进行D/A转换,在输出端获得与该数字量相对应的模拟电压或电流输出。

由此可见,本系统中采用的是D/A转换器的单缓冲输入方式。

§3.4

V_/I转换电路设计【481

不同的电主轴驱动器对输入的信号有不同的要求,有的需要0~5V的电压信号, 有的需要0~20mV的电流信号,因此我们同样设计了v/I转换电路,使系统具备了
电流信号的输出,增强了系统的适应性。

浙江大学硕士学住论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

图3.4

Vfl转换电路图

V/I转换电路如图3.4所示。主要采用了LF353JFET输入宽带高速双运算放大
器及其外围电路来实现。

§3.5开关信号输入电路设计[49,501
在步进电机运动过程中,常采用机械式开关和光电开关构成开关信号输入回 路,通过开关的闭合或断开,以电平的形式反映步进电机的工况。这包括:x、Y、
z轴限位;加工过程中,我们必须进行对刀,x、Y、Z轴电机的回零等操作等等。

由于开关的机械式设计,触点闭合或断开时伴有机械抖动,会使输出信号 波形出现振荡。若将该信号输入到微控制器的计数器中,会造成错误的计数而导致
系统控制混乱。开关量的输入干扰是系统设计中客观存在的问题。因此在获得开关 信号后,我们必须对开关信号进行处理,使其成为单片机可以识别的数字信号后才 能作出相应的反应。

系统中工提供了12路的开关信号接口,限位开关信号处理如图3.5所示。光
电开关信号处理如图3.6所示。



图3.5限位开关信号处理电路原理图

4l

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发



图3.6光电开关信号处理电路原理图

在丌关信号输入CPU之前,首先用电容对其进行滤波,抑制信号中的高频分 量。TPL光耦隔离实现了光电开关、限位开关信号和控制器之间的电平转换,并实 现了两个不同回路间的隔离,保证了控制器电路不受到来自开关信号电路的干扰。

§3.6系统抗干扰设计‘511
运动控制卡的工作条件往往比较恶劣,因此会不可避免地受到来自各个方面的 干扰。这些干扰不仅影响控制卡长期稳定、可靠地运行,而且还将导致误差加大, 甚至给生产造成巨大的经济损失。如何保证和提高控制卡的可靠性和安全性,成为 系统设计中不可回避的问题。在设计过程中,我们在分析系统干扰来源的基础上, 提出抗干扰对策,总结出一系列的硬件抗干扰措施。

§3.6.1硬件抗干扰技术
为了克服可能发生的各种干扰,保证系统能够可靠的运行,现有的抗干扰技术
在硬件方面采取如下措施: 1、抑制电源干扰 传导干扰通常由交流电源端引入系统内部。在体积较小的电子产品中,这种干

扰是无法完全克服的,只能尽量减小进入干扰脉冲的幅度。为了抑制这种干扰,系 统通常在交流进线端串接入低通LC滤波器。这种方法在实际中已经取得明显效果, 但为了抑制电源浪涌电压的冲击,系统还必须在电源线之间及电源线对地之间分别
加装压敏电阻。 2、抑制传输线干扰

双芯屏蔽电缆具有较强的抗干扰能力,可以抑制杂散电磁场通过感应和辐射方
式进人信道而产生的干扰。因此,对于系统中传输距离较长的线路通常选用屏蔽电

缆来实现系统各部分的连接,以达到抗干扰的目的。在一些应用环境比较恶劣的系 统中,为了进一步抑制干扰,可采用光电隔离方式将系统控制部分与I/O口部分分
开,并采用双电源供电。

3、尽量减小干扰造成的影响
由于干扰抑制受到设备的体积、成本等多种因素的影响和限制,不可能完全抑

浙江大学硕士学位论文

基于Pc的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

制掉,因此在进行系统电路设计时必须采取相应的措施,以保证系统能够可靠地运 行。通常的做法有:1)增加硬件看门狗电路。2)增加电压监测电路。3)选择抗干扰 能力较强的单片机系列。4)尽可能使用单片机的内部程序存储器和内部数据存储器 而不使用外部总线连接这些器件。51协调好电路中不同类型IC的电平匹配。6)数 据总线和控制总线间形成板与板连接时,应加总线驱动器。
4、提高PCB设计的抗干扰能力

在模拟电路的设计中人们十分注意PCB的工艺设计,因为微伏或毫伏级的干
扰会对模拟信号放大造成很大的误差,甚至使检测结果根本无法使用。而在数字电

路中,由于数字电路具有较高的噪声容限,人们往往忽视对电路板设计工艺的严格
要求。其实,系统电路出现干扰以及EMC难以通过大多是由于PCB的设计存在问

题。在静态无干扰的情况下,系统一般都可以稳定工作,即使PCB设计存在某些 问题。但在有干扰脉冲时,系统就可能会出现死机、程序跑飞等不稳定的问题。PCB
的工艺设计通常要重点注意以下几个方面: 1)地线的设计。在具有模拟和数字混合电路的PCB中,数字地与模拟地应分

开走线,并在稳压电源的起点处汇集。高频、微弱信号易受干扰,因此应该用地线
将其与其它电路分隔。另外,地线的设计要尽量粗,对易受干扰的部分应加装与地 线相联的屏蔽罩。

2)1C去耦电容的设计。电网干扰或多或少会通过各种渠道进到PCB上:电路 的瞬态信号电平转换也会在PCB内部产生干扰。因此,PCB合理的加装去耦电容 是十分必要的。在小信号的输入端,如传感器信号的放大输入级,应在靠近管脚加 装容值较小的电容以滤除高频干扰。
3)信号线的布局。在PCB中,必须将数字信号、模拟信号、功率较大电压较

高的信号线分开布置,特别应防止强弱不同的信号线并行走线。对于高频信号更要 注意其分布参数及辐射的影响。

§3.6.2系统抗干扰电路
我们采用x5045构成系统抗干扰电路,其结构如图3.7所示。
x5045是具有电源监控电路的微处理芯片,它不仅能对电源电压实现监测 而且内部还具有看门狗定时电路,因此使用十分方便。它具有四个功能:

等}到E'g wc卜_=到瑟 器呲乳
r。。。。。—1


』翠SO
。=F

3a



㈨JR
--I-c7

X5045

图3.7系统抗干扰电路

浙江太孝硕士学位论文

基于Pc的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

l、上电复位功能:向器件加电时激活上电复位电路,它保持RESET/RESET有
效一段时间。使电源和振荡器稳定。当Vcc超过器件门限值,经200ms(典型)电

路释放RESET/RESET,允许系统开始工作。
2、低电压监测功能:工作时,X5045监测Vcc电平,如果电源电压跌落到预

置到最小门限值以下时,系统复位,即确认RESET/RESET。RESET/RESET信号
保持有效直到Vcc回到正常工作电压并且稳定为止。。

3、看门狗定时器功能:通过监视WDI输入来监视微处理器是否正常工作。微

处理器必须周期性地触发CS/WDI引脚以避免触发RESET/RESET。x5045具有三
个预置超时时间(1.4s,600ms,200ms)。 4、串行EEPROM存储器:X5045提供4KB的串行EEPROM存储器,具有 SPI接口特性,允许工作在一个简单四线总线上。 X5045主要引脚定义如图3.7中U3所示,引脚功能如下:

CS(1脚1:片选信号,低电平有效。高电平时SO端处于高阻抗状态。上电之
后,任何操作之前,需要先在CS上有一次由高到低的跳变。 S0(2脚1:串行数据推/挽输出端。当读周期时,数据从该脚移出。数据与串行

时钟的下降沿同步输出。
WP(5脚):写保护端。当WP为低时,向X5045的非易失性写被禁止,器件其

他功能『F常。当WP保持高时,所有功能正常。在CS为低时WP变低将中断向向 X5045的一次写操作。如果内部写周期已开始,WP变低对写操作没有影响。
Vss;(4脚):地。 SI(5脚):串行数据输入端。所有要写入存储器的操作码、字节地址和数据都 从该引脚输入。输入信号于串行时钟的上升边锁存。

SCK(6脚):串行时钟端。串行时钟控制串行总线数据输入和输出的时序。

RESET/e疆SET(7脚):复位输出端。只要Vet下降至最小Vet检测电平时
该输出端变有效,它将保持有效直至Vcc上升到最小Vcc检测电平200ms为止。 如果看门狗电路有效且CS保持高电平或低电平的时间长于看门狗超时周期,也将

触发RESET/RESET信号,cs的下降沿复位看门狗定时器。
Vcc(8脚):电源

§3.7本章小结
本章在前一章提出总体结构方案的基础上,重点对运动控制器的脉冲分频电

路、RS一232通信接口电路、数模(D/A)转换电路、ⅥI转换电路、开关信号输入
电路,系统抗干扰电路等进行漫计和分析,并给出以上各部分的实际电路。
本章为运动控制器系统软件设计奠定了坚实的基础。

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

第四章系统软件设计
【内容摘要】本章首先针对目前单片机系统软件开发所面临的问题,创造性地提出了消息驱动 程序设计思想,详细阐述了消息驱动机制的基本原理及其应用中的一些基本问题:然后按照单 片机系统中消息驱动的实现方法,设计出系统软件体系结构中消息循环及一些关键性消息处理 功能模块;对其中的自动加上模块、手动加1_模块和高速串行通信模块功能的实现进行了详细 介绍,并对系统软件抗干扰技术作了介绍。

