运动控制器的硬件与软件设计方案

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运动控制器在数控系统中占有十分重要的地位，是数控系
统的核心部件之一。
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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
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 有公司的系列、系列，日本公司的芯片等，可选择的种类较多。
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( )和 ( )计划，欧洲的 ( ，自动化系统中控制器的开放式体系 结构)计划，以及日本的 ( )计划。
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
3. 基于通用或的控制器 这类控制卡采用或作为板上的核心控制芯片，具有很普遍应用。由
或完成控制的功能（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800系列通用运动控制 器。但是，由于底层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
第一章 绪论
❖ 本课题研究的意义 ：
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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。
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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。
基于104总线与314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
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Байду номын сангаас
在我国，数控技术起步于1958年，近50年的发
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51, 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. 基于的型控制器
它是指的全部功能处理工作都由进行，并通过装在扩展槽中的接口 卡对伺服驱动进行控制。用户在平台上，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之间的标准化通 用接口。但由于制造商不愿放弃多年积累的专有技术，加上操作系统本 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。
第二章 运动控制器整体的功能设计
❖ 运动控制芯片的选型 ：
❖ 日本公司专用运动控制芯片314
第三章 运动控制器的硬件设计
❖ 104总线接口协议 ：
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104总线是一种在工业控制方面
运用广阔的工业标准总线结构，因其总线之
间互连使用了104个信号线，因而得名。
第三章 运动控制器的硬件设计
104总线插槽示意图
第一章 绪论
运动控制器在国内发展现状：
近年来，随着工业机的快速发展，可靠性 大为提高，以工业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
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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
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
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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。
输出脉冲频率可达4 。每轴都有伺服反馈输入端、4个输入
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。
备制造商要求运动控制系统向开放式方向发展。
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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： 总线 总线 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 多不提供接口插槽，故不采用该接口。而总线的控制器数据 传输速度虽然要比和104高，但因为总线设计难度和费用较 高，在经济上普通用户难以承受。104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。
第三章 运动控制器的硬件设计
❖ 314运动控制芯片介绍 ：
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314是日本电子有限公司研制的运动控制专用芯
片，是314的升级版。芯片能与8位或16位数据总线接口，
通过命令、数据和状态等寄存器实现4轴（称为X、Y、Z、U
四轴）中任意2轴或3联动的位置、速度、加速度等的运动控
制和实时监控，实现直线、圆弧和位元3种模式的轨迹插补，