§4.1消息驱动程序设计思想
近年来,单片机系统在工业自动化、生产过程控制,智能化仪器仪表等领域的

应用,有效地提高了生产效率,改善了工作条件,大大提高了控制质量与经济效益。 为了使单片机系统运行更可靠、功能更强大,现有的单片机系统在硬件设计上采用
了许多新器件和新方法。新器件和新方法的采用不仅提高了单片机系统工作的可靠 性,而且还增强了系统的功能,但同时也为系统程序的设计提出了一些难题。

在传统的单片机程序中,通常是以“过程”和“操作”为中心的结构,程序按 规定的过程顺序地执行,与外设的连接一般采用中断方式,在中断服务程序中完成
外设的全部处理工作,主程序一般只是初始化系统并等待中断的发生。这种结构成

熟、易于理解,但有如下不足: 第一,当多个中断源同时申请中断或在CPU响应一个中断期间发生另外几个 中断请求,可能造成有些中断请求不响应;
第二,中断服务程序过长,在中断服务期间系统无法响应同级的中断; 第三,用户很难确定中断源的轻重缓急,当优先级设置不当或高优先级中断服

务程序时间太长,造成优先级较低中断得不到进一步服务;
第四,既使CPU均能响应各中断源要求,可扩充性和可稳定性也较脆弱,一

旦增加中断模块,原各模块之间的平衡被打破,需要重新调试,确定各模块之间的
优先级和相互西调关系。这些工作随系统的复杂程度增加而增加。

因此在完成本系统的软件设计时,我们引入了windows程序中的事件驱动机
制,把中断响应与事件处理程序分离,中断服务程序的任务只是产生一个中断发生

的标志,而事件处理则由处理程序来完成,主程序则负责判断标志和调度处理程序。
实践表明,以事件为中心来组织系统的结构,以消息为纽带来耦合系统的各功能模

块,是解决上述一些问题的有效方法,大幅缩短中断服务程序的长度,减少中断服
务程序的耗时,提高系统对多中断的响应能力,从而较好地解决上述矛盾。

浙江走学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控书j卡的研究与开发

§4.1.1消息驱动的基本原理[70,71,721
与Windows多任务搡作系统相比,单片机是一个单任务的系统,资源十分有限,
彳;易同时运行多个程序,不可能像Windows那样建立庞大的消息循环机制,将消息 分发给各个程序进行并行处理。在基于消息的单片机编程中,消息机制可以采取一

种简化的方式来定义:当某个事件(例如中断)发生时,事件处理程序(如中断服务程 序)设置相应的标志.不同的标志即代表不同的消息:主程序在消息循环中不断地 判断这些标志.以决定启动哪一个处理函数(相当于将消息发送给特定的消息处理 函数1。这就可能并且允许采用异步方式处理各种中断及定时任务。
同许多消息驱动的程序设计方式一样,程序的流向由消息决定。系统内外所发 生的事件,将在消息队列中产生相应的消息。在主程序的消息循环中,一‘旦检测到 消息后,系统首先要对消息的合法性进行判断。这是因为程序运行时并不是所有消 息都是合法的。比如,外界产生的随机干扰引起电平跳变,或者由于模块或消息源

没有经过充分的测试产生非法的消息等等。所以,在主程序消息循环调用消息处理
功能模块之前系统要对消息的合法性进行判断。系统如果判断消息是合法的,则调

用相应的消息处理功能模块进行消息处理,然后从主消息队列的丌始位置重新进入
主消息循环:否则系统返回到主消息循环,继续检测消息队列中的下一个消息。如

果系统对消息队列检测完后没发现消息,系统从消息队列的开始位置重新进入主消 息循环。由于消息间只存在循环消息检测顺序上的默认优先级,所以在消息处理的
过程中不会产生嵌套。消息驱动的原理如图4.1所示。

图4.1消息驱动工作原理图

§4.1.2消息驱动系统的软件结构[68,691
在单片机系统中,采用消息驱动思想后的整个软件系统由主程序、消息源、消

息处理功能模块和数据资源构成,其结构如图4.2所示。软件系统可有多个消息处 理功能模块和多个消息源,但只能有一个主程序和一个消息循环。主程序负责硬件

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

系统初始化以及完成消息处理功能模块的调度。数据资源包含了系统所需和所产生
的所有信息内容,而消息处理功能模块的所有操作也只能针对数据资源。 消息源是产生消息事件的主体,因此消息处理功能模块有时候也可以是消息

源。消息源发送消息不受其他模块或主程序控制,它只负责消息发送,并不对消息
进行处理。消息一旦产生便进入消息循环,并由主程序根据消息循环进展情况予以 保留或撤消。不同消息必须有不同的标记来区别。

图4.2系统软件结构

消息处理功能模块用于执行特定的任务,其执行由系统主程序消息循环调度激 发。消息处理功能模块之间或消息处理功能模块对自己不能直接进行调用操作,因 为一旦消息处理功能模块之间发生系统未知的调用操作,将会导致消息处理功能模 块间的关系趋于复杂和系统难以有效调度控制的局面。各个消息处理功能模块之问 的关系必须明确,模块只与主程序、消息循环和资源有联系,彼此之间无直接关系。 消息处理功能模块间这种很强的独立性,使多人分工完成系统不同模块的编制成为
可能。

消息源、消息处理功能模块和主程序之间有两个公共变量:消息量和状态量。 消息量描述目前事件发生情况,状态量描述系统当前运行状态。具体来说,消息源 发出消息时改写消息量,但不对状态量进行操作;消息处理功能模块运行使系统状 态发生变化时才改写状态量。一般来说,消息处理功能模块不对消息量进行操作, 但为了使一个消息处理功能模块可以调用另一个消息处理功能模块,或产生从一个 消息处理功能模块到另一个消息处理功能模块的顺序执行结构,消息处理功能模块 在需要时可产生新的消息。
资源由消息循环驱动的输入输出参数组成,既是循环驱动的数据仓库,又是其 各个消息处理功能模块交换数据、实现任务传递和继承的纽带。在单片机系统中, 资源分为广义资源和狭义资源两种。广义资源指系统运行所必须和消耗的资源,包 括地址空间、ROM、RAM、端13资源、中断源、定时器、运行时间等;狭义资源

是从软件角度出发,指程序运行所利用的数据、信息以及所产生的数据、信息。本 文所指的资源皆为狭义资源。

47

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

§4.1.3消息驱动的实现方法
一般的单片机系统程序,都将输入检测功能与信息处理功能放在同一模块中。 而基于消息驱动思想的单片机系统软件则将输入检测功能与信息处理功能分离开。
输入检测功能承担消息的检测,其作用类似于Windows操作系统在多任务环境中所

承担的系统监控作用,即监视输入变化,形成消息,并将消息放在约定的变量中; 系统子程序类似于Windows中的应用程序,即完成消息处理任务。结合单片机系统 软件丌发特点,将消息驱动思想应用于单片机系统软件设计的基本原理简述为:平
时系统中各消息处理功能模块处于闲置状态,仅当有相应消息产生时才将它激活, 即各消息处理功能模块并不主动占用CPU处理时间,而仅由系统任务调度程序依据

系统当前的状态进行调度,并约定:系统程序由系统主程序、消息处理功能模块两
部分组成。

系统复位

二][二
程序初始化 喂狗输出

Ⅵ 大
消息1存在7


消息1合法?

消息1处 理功能模块

\/


消息2存在?

L?一

兰~

/7\

消息2合法?

~1r

消息2处 理功能模块

墅::!箩》—K=迫璺:::箩

运≥—◇
N卜_压匦匦乎_J
NI


消,gn一1处 理功能模块

消息n处 理功能模块

上N

撇销消息n

图4.3系统主程序基本框架

根据上述原理,可按如下方法建立其软件开发体系结构:
1、根据单片机内部资源,构造适当数量可独立发出消息的消息源(如单片机

的两个外部中断源1NT0和INTl,三个内部定时器/计数器TO、Tl和T2等等)和

浙江大学硕士擘住论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

软件功能模块构成的消息源。 2、定义好消息和状态公共变量。消息驱动的单片机系统程序中,消息循环队 列中的消息变量,实际上是一些定义好的可位操作的公共变量。它采用位对应的方

式,每一位代表一个消息量,并且消息位为“1”时表示该消息发生,为…0时表
示该消息撤销。系统状态量由程序的控制需求来确定,也采用位对应的方式,其每

一位都代表系统运行的某个状态,某位为“l”时表示该状态存在,为…0时表示
该状态消失。

3、定义消息协议、制订消息驱动机制。系统中各消息并不是相互独立的,消

息与消息之间、消息与状态之间具有相互联系和相互制约的关系。在开发系统软件 时,应首先制订好消息协议,建立消息驱动机制。只有这样,系统才能够正确有序
地完成各种调度操作。此外,由于系统主程序使用用户定义的消息来协调多个进程

的运行.而对用户定义消息含义的解释完全取决于用户程序,因此定义一套完整的
消息协议也是非常必要的。 4、建立程序基本框架。整个系统程序由主程序、消息处理功能模块构成。主

程序不仅要对系统硬件进行初始化,还要对消息队列进行检测,并在适当时候激活 合法消息对应的消息处理功能模块。因此,主程序中包含系统初始化程序和消息循
环驱动程序,其基本框架如图4_3所示。

§4.2基于消息驱动的系统软件设计
§4.2.1系统主程序设计
系统的主程序由消息循环和初始化程序构成,其流程如图4.8所示。在系统的 主程序中,初始化程序的功能是在系统复位后完成单片机各个特殊功能寄存器的设 雹、各数据区的初始化、外部硬件设备的设置等操作;系统的消息循环则用来实现 消息合法性的判断及消息处理功能模块的调用。 为了能够对消息的合法性进行判断,我们为消息组中的每个消息定义了对应的 合法性判断标识位,如果某消息所对应的合法性判断标识位为“1”,则表示该消息

是合法的消息,系统应该调用相应的消息处理功能模块对消息进行处理;为…0’,
则表示该消息是非法的消息,系统应该忽略该消息。为了实现“看门狗”功能,我

们还在消息循环中加入了喂狗输出操作。值得注意的是,在系统的串行通信处理模
块中,根据接收到的数据进行判断是自动加工,或是手动加工,还是参数设置,分

别对消息序列中的标志位进行置位,以保证主程序能够正确实现各处理模块的调
用。

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

二[
系统复位
张序制始化 喂狗输山

Ⅵ 支
消息1存在? 消息2存在?

一一 、, 大 一一~一 一一一一 j( .支 一一一
N1.一
消息3存在? 消息4存在? 消息5存在?


消息l合法?

通信握手处 理功能模块

,7\

消息2合法?

串行通信处
理功能模块

二五一一

,7\

消息3台法?

二五一一
,,‘、
消息4合法?

自动加工处 理功能模块

二五一

手动加工处 理功能模块

、、雨一


消息5合法? 撤销消息5

,7\

参数设置处 理功能模块

图4.4系统主程序流程图

§4.2.2系统主要消息处理功能模块设计
一、自动加工模块软件设计
自动加工是系统控制软件中最为关键模块之一,它主要实现对上位机传来的数 据进行存储,处理,实现对步进电机和电主轴的控制,从而实现对加工对象的自动
加工。

当系统自检通过后,进入初始化。设置完初始通信波特率并与上位机握手成功 之后,下位系统开通信中断,处于等待状态。当串口接收到上位机传来的数据时,

首先对数据进行转存。在系统设置中,上位机一般是将加工命令(如电主轴转速控 制,网零点、对刀、加工等)与加工数据一起发往下位机,所以将数据存储完毕后,
下位软件对数据进行处理,判断为何命令,根据相应加工命令转去相应子程序。

图4.5以脉冲输出子程序为例来说明白动加工的流程。当主程序检测到消息队
列早有自动加工的消息时,跳转进入自动加工模块。CPU将数据写入8254,之后,

脉冲的输出由8254来完成,CPU则继续对消息队列进行循环检测,查询是否有外 围的开关信号对消息位进行置位,判断是否有限位报警、脉冲输出完毕触发的中断

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

信号或其他外部中断。若出现此类消息,则转入相应的模块进行处理。若没有此类
消息,在第一轮查询结束后,CPU向上位机发一一个“请求数据”的信号,准备接

收下一加工的数据。当数据到达以后对数据进行预处理(如加减速控制的查表等
等)。当脉冲输出结束后,由硬件电路触发中断(详见3.1一节脉冲分频电路设计),

对消息位重新置位,主程序检测后进行下一轮自动加工,将预处理过的下一加工数
据送入8254或DAC0832,重新发送脉冲。如此循环反复直至楚个加工过程结束。

驾羹裂刊蕊鐾鑫蓓惫H韶H娶嘉五嚣H蠛觜恒
向I二位机要数据kL=:§F次循孬℃>?<氤冲输H1结束}L二>?卫::j读倩号输^了≥』——丽面



图4.5自动加T模块软什流程圈

在整个过程中,脉冲的分频输出由8254完成,CPU在将数据写入8254之后 不再负责脉冲的输出,这样大大节省了cPU的资源,使CPU有充足的时间来处理 其他的控制程序。

二、手动控制模块设计
该模块主要实现在x、Y、Z各向上正反两个方向的点动、连动操作以及手动 控制等,方便对刀、原点设置等功能的实现。以下对对刀、回零两个位置控制功能 的实现做详细介绍。

l、回零功能的实现
数控机床中各坐标轴的零点,一般分程序零点和机床零点,或者叫相对零点和

绝对零点。程序零点根据加工零件的不同,加工过程的不同由程序定。采用程序零 点方便,定位效率高。对于开环控制,如果机床坐标轴移动时出现丢步,机床的回 零精度将受影响,误差会积累,并将导致下一加工循环出现较大的加工误差。 机床零点则是依赖于机床的坐标系,在机床设计制造时就已精确地设定,用于
对机床工作台、滑板以及刀具相对运动的测量系统进行定标和控制的点。可以在机

床出现丢步时,自动校正程序零点的位置。 关机后,系统对机床移动部件的位置无记忆功能,因而机床在每次开机后都必 须首先进行回零的操作,以确定机床的坐标原点,进而确立机床的坐标系。而在加 工过程中,当出现累计误差时,机床的回零功能就显得尤为重要了。通常系统回零
的方式有如下3种:

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

(1)回零轴先以参数设置的快速进给速度Fr向零点方向移动,当零点减速撞块 压下零点减速丌关时,电机减速至参数设置的趋近速度F1继续向前移动, 当撞块释放减速开关后,数控系统检测到零标志信号时,回零轴停止,此
停止点即为机床零点。 (2)回零轴先以Fr向零点方向移动,当减速开关被撞块压下时,回零轴制动到

速度为零,再以F1向相反方向移动,当撞块释放减速开关后,数控系统零 标志信号,回零轴停止,此停止点即为机床零点
(3)回零轴先以Fr向零点方向移动,当减速开关被撞块压下时,回零点轴制动 到速度为零,再向相反方向以F1速度微动,当减速模块释放减速开关时,

回零轴再次反向以F1移动,当模块再次压下减速丌关时,回零轴仍以Fl
前移,减速模块释放减速开关后,数控系统检测到零标志信号时,回零轴 停止,机床零点随之确立

速度
F.

圈4.6回零过程示意幽

回零命令

主轴星空趋近k一 零点 l’

——皇一 中断处理
主轴快速向零l

舔;藏秽


《矽 ————L~
22呵—一
点方向运动l

回零轴制动

迥雯竺竺多
土轴再反向趋 近零点


——了一

调用减速予l 程序 l

坚二二

面赢事r>

面瓮
l旦!塑!些H结束

图4.7回零过程流程图

浙江大学硕士学位论支

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

本系统的回零采用与上述第三种方式类似的原理来实现。在系统中采用灵敏度
更高的光电开关作为零点标志。回零轴先Fr向零点方向移动,当光电开关被触发

后,回零轴制动到速度为零。由于存在一个减速时间,因此此时离零点有一个相对
较远的距离。随后回零轴以趋近速度F1反方向微动,再次触发光电开关后再制动

回零轴,由于此时回零轴的速度相对较小,因此速度制动为零后的位置与零点位最 相距不远。紧接着回零轴再以F1速度又反向运动,再触动光电开关后停止,此时
即为机床零点。

从图4.6中我们可以看出实际的零位开关并不在主轴停止位置,但这个误差在 系统可以接受的误差范围内。由于每次回零时的位置均基本相同,因此可以把这个 误差作为一个固定值考虑到系统的初始设置中。
回零的具体流程如图4.7所示。

2、对刀功能的实现
在加工过程中,难免出现刀具磨损过度、断刀等情况,一旦出现这些状况,系

统必须马上停止加工并更换刀具,换刀后就必须使用到对刀功能。 通常意义上的对刀是指将刀具的刀位点调整到与数控程序中G92指令(或其
它建立工件坐标系的指令)所指定的坐标位置相重合,即在工件坐标系中使刀具的

刀位点位于起刀点上,以使在数控程序的控制下,由此刀具所切削出的加工表面相
对于零件的不加工表面(定位基准)有正确的位置尺寸关系,从而保证零件的加工

精度要求。同时对于在加工过程中需使用多把刀具时,还应保证换刀后新刀具的刀
位点与原刀具(标准刀具)的刀位点相重合(允许存在刀位点位置间的误差,但该

误差应是可知的,以便用刀具补偿功能或其它方法来消除)。本文所讨论的对刀功
能即指的后一种功能的实现。

对刀命令


主轴缓慢下


IIt断处理 主轴快速上升 到安全高度停
读入对刀仪位 置参数

触发对刀光\N
电信号?
z轴停止




二二蔓
主轴向对刀仪 运动

储存新 z轴数据


坠g呕对刀礤

结束

图4.8对刀过程流程图

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

在系统中采用了一种简易的对刀装置,它一般安装于工作台的某处不常使用的 地方。这种装置安装有接近开关,一旦刀头接触到对刀面,则发出一个开关信号供
系统使用。

在系统出现需要对刀状况时,触发中断,系统程序自动跳转对刀子程序,并将 当前的工作位置、工作状态压栈保护。随后主轴(一般为z轴方向)自动升高到 安全高度后关闭主轴转动。在安全高度上,读入简易对刀仪位置,主轴向对刀仪移 动。到达对刀仪位置后,z轴缓慢下降,直至触发对刀接近开关。其工作原理与系 统回零过程的工作原理相似。对刀后,将新的刀具长度存入系统初始设置,以新的 参数进行数控程序的执行。对刀过程的程序流程如图4.8所示。

§4.3高速串行通信软件设计
§4.3.1高速串行通信的实现
许多资料介绍串行通讯的电气标准时,为了保证数据传输的可靠性,要求数据

传输速率最大不要超过20kpbs,这样的传输速率显然是不可能满足系统的需要。
因此我们在应用中,大胆地突破了这一限制,设置传输波特率为57.6kbps,连接导 线长约lm。实现方法如下:

1.硬件设计上,单片机侧应用MAX232C芯片实现TTL电平与RS232C电平
的相互转换,然后直接采用三线制连接(即只连接收发RX、TX和地GND即可)。

在4.2一节中我们已经详细介绍了硬件的设计。
2.软件设计上,我们注意了波特率的选择。波特率是串行通讯中的一个关键

参数,通讯双方波特率的一致性直接影响数据传输的正确性。正常传输所允许的最
大波特率误差不能超过4.5%,但是由于采用高速串行通信,为了保证传输的可靠 性,应尽可能选择最小误差率。这就涉及了晶振频率确定的合理性。

PC机中的波特率是用1,8432MHz晶振经16位除法器产生的,可以精确产生 各种标称波特率,设x为除法器控制常数,则波特率鼠为:

岛=等半
80C52系列单片机的波特率发生器是由定时器Tl实现的,串行方式1的波特
率E由下式确定:
.3SMOD,

丑=———=———盥^_一 32X12×(256一THl)


式中,THl为T1定时重装系数,SMOD为电源控制字PCON中的最高位,可

编程为0或1,当SMOD=1时波特率加倍。.如为单片机晶振频率,通常取6MHz、
8MHz或12MHz。由于在设置波特率时要计算计数初值,并要求对计算值圆整, 因此理论波特率与计数初值圆整后得到的波特率将产生误差。波特率误差AB如表

浙江走学硕士学位掩文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

4.1。其中:

AB:瞳趔。loo%


由表1我们可以看出,晶振频率的选择对波特率误差有极大的影响。通常使用

的6Mhz、8MHz及12M11z晶振在波特率为57.6kbps时,产生的误差已经超过了 4.5%,无法达到高速串行通讯要求的精度。 因此我们选用频率为11.0592MHz的晶振,由表4.1可见,实际波特率与标称 波特率的理论误差为0,完全可以满足系统的要求。 当系统要求更高的波特率时,可以采用频率为22.1184M的晶振,这样在波特
表4.1;晶振频率与波特率关系
晶振频率6MHz
标称 实际
TH

晶振频率8MHz

晶振频率12MHz
实际
TH

晶振频率11.0592MHz 实酎、
TH

误差
△B
250

实际
TH

误差

误差△


误差
AB
244

波特率
4800

波特率
5208 10417

波特率
247 252

AB

波特率
243 250

波特率

8 5%4630

3 5%4808

0.2%4800

0% O% 0%

9600 19200 38400

253 254

8.5%

10417
20833

8.5%

10417

8.5% 8.5% 18.6%


9600 19200
57600 57600

250

15625

18.铂

254 255

8,5% 8.5% 27.7%

20833
31250 62500

253 254

253

31250 31250

255

18.麟41667
45

255 255

50% 0%

57600

255

7%41667

255

255

5%

率为115.2kbps时仍然可以满足0误差要求。 设系统采用11.0592MHz晶振,通讯频率57600bps,串口工作方式1(8位数 据位,1位停止位),则初始化程序如下:
MOV MOV MOV MOV TMOD,#20H
THl,#0FFH TL2,#0FFH PCON,#80H

;定时器T1 J二作方式2 ;TI计数初值
;TI计数重装值

:SMOD=1,波特率加倍 ;设置波特率为57600bps

SETB

TRl SCON,#50H

;启动定时器 ;串口工作方式1

MOV

由于本方案大胆突破了串行通讯标准的常规通讯速率,是对RS232接口的超 标准运用,误码发生概率可能随之增大,因此在通讯程序设计中必须小心处理误码 检测。实际运用中采用CRC.12循环冗余码进行检错,并且硬件设计时采取防干扰
设计,保证了系统的正常工作。

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

§4.3.2串行通信协议
本通信协议的设计思想是基于帧传输方式,即在向RS232串口发送命令信号、 应答信号及数据信号时,是一帧一帧地发送的。为了使数据快速可靠地传输,将每

一帧数据唯一对应一命令帧,此时转输数据即执行命令。具体如下 (1)在PC读数据时,遵循读命令一等数据一报告,即PC下达一命令,等待 接收数据,再据所接收数据的讵误向应用程序报告此命令的执行情况。
(2)在PC写数据时,遵循写命令一等回应一报告,即PC下达~写命令,此

时所要写的数据含于此命令中,等待单片机发来的“已正确接收”的回应信号,并
向应用程序报告此命令执行完毕。

(3)如果在转输过程中,其间PC或MCU所接收任何一帧信号出现错误时, 均会向对方发送重发此帧信号的请求,如果连续三次转输失败,则退出通信,并向 应用程序报告。

一、信号帧分类
在数据通信时所使用的信号帧可分以下几类 (1)读命令帧:当PC读数据时,PC向MCU发送的命令信号;
(2)写命令帧:当PC写数据时,PC向MCU发送的命令信号内含所要写的数据; (3)数据帧:当PC读数据时,MCU向PC发送的内含数据信息的信号;

(4)正回应帧:当PC写数据时,MCU向PC报告数据已『F确接收的信号; (5)重发命令帧:当PC读/写数据时,MCU所接收的信号帧(读/写命令帧)有误
时,向PC发出的请求重发信号;

(6)放弃命令帧:当PC读/写数据时,出现了使程序无法正常执行时,PC或MCU
向对方发出的退出通信的通知信号。

二、信号帧格式
信号帧的通用格式如下表。根据不同的信号帧,其中的某些部分可以省略。如 在在传输数据帧时,其中的器件地址和起始标志可以省略。
表4.2信号帧的通用格式

l I

帧头标志
长度

帧类型 数据区

器件地址 校验和

起始地址 帧尾标志

帧头标志(1 Byte):表示此数据包属于本串口通信协议并为是否接收此包数 据的标志;

帧类型(1Byte):所用信号帧的识别标志,各类型信号的标志字节; 器件地址(1Byte):PC所要访问的外部器件的地址即是哪一个外部器件; 起始地址(2BNe):Pc所要访问的器件的存贮器起始地址;

浙江犬擘硕士学位论文

基于Pc的开放式数拉系统的步进电机控制卡的研究与开发

长度(1Byte):一次命令所传输的数据长度;
数据区:所要写或传输的数据信息;

校验和(1Byte):此帧信号的校验字节为异或校验;
帧尾标志(1Byte);此帧信号的结束标志。

三、通信协议处理流程
串行通信协议的处理过程如图4.9所示。

:开始


耵日友趸
器初始化

接收数据并计I 算类加值 l




———f—一
接收?字符l



≤釜>纠寐

回复“接收正| 确”返回消息l

I数据指针I旦J退

主——

—二王二一
(结束)

图4.9通信协议处理流程示意图

§4.4软件抗干扰技术
§4.4.1软件抗干扰技术简介
窜入系统的干扰,其频谱往往很宽,且具有随机性。采用硬件抗干扰措施,只

能抑制某个频率段的干扰,仍会有干扰侵入系统。这时要充分发挥系统软件方面的 灵活性,采用软件与硬件抗干扰措施相结合的方法提高系统的抗干扰能力。与硬件 抗干扰不同,软件抗干扰主要是从于扰形成后的抑制或消除上着手。常用的软件抗 干扰措施为:

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控针卡的研究与开发

l、数字滤波 为了消除干扰噪声,工程中常将一组输入数字序列进行一定的运算后转换成另 一组输出数字序列,这就是数字滤波。设数字滤波器的输入为X(n),输出为Y(n),
则输入序列和输出序列之间的关系可用差分方程式表示为:

Y(n)=∑a,-X(n—K)一∑brr(n—K)
K=O K-I

(2—7)

(2.7)式中,输入信号x(n)可以是模拟信号经采样和A/D变换所得到的数字 序列,也可以是计算机的输出信号。具有上述关系的当前数字滤波器的输出,与其 现在和过去的输入、过去的输出有关。数字滤波的主要方法为:1)程序判断滤波; 2)中位值滤波;3)算术平均值滤波;4)递推平均滤波;5)防脉冲干扰平均值
滤波:6)一阶滞后滤波。 2、软件陷阱

当“跑飞”程序进入非程序区(如EPROM未使用的空间1或表格区时,采用冗 余指令使程序纳入轨道条件便不满足,因此无法通过指令冗余实现抗干扰。此时可 通过设定软件陷阱来拦截乱飞程序,将其迅速引向一个指定位置,然后用一段程序
对乱飞程序进行出错处理以使系统恢复正常。所谓软件陷阱,就是使用引导指令强

行将捕获的程序引向一个指定的地址,在那里对出错程序进行处理的程序。软件陷
阱一般安排在程序中的如下位置:1)未使用的中断区。2)未使用的EPROM空间。 3)非EPROM芯片空间。 3、指令冗余

为了使“跑飞”程序迅速纳入『F轨,在系统程序的关键地方插入一些单字节指 令或将有效单字节指令重写,这称之为指令冗余。指令冗余的主要实现方法有:1)
使用NOP指令。可在双字节指令和3字节指令之后插入两个单字节NOP指令,这

可保证其后的指令不被拆散。2)重要指令冗余。对于程序流向起决定作用的指令
(如RET、RETI、ACALL、LCALL、LJMP、JZ、JNZ、JC,DJNC等讶口某些对系 统工作状态有重要作用的指令(如SETB,EA等)的后面,可重复写上这些指令,以 确保这些指令的正确执行。
4、看门狗

系统程序因干扰而跑飞后也可能陷入“死循环”。指令冗余技术、软件陷阱技 术不能使失控程序摆脱“死循环”的困境,因此必须采用程序监视技术,既“看门

狗”技术,使程序脱离“死循环”。所谓“看门狗”技术,就是当系统发现程序运 行时间超过已设定的时间时,系统应用强制措施使自己产生复位,从而使系统运行
纳入正轨的方法。

浙江戈学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

§4.4.2软件抗干扰原理
系统供电及程序运行正常情况下,系统按图4.10所示的程序流程运行。系统 在运行完初始化程序后喂狗输出。设定系统的在执行程序时于喂狗超时时间内输出 喂狗信号,这样就保证了系统在程序运行正常的情况下X5045的看门狗不会产生 输出,系统也不会复位。 当系统电源供电正常但执行程序因干扰而跑飞或进入临时构成的循环嵌套时,
系统不能按正常的程序流程运行。由图4.10所示的系统主程序流程可知:系统只

有在初始化后和运行完执行程序后才产生喂狗输出。因此,系统在程序运行异常的 情况下产生喂狗输出信号的概率几乎为零。这样,当程序运行异常时系统能及时地
复位。

当系统供电不正常时,X5045会自动监测电压的变化并在电压低于设定的最低 门限值时使系统自动复位。

图4.10系统主程序流程图

系统复位后进行初始化时,系统检测X5045的EEPROM的程序运行标识字,
查看系统复位是因看门狗输出还是因系统上电产生。

§4.5本章小结
本章首先提出了系统控制软件的总体架构,随后对其中的自动加工模块和高速 串行通信的实现进行了详细介绍,最后通过对步进电机加减速控制的研究,提出了 加减速的控制策略,讨论了其算法实现及终点的速度规划。 本章和前一章设计工作的完成,为步进电机控制器系统的集成和测试创造了条
件。

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与牙发

第五章系统集成及试验
【内容摘要】本章主要介绍项目开发所得步进电机运动控制器的系统结构和功能模块配置,并 给山系统的测试过程和测试结果。

§5.1系统集成
根据厂家对步进电机控制卡的性能要求,在对其关键技术问题进行分析的基

础上我们提出了系统的总体结构方案。在该方案的指导下,我们对系统软件及硬件 进行开发,并将开发完成的控制卡与步进电机驱动器电主轴驱动器的控制对象集成 后得到的系统结构如图5.1所示。

一—’—。…………………………—。…—。—。—。—。……………………一

图5.1步进电机控制器系统结构幽

由图5.1可知,本系统CPU采用功能较强的AT89C52,它是一种低功耗、高

性能、片内含8K闪速可编程/擦除只读程序存储器的八位CMOS微控制器,与MC51 系列单片机引脚功能完全兼容。对于脉冲分频电路,系统主要采用8254定时计数
器芯片来实现,出它完成对源脉冲的分频及脉冲输出的计数。脉冲源采用4M晶振

和74HC04组成的多谐振荡器来产生,保证源脉冲的振荡频率及波形。D/A转换电 路由DAC0832配合OP07和LF353实现模拟电压电流量的输出,保证了对不同主 轴驱动器的适应性。系统采用集上电复位、看门狗、电源电压监视于一体的X5045 芯片对电源进行监视,为实现抗干扰功能提供了保障。在开关信号的输入及脉冲信
60

浙江犬学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的鲤塑至熏

号输出环节上,均采用了TLP521光耦进行隔离,进一步保障了系统的抗干扰性。 此外,系统还采用MAX232芯片构成了系统与PC机的通讯接口。地址锁存器 74LS373、三念锁存器74LS377、八总线收发器74LS245和各种门电路虽然不是构 成系统各功能模块的主要器件,但它们却为其它器件构成各个功能模块提供了帮
助。

由以上介绍可知:在步进电机控制器的开发设计过程中,我们不仅采用了功 能强、性价比高的集成芯片,而且还根据需要丌发出能够实现特定功能的电路,从 而使整个系统具有工作稳定、结构简单、操作方便等特点。

§5.2系统调试
在系统集成的基础上,我们对所研发的控制器系统进行了基本的技术性能调 试。调试的内容具体有以下几项: 1、串行通信模块调试; 2、D/A转换模块调试; 3、脉冲分频电路调试; 4、控制软件调试。 在上述内容中,我们将串行通信与控制软件的调试结合在一起,在调试串行通 信的同时进行控制软件测试。现介绍调试的结果。

§5.2.1串行通行模块及控制软件的调试
调试的工具借助一个常用的串行通信调试软件一串口调试助手来实现。将控制
卡与PC机的RS232
151

COMl连接后,打开控制卡的电源,系统自动复位。将初

始波特率设为57.6Kbps。在PC机的“硬件属性”中设置COMl口的通信波特率 也为57.6Kbps。打开串口调试助手,选择串口为COMl,波特率选择为57600bps,

其余默认。之后丌始进行数据传输。
为测试控制软件在接到数据后能否对数据进行判断,并跳转相应子程序,将系 统软件进行简化,自程序只是返回相应的命令码,而不执行其他的操作。 实验结果如图5.2所示。PC首先发送“5AH”握手命令,控制器回预定的“55H” 握手返回信号,表明通信握手成功,可以进行下一步的数据发送。随后上位PC发 送格式为“命令/数据/数/据/数据/数据”的一组数据,如“20
33 44 55 66” “82 33

44 55 66”“53 33 44 55 66”“62 33 44 55 66”“42 33 44 55

66”,系统收到数
“80”

据后对命令进行判断,转向相应子程序,返回相应命令码,分别为“20”
“50” “60” “40”。

从图5.2我们可以看出,系统工作于57600bps时能够与PC机建立正常的通信:
从返回内容上可以看出虽然波特率大大超过了串行通信标准所推荐的波特率,但并

6i

浙江大学硕士学位论支

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

没有出现明显的误码现象,这说明系统的抗干扰设计是成功的。同时系统能够在上 位PC传送命令时对其正确识别,并跳转相应子程序进行处理,说明系统的控制软 件主体设计是正确的。

图5.2串行通信调试结果

§5.2.2

I)/A转换模块的调试

D/A转换模块的电路原理图见图3.3所示。图中K。电压为经7905处理后得到 的一5V电压。为了实现准确的D/A转换,输出放大器的输入补偿电压必须置零。调 零的目的是使DAC输出端电压尽可能接近零,否则会使DAC的线性度降低。具 体方法为:在数字输入信号全为“0”时,调节图3.3中的VRI,使输出电压为零 或基本为零。在数字输入信号全为“1”时,调节图3_3中的VR2,使输出电压为
5V。

以上步骤完成后即进行阶梯电压的产生输出。产生的电压值与输入数字量的对 应关系见表5.1,根据数据可得出图5.3所示的转换特性曲线。 由表和实际转换特性曲线可以看出,系统地D/A转换模块的转换特性接近于 线性,达到了我们的设计要求。 将输出电压接入主轴驱动器进行实际运行测试,连续5次正反装的起动和停止 动作正常。采用上表的阶梯形电压输出时,主轴转速可以随着电压的上升而加大。

浙江大学硕士学住论文

基于Pc的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

以上实测表明,系统的主轴控制模块设计是成功的。

表5.1输入数字最与输出电压值对应关系表 输入数字量输入数字量输出电压 输入数字量输入数字量输山电压 16进制
00 01 02 03 04 05 06 07 08 09
0F

10进制
O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 15 31 47

(mv)
0 20.2 39.9 59.8 79.3 99.3 118.9 138.7 157.9 178 290 610 920

16进制
3F 4F 5F 6F 7F 8F 9F AF BF CF DF EF FF

10进制
63 79 95 1ll 127 163 159 175 19l 207 223 239 255

(V)
1.23 1.55 1.86 2.17 2.49 2.8 3.11 3.43 3.74 4.06 4.37 4.68 5

lF 2F




出 脚 书 摔

∞ ∞仰∞ 鲫∞蚰加。

(a)对应0-9数字量输入 图5.3

(b)对应0F.FF数字量输入 D/A转换的的实际转换特性曲线

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

§5.2.3脉冲分频电路的测试
系统采用8254对输入的CLK信号进行分频后输出控制步进电机所需的脉冲。 8254的计数器0和计数器1均工作于方式3(方波发生方式),计数器2工作于方 式0(计数到0中断)。 计数器0和计数器1的控制字分别为36H和76H,采用工作方式3,计数初值 为二进制数,先读写低8位字节,后读写高8位字节。 计数器2的控制字为0BOH,采用工作方式0,其他同计数器0和计数器1。

在使用8254计数器2进行计数时我们注意到:在写入初值后第一个CLK下降 沿只是将初值锁存进内部的计数寄存器,并不开始计数,而是在下一个CLK的下
降沿才开始减1计数。因此在读取计数值时加1进行修正。 采用示波仪来看脉冲分频电路的输出结果。图5.4和图5.5为往计数器0和计

数器l写入计数初值为04H和03H的输出波形。CLK0信号为系统脉冲发生电路
送来的脉冲波,CLKl为经过计数器0分频后输出OUT0。所以在CLK0为4M方 波,CLKl为四分频后的方波。

帆]r]厂———————一
csw=36H
LSB=04H

GATE

CLK0



I Nl











I 3|2 I



I 4『3 I



图5.4
CSW=76H

8254计数器0的输出波形

№]r]厂———————一
LSB=03H GATE
CLKl

r]厂]厂]r]r]门r]厂]厂]r]门r]
j j ; j ; ;

oUTl

.二一:一厂——广]厂]广—]































l,l



l,l







I?l。I





图5.5

8254计数器1的输出波形

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

经多次试验证明,系统采用的石英晶体多谐振荡器能够产生精确的脉冲波,

8254的脉冲分频功能正常,能够对输入的4MHz脉冲进行分频,产生系统所需要
的脉冲。在采用直线加减速曲线时,将脉冲输出至步进电机驱动器后,步进电机没 有明显的失步现象,这说明系统的加减速控制达到预定目标。

§5.3本章小结
本章主要介绍项目开发所得步进电机控制器的系统结构和功能模块配置,并给

出系统测试内容和测试结果,为判断步进电机控制器系统开发是否成功提供了依
据。

经过多次调试证明本系统已经初步达到了设计要求,这表明本项目所采用的总 体结构方案、技术实施路线等是合理的。

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

第六章总结与展望
本文研究内容为开放式数控系统的运动控制器。 首先对传统的数控系统做了介绍,针对传统数控系统结构相对封闭的缺点,

进~步研究了开放式数控系统的体系结构。在此基础上对开放式数控系统的运动控 制器作了研究,介绍了开放式运动控制器的研究现状。随后根据任务要求对步进电 机运动控制器的设计提出总体方案,并针对方案所涉及到的相关技术进行了深入研
究。

研制的三轴步进电机运动控制器,具备以下技术特点: l、通过对步进电机驱动技术进行分析,我们采用微处理器与大规模集成电路 相结合的技术方案实现步进电机驱动脉冲的输出。在具体实现方法上,采用MCS5l 系列单片机对数据进行处理及对运动状态进行控制,由8254可编程定时/计数器实
现脉冲的分频输出。这种方案保证了运动控制的实时性要求。

2、为适应步迸电机运动控制器开放化的发展方向,我们综合市场需求情况和 技术现状,将RS一232标准总线技术应用到步进电机运动控制器的设计中。我们还
根据系统的实时性要求,大胆地使RS一232串行通信工作于57.6Kbps的通信波特率

上,为此制定了比较完整的、用于实现与上位PC机间通信的通信协议,并在硬件 和软件设计中保证了通信的可靠性。 3、为了使运动控制器能够在恶劣的环境下可靠地工作,我们采用X5045集成
:吝片为主要器件构成低成本、高可靠性的抗干扰电路,

实现对步进电机运动控制

卡的自动保护。该电路集硬件看门狗、电源故障实时监控、自动复位等功能于一身, 能够克服来自电源等多方面的干扰,具有很高的实用价值。 实际调试显示,本系统具有抗干扰能力强、工作稳定、操作简便和通信可靠 等优点,从丽表明本项目开发所采用的总体结构方案、技术措施方法是合理的。然 而,目前所取得的成果并不能说明项目开发已达到了十分完美的境地,无需进行进 一步的研究开发工作。本人认为,进一步的研究和丌发工作应该集中在以下几个方
面:

首先,进一步的研究开发工作还应该紧跟技术发展潮流,努力将最新的技术 引入到运动控制器的设计中。例如在数据通信方面, USB技术具有支持热插拔,

可连接多个设备及高传输速率的特点及其与PC接VI标准的统一,在系统要求更高 的数据传输速率时完全可以采用USB技术进行设计,使系统具备更高的丌放性、
更好的实时性和更高的可靠性;在控制与数据处理方面,我们也可以采用DSP、

FPGA等技术进行设计,在提高系统集成度、精度、可靠性等指标的同时满足用户 R益增长的功能需求。 最后,在控制算法方面我们还可以做的更好,实现更为精确的位置控制和更 优的电机运动动态特性。我们有必要在以后的工作中对步进电机的加减速控制进行

浙江太学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

进一步的研究和实践,并通过更多的试验,找出更符合步进电机矩频特性的加减速 曲线,使控制器在对步进电机的速度和加速度控制方面具备更好的稳定性、更高的
加工精度。

浙江大学硕士学位论文

基于Pc的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

参考文献
李宏胜.现代数控系统的技术特点与发展趋势.制造业自动化,2002(11),pl~2,6. 文广,马宏伟.数控技术的现状及发展趋势.机械工程师,2003(1),p9~12. 陈吉红.开放式网络化数控技术及其发展趋势.机械上人:冷加工,2002(6),p13~15.

ⅢⅢ吲H

杨东勇,蒋静坪.新一代智能数控的研究现状与发展.组合机床与自动化加工技术,
2001(7),p51~55.

黄玉龙,杨建武.网络制造与开放式数控技术.制造业自动化,2002(10),p8-10,25.

吲嘲


G.Prischow,C,Danid,G.Jngghans,W.Speling,open
Future

System Controllers—A Challenge for the

oftheMachineToolsIndustry,Annals oftheClRP,1993,V01.42,No.1.

姚习武等.开放式数控系统的发展与趋势.华中理_L=大学,数控技术发展动向,1998.9,
pl~15.

游有鹏等.开放式数控系统新一代NC的主流.航空制造技术,1999(5),p35~37,49.

洪钟洲.开放式数控系统一新一代NC的主流.机电一体化,1997(4),p6~8.
陆志强等.开放式数控系统体系结构的研究.机电一体化,1994(4),p7 ̄9.
朴英锡等.综观开放式数控系统.磨床与磨削,1998(4),p14~15.

嘲嘲㈣…m

王正兵.开放式体系结构一数控系统发展的潮流.制造技术与机床,2002(1),p42. 梁建刚等.基于工业Pc机的开放式数控系统.机电一体化,1997(51,P17~19.
Frederick M.Proctor.Open-architecture controllers.IEEE Spectrum,Junel997,p60,~64.

m"m

Greg

Panla.New

processors transform motion

contr01.Mechanical Engineering,April

1997,p79—80. The PC’s CNC transformation,Manufacturing Engineering,August 1995,p49~50.

m町

Kazuo Yamazaki.Autonomously Proficient CNC Controller for High-Performance

Machine

Tools Based On p275-278.

an

Open Architecture Concept,Annals ofthe CIRP V01.46,No.1 1997,



Gunter

PritschoW,A Self-Turming Controller for Digitally Controlled Electromechanical Servo

DrivesinMaChineToolS,AnnalS oftheCIRPV01.48NO.1:1999,p307-312.



Y.Altintas,Open-Architecture Modular Tool Kit for Motion and Maching ProcessControl, Annals ofthe CIRP V01.47 No,1 1997,p295-300.

富历新等.基于ASIC的四轴步进电机运动控制器.微特电机,1998(4),p35~36. 富历新等.基丁Pc总线的四轴电机运动控制器.电气传动,1998(5),p35~37. 陆渭林.步进l毡机微机控制p的研制.声学与电子工程,1999(2),p34~39. 干功利.用于Pc机的步进电机控制接口板.原子能科学技术,1996,30(5),p452~454

四Ⅲ瞄∞阱

孙忐刚等.基于80C196KC的交流伺服电机控制卡的开发与应用.机械与电子,1999(3),
p22~23.

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研究与开发

唐义良等.基于PSD技术的控制器两片硬什设计.测控技术,1999(3),p48~50. 齐宝华等.一种基于DSP的机器人控制器.电子技术应用,1996(2),p10~12. 艄建华等.基丁DSP的数控系统的设计研究.机械设计与制造工程,1999(1),p34-35. 王毓银.脉冲与数字电路.JE京:高等教育出版社,1984。 宋学君,朱明刚,邬鸿彦.数字电子技术.北京:科学出版社,2002. 清水贤资,鸿田五郎.脉冲电路.北京:科学出版社,2000. 菅谷光雄,中村征寿.脉冲电路.北京:科学出版社,2001. 千晓晴.电动机的单片机控制.北京:北京航天航空大学出版衽,2002. 刘宝廷,程树康.步进电动机及其驱动控制系统.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997.

㈣㈣跚嘲㈣㈣刚嗍吲㈣

康晶,需广耀等.步进电机高低压驱动电路两种控制形式的比较.大连民族学院学报,
2002(7),p33~36.

乇晋峰,黄万照.步进电机斩波驱动的研究.电子工业专用设备,1990(3),p28-30. 华蕊.步进电机细分驱动技术综述.佛山科学技术学院学报(白科版),1999(3),p50-54. 赵世强,齐才.步进电机恒频脉冲调宽细分驱动电路.微电机,1994(3),p49~5I, 谭建成.电机控制专用集成电路.北京机械上业山版社,1 998.
Allegro MicroSystems,Inc.Data Sheet 26184.12C.

王幸之.单片机应用系统抗干扰技术.北京:北京航空航天人学山版社,2000.
intel.Data Sheet of8254 programmable interval timer.

孙传铮.步进电机智能控制卡.计算机应用研究,1994(3),p24-26. 陈金成,彭华伟.一种适用于经济型数控机床的运动控制}.机械工程师,1998(6),p1 ̄3. 徐波,贾永前等.高速串行通讯在数据手套中的应用.微计算机信息,2002(4),p27-28.
Maxim Integrated Produc协,datasheetl9—4323;Rev 1 1;2/03.
National Semiconductor Corporation datasheet005608 1999.

苟殿栋徐志军等.数字电路设计用手册.北京:电子工业出版社,2003 陈粤初,窦振中等.单片机席用系统设计与实践.北京:北京航空航天人学出版社,1991.

㈣阳㈣ ㈣㈨㈣旧㈣ ㈣ M㈣


李鹏飞,刘原.单片机开关量输入的抗干扰设计.西北纺织T学院学报,1995,9(2),
pl 87—189.

于风明,张鑫等.光电耦合器在微机控制系统中应用与实现.齐齐哈尔轻T学院学报,
1997,13(1),p32—36.
Xicor’lnc.Data Sheet ofX5043/X5045 REV 1.】.2 5/29/01.

毕承恩,丁乃建等.现代数控机床(上下册).北京:机械工业出版社,1991.

㈨嗍嘲
【541

胡建华,廖文和,周儒荣.CNC系统中几种升降速控制睡线的研究与比较.南京航空航
天大学学报,1999(V01.31 No,61,p706~711.

付云忠。王永章等.多轴联动线性插朴及;rs”加减速规划算法.制造技术与机床,2001(9),
p9-11.

[5s]

Jae

Wook Jeon.ElRicient acceleration

and deceleration technique for short

distance

movement

in CNC machine tools.ELECTRONICS LETTERS,13thApril 2000,VoI.36,No.8,p766-768.

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数拉系统的步进电机控制卡的研究与开发

[56]

Jae

Wook

Jeon.A generalized approach for the acceleration and deceleration ofCNC machine

tools.Industrial Electronics,Control,and Instrumentation,1996,Proceedings ofthe 1996 IEEE IECON 22nd International Conference,5-10,Au&1996,v01.2,p1283~1288.

【57】

Jae

Wook Jeon,Member,1EEE,and

Young Youl Ha.A generalized approach for the

acceleration and deceleration ofindustrial robots and CNC machine tools.IEEE

TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS,V01.47,No.1,FEBRUARY 2000,p133~139.

[58】

Dong-ll Kim,Sungkwun Kim.Performance evaluation ofsoftware acceleration and deceleration algorithms in machining and contouring.Industrial Electronics,Control, Instrumentation.andAutomation.1992.‘Power Electronics mad Motion Control’,Proceedings ofthe 1992 International Conferenee,9?13 Nov 1992,v01.3,P1263-1269.

[59]

Dong?11 Kim,Jin-11 Song,Sungkwun Kim.Dependence ofmachining accuracy

on

acceleration/deceleration and interpolation methods in CNC machine tools.Industry
Applications SocietyAnnual

Meeting,1994.Conference Record ofthe 19941EEE,2-6

Oct,1994,v01.3,p1898-1905.

[60】

Jae

Wook

Jeon,Yun?Ki Kim.FPGA based acceleration

and deceleration circuit for industrial

robots and CNC machine

tools.Mecha订onics,12(2002),P 635—642.

[61] [62】 【63】 【64] 【65】 【66】 [67] [6 8] 【69】 [70]

江正战.串行通信接口标准RS.423/422/485及其鹿片j.电子技术应用,1994(9),p26~29. 周修理,陈萍等.常见的串行通讯接口标准.电测与仪表,2001(4),p33—35. 李华.单片机实用接口技术.北京:北京航空航天大学出版社,1993. 何立民.单片机应用系统设计.北京:北京航空航天大学出版社,1990. 阎石.数字电子技术基础.北京:高等教育出版社,1997. 童诗白,华成英.模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社,2001. 马共立.MCS一51单片机实用子程序库.上海:复旦大学出版社,1989. 黄银园.基于消息驱动的光栅扫描雷达显示器软件设计.现代雷达,2000,22(2),p23-26.
张宁.消息驱动的Windows DSP软件.计算机应用研究,1999,16(1),p53~55.

张波.消息驱动思想在单片机定时体系中的应用.武汉大学学报,1998,44(1),p130~132

[71】 杨亮.Windows消息驱动机制中的核心技术分析.计算机应用研究,1997,14(5),p12~14. 【72】
Charls

Petzold.Windows程序设计.北京:北京大学出版社,1999.

攻读硕士期间发表的论文

1范文鹏,邬义杰.基于高速串行通讯的步进电机智能控制卡设计.机械工程师,
2003.11

浙江大学硕士学位论文

基于PC的开放式数控系统的步进电机控刮卡的研究与开发

致谢

在论文完成之际,首先衷心感谢我的导师邬义杰副教授。在浙江大学两年多的
时间里,邬老师不仅对我们的学业严加要求,而且在其它方面也倾注了大量的心血,

为我ff]创造最佳的学习和研究环境。邬老师孜孜不倦、不辞辛劳的指导,严谨的研
究态度和丰富的学识涵养将一直是我学习的榜样。 感谢柯映林教授、张纪文教授、李江雄副教授给予我的各种帮助和指导。感谢

李耀民、俞新东、林建广、周丹、陈月斌、刘楚辉、冷洪斌、金哲、周刚等师兄弟 陪伴我在实验室的日子早,~起研究讨论,使我获益良多。感谢同窗好友赵玉刚、
戚玉鹏、应葑蔚、江潮等硕士陪伴我度过在浙大两年半的生活:感谢实验室的苏财

茂、黄志刚、孙杰、毕运波、范树迁等博士对我的帮助,我将永远铭记这份情谊。 感谢我挚爱的父母、家人在这段时间不断的鼓励和关怀,让我没有顾虑地完成 这份学业,你们的付出和关爱是我前进的最大动力。
本论文实在谈不上是个佳作,但仍是两年半时间里的小小成果,谨以此埝文献 给辛劳的双亲、家人及长久以来一直给我支持和鼓励的挚友们。

范文鹏
2004年2月于求是园

基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研制与开发
作者: 学位授予单位: 范文鹏 浙江大学

参考文献(73条) 1.参考文献 2.李宏胜 现代数控系统的技术特点与发展趋势[期刊论文]-制造业自动化 2002(11) 3.文广.马宏伟 数控技术的现状及发展趋势[期刊论文]-机械工程师 2003(1) 4.陈吉红 开放式网络化数控技术及其发展趋势 2002(06) 5.杨东勇.蒋静坪 新一代智能数控的研究现状与发展[期刊论文]-组合机床与自动化加工技术 2001(7) 6.黄玉龙.杨建武 网络制造与开放式数控技术[期刊论文]-制造业自动化 2002(10) 7.G Prischow.C Danirl.G Jngghans.W.Speling open System Controllers-A Challenge for the Future of the Machine Tools lndustry 1993(01) 8.姚习武 开放式数控系统的发展与趋势 1998 9.游有鹏.董伟杰.张晓峰.王珉 开放式数控系统--新一代NC的主流[期刊论文]-航空制造技术 1999(5) 10.洪钟洲 开放式数控系统--新一代NC的主流 1997(04) 11.陆志强 开放式数控系统体系结构的研究 1994(04) 12.朴英锡 综观开放式数控系统 1998(04) 13.王正兵.任偲 第一讲开放式体系结构-数控系统发展的潮流[期刊论文]-制造技术与机床 2002(1) 14.梁建刚.陆志强.吴祖育 基于工业PC机的开放式数控系统 1997(05) 15.Frederick M Proctor Open-architecture controllers 1997 16.Greg Paula New processors transform motion control 1997 17.The PC's CNC transformation 1995 18.Kazuo Yamazaki Autonomously Proficient CNC Controller for High-Performance Machine Tools Based On an Open Architecture Concept 1997(01) 19.Gunter PritschoW A Self-Tunning Controller for Digitally Controlled Electromechanical Servo Drives in MaChine ToolS 1999(01) 20.Y Altintas Open-Architecture Modular Tool Kit for Motion and Maching ProcessControl 1997(01) 21.富历新 基于ASIC的四轴步进电机运动控制器 1998(04) 22.富历新 基于PC总线的四轴电机运动控制器 1998(05) 23.陆渭林 步进电机微机控制卡的研制[期刊论文]-声学与电子工程 1999(2) 24.王功利 用于PC机的步进电机控制接口板[期刊论文]-原子能科学技术 1996(5) 25.孙志刚.马文光.朱德森 基于80C196KC的交流伺服电机控制卡的开发与应用[期刊论文]-机械与电子 1999(3) 26.唐义良.王心远.邹道元 基于PSD技术的控制器两片硬件设计[期刊论文]-测控技术 1999(3) 27.齐宝华 一种基于DSP的机器人控制器 1996(02) 28.胡建华.廖文和.周儒荣 基于DSP的数控系统的设计研究[期刊论文]-机械设计与制造工程 1999(1) 29.王毓银 脉冲与数字电路 1984 30.宋学君.朱明刚.邬鸿彦 数字电子技术 2002 31.清水贤资.鸿田五郎.彭斌 脉冲电路 2000 32.菅谷光雄.中村征寿 脉冲电路 2001 33.王晓明 电动机的单片机控制 2002 34.刘宝廷.程树康 步进电动机及其驱动控制系统 1997 35.康晶.孟广耀.胡红英.吴树才.邵强 步进电机高低压驱动电路两种控制形式的比较[期刊论文]-大连民族学院学报 2002(3) 36.王晋峰.黄万顺 步进电机斩波驱动的研究 1990(03) 37.华蕊 步进电机细分驱动技术综述[期刊论文]-佛山科学技术学院学报(自然科学版) 1999(3) 38.赵世强 步进电动机恒频脉冲调宽细分驱动电路[期刊论文]-微电机 1994(3) 39.谭建成.李宏 电机控制专用集成电路 1998 40.Allegro MicroSystems Inc Data Sheet 26184.12C 41.王幸之.王雷.翟成 单片机应用系统抗干扰技术 2000 42.intel Data Sheet of 8254 programmable intervaltimer 43.孙传铮 步进电机智能控制卡 1994(03) 44.陈金成 一种适用于经济型数控机床的运动控制卡[期刊论文]-机械工程师 1998(6) 45.徐波.贾永前.杨卫东.文武 高速串行通讯在数据手套中的应用[期刊论文]-微计算机信息(测控仪表自动化) 2002(4) 46.Maxim Integrated Products,datasheet19-4323; Rev 11; 2/03 47.National Semiconductor Corporation datasheet005608 1999 48.荀殿栋.徐志军 数字电路设计用手册 2003 49.陈粤初.窦振中 单片机应用系统设计与实践 1991 50.李鹏飞.刘原 单片机开关量输入的抗干扰设计 1995(02) 51.于凤明.张鑫 光电耦合器在微机控制系统中应用与实现 1997(01) 52.Xicor Inc Data Sheet ofX5043/X5045 REV 1.1.2 5/29/01 53.毕承恩.丁乃建 现代数控机床 1991 54.胡建华.廖文和.周儒荣 CNC系统中几种升降速控制曲线的研究与比较 1999(06) 55.傅云忠.王永章.富宏亚.路华 多轴联动线性插补及其"S加减速”规划算法[期刊论文]-制造技术与机床 2001(9) 56.Jae Wook Jeon Efficient acceleration and deceleration technique for short distance movement in CNC machine tools 2000(08) 57.Jae Wook Jeon A generalized approach for the acceleration and deceleration of CNC machine tools 1996 58.Jae Wook Jeon.Young Youl Ha A generalized approach for the acceleration and deceleration of industrial robots and CNC machine tools 2000(01) 59.Dong Il Kim.Sungkwun Kim Performance evaluation of software acceleration and deceleration algorithms in machining and contouring 1992 60.Dong Il Kim.Jin I1 Song.Sungkwun Kim Dependence of machining accuracy on acceleration/deceleration and interpolation methods in CNC machine tools 1994 61.Jae Wook Jeon.Yun Ki Kim FPGA based acceleration and deceleration circuit for industrial robots and CNC machine tools 2002 62.江正战 串行通信接口标准RS-423/422/485及其应用 1994(09) 63.周修理.杨方.陈萍 常见的串行通讯接口标准[期刊论文]-电测与仪表 2001(4) 64.李华 单片机实用接口技术 1993 65.何立民 单片机应用系统设计 1990 66.阎石 数字电子技术基础 1997 67.童诗白.华成英 模拟电子技术基础 2001 68.马共立 MCS-51单片机实用子程序库 1989 69.黄银园 基于消息驱动的光栅扫描雷达显示器软件设计[期刊论文]-现代雷达 2000(2) 70.张宇 消息驱动的Windows DSP软件 1999(01) 71.张波 消息驱动思想在单片机定时体系中的应用[期刊论文]-武汉大学学报(自然科学版) 1998(1) 72.杨亮 Windows消息驱动机制中的核心技术分析 1997(05) 73.Charls Petzold Windows程序设计 1999

相似文献(10条) 1.期刊论文 石宏.蔡光起.史家顺 开放式数控系统的现状与发展 -机械制造2005,43(6)
综述了开放式数控系统的概念和几种典型的开放式数控系统的体系结构,介绍了基于PC机的开放式数控系统、并联机床的开放式数控系统以及网络化的数控系统.

2.学位论文 赵春红 基于PC的开放式数控系统 2003
数控机床的拥有量及其年产量是一个国家制造能力的重要标志,数控系统的发展是促进数控机床不断发展的技术因素.传统的数控系统都是封闭的,用户难以在其平台上进行二次开发,而开放式数控系统可解决这一问题.基于PC的开放式数控系统已成为当前CNC技术发展的必然趋势.文中系统、全面地对开放式体系结构和系统平台进行了研究,分析了国内外开放 式数控系统的研究情况和在PC平台上实现开放式体系结构的发展现状,并对基于PC平台的开放式数控系统的硬件结构和软件模块进行了方案设计.硬件结构方面,选择PC内藏CNC型结构,并对基于PCI总线的运动控制卡进行设计.软件方面,对上下位机的软件模块进行了划分和功能设计,并详细研究了PCI板卡的驱动程序设计.为下一阶段的开发工作提供了理论框架和实 现基础.

3.期刊论文 邱润生.QIU Run-Sheng 基于PC的开放式数控系统及其在玻璃雕刻机中的应用 -轻工机械2006,24(4)
论述了基于PC的开放式数控系统,重点对NC嵌入PC型开放式数控系统应用平台和应用软件的编制进行了研究,解决了构建NC嵌入PC型开放式数控系统的关键问题,并介绍了一个基于PC+DMC 1000运动控制卡的开放式数控玻璃雕刻机系统的开发实例.

4.学位论文 蒋锐权 基于PC机的开放式数控系统控制模式的研究 2001
该文首先根据国际上开放式数控系统的研究状况,分析了当今世界三个技术上最先进的开放式数控系统(即欧共体提出的OSACA计划、美国提出的NGC和OMAC计划及日本提出的OSEC计划)的体系结构及运行机制,针对中国的实际情况,着重研究了基于PC机的开放式数控系统.深入研究了基于PC机的具有字符用户界面的数控系统的软件和硬件控制模式,应用中断机制 开发了四轴联动数控机床,加工出的零件表明该系统工作稳定可靠.深入研究具有实时扩展功能的Windows NT的体系结构及内部运行机制,并在此基础上研究和开发了基于Windows NT的全软件位置伺服控制系统,研究了面向对象技术、多进程多线程技术、可视化技术、动态可配制技术等现代软件开发方法在该控制系统中的具体运用.

5.学位论文 董雪松 基于PC的开放式数控系统的研究与应用 2006
随着现代制造业的快速发展,传统数控系统兼容性差、功能不易扩展、人机界面不灵活等缺点日益显现,数控系统的开放化已成为数控技术的主流。开放式数控系统的研究目的就是要建立一种新型的模块化、可重构、可扩充的控制系统,以增强数控系统的功能柔性,从而快速地响应新的加工需求。 论文论述了数控技术的发展过程,总结了传统数控 系统存在的问题,指出数控技术发展的趋势——开放式数控系统。重点介绍了开放式数控系统的特点、体系结构以及国内外的研究现状;对基于PC的开放式数控系统的体系结构进行了分析,介绍了四种典型的结构形式:PC连接型NC、PC嵌入型NC、运动控制器+PC型、全软件型NC。 完成了对一台普通立式铣床的数控改造,使之成为一台具有四个自由度的多 功能数控系统试验平台。设计了应用于该试验平台的开放式数控系统,系统硬件采用IPC+运动控制器的结构形式,系统软件设计采用模块化结构,如果需要对系统的功能进行调整,只需要增减功能模块即可,体现出了系统开放性、灵活性的特点。编写了参数设置模块、软PLC模块、G代码解释模块、G代码执行模块和扩展功能模块等。在该试验平台

相关文档

基于PC_运动控制卡的开放式数控系统的研究
基于PC的开放式数控系统的研究与开发
基于运动控制卡的开放式数控系统研制
基于PC与运动控制器的开放式数控系统研究与开发
基于运动控制卡的开放式数控系统的研究与开发
基于PC的开放式数控系统研究与开发
基于运动控制卡的开放式数控系统研究及应用
基于PC的步进电机三轴联动控制系统研究
基于PC 的步进电机三轴联动控制系统研究
基于PC的开放式数控系统代码编译器的开发
电脑版