三维运动平台控制系统的硬件设计【文献综述】

毕业设计开题报告电气工程及其自动化三维运动平台控制系统的硬件设计1前言部分三维运动平台控制系统是一套对空间X轴、Y轴、Z轴集中式智能化操作的控制系统。

目前市场的运动平台控制系统在性能指标和价格定位方面基本是面向中、高端用户，无法满足低端用户的需用。

因此研发一种面向于简单控制、低成本的三维驱动数控系统具有广泛的应用前景。

该系统作为现有加工方式的升级换代手段，替代传统手工操作，从而提高产品的加工精度和速度、保证生产的一致性和稳定性、降低运行成本。

本论文讨论的是三维运动平台控制系统的硬件设计。

三维运动平台是现代运动控制技术的基础实验设备，它在机械加工、工程测试、医疗等各种生产行业中都有极广泛的应用。

运动控制(Motion Control)是由电力拖动发展而来的，电力拖动或电气传动是对以电动机为对象的控制系统的通称。

随着电力屯子技术、微电子技术的迅猛发展，原有的电气传动控制的概念已经不能充分地概括现代自动化系统中承担第一线任务的全部控制设备。

因此，二十世纪八十年代后期，国际上开始出现运动控制系统(Motion Control System)这一术语。

一个运动控制系统的基本架构组成包括：一个运动控制器用以生成轨迹点（期望输出）和闭合位置的反馈环。

许多控制器也可以在内部闭合一个速度环。

一个驱动或放大器用以将来自运动控制器的控制信号（通常是速度或扭矩信号）转换为更高功率的电流或电压信号。

更为先进的智能化驱动可以自身闭合位置环和速度环，以获得更精确的控制。

一个执行器如液压泵、气缸、线性执行机或电机用以输出运动。

一个反馈传感器如光电编码器，旋转变压器或霍尔效应设备等用以反馈执行器的位置到位置控制器，以实现和位置控制环的闭合。

众多机械部件用以将执行器的运动形式转换为期望的运动形式，它包括齿轮箱、轴、滚珠丝杠、齿形带、联轴器以及线性和旋转轴承。

通常，一个运动控制系统的功能包括：速度控制点位控制（点到点）。

有很多方法可以计算出一个运动轨迹，它们通常基于一个运动的速度曲线如三角速度曲线，梯形速度曲线或者S型速度曲线。

电子齿轮（或电子凸轮）。

也就是从动轴的位置在机械上跟随一个主动轴的位置变化。

一个简单的例子是，一个系统包含两个转盘，它们按照一个给定的相对角度关系转动。

电子凸轮较之电子齿轮更复杂一些，它使得主动轴和从动轴之间的随动关系曲线是一个函数。

这个曲线可以是非线性的，但必须是一个函数关系。

运动控制器是以中央逻辑控制单元为核心、以传感器为信号敏感元件、以电机或动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。

其功能在于提供整个伺服系统的闭路控制，如位置控制、速度控制和转矩控制等。

运动控制器的应用遍及众多领域，特别是在交流伺服和多轴控制系统中。

它能够充分利用计算机资源，方便地帮助用户实现运动轨迹规划、完成既定运动和高精度的伺服控制。

运动控制器可以分为三大类型：1．基于通用微处理器型。

以8031、8088等通用微处理器为核心器件，外加存储器、编码器信号处理电路及D／A转换电路等组成控制系统。

2．以专用芯片(ASIC)作为核心处理器的运动控制器。

常用的专用电机控制芯片有LM628、MAX314、HCPLIi00等，用一个芯片即完成速度曲线规划、PID伺服控制算法、编码器信号的处理等多种功能。

3．基于PC总线的以DSP和CPLD／FPGA作为核心处理器的开放式运动控制器。

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，即PC+运动控制器的模式。

其中运动控制器和运动控制卡是有区别的。

其一，运动控制器有独立的安装面板，有的是面板式的，有的是仪表型的，还有导轨安装型的！而运动控制卡，一般是PCI插槽的，或者是104板卡的，都必须安装在主机的主板上！其二是控制方式，虽然都是靠发脉冲来控制伺服或者步进，但是运动控制器的程序写入，大部分是在运动控制器上本身通过固有的编程方式，写程序，或者靠上位计算机传程序来执行下面的命令。

而运动控制卡比较广泛，只要给客户提供底层驱动和编程代码，客户可根据自己的软件开发能力做出各种适合的界面和功能！2主题部分运动控制起源于早期的伺服控制。

“伺服”一词最早出现在1873年法国工程师Jean Joseph Leon Farcot 的一本书Le Servo-Motor on Moteur Asservi。

该书中，Farcot 描述了在轮船引擎上由蒸汽驱动的伺服马达的工作原理。

H. Hazen 完成了伺服控制理论的基础研究，其结果发表在1934 年9 月的Franklin Institute 杂志上。

他设计的直流伺服电机在1932 年的芝加哥世界博览会上出现。

1940 年G.S. Brown 在MIT 创立了世界上第一个伺服机构实验室。

研究人员在G.S. Brown 的领导下，研制出了世界上第一台数控铣床(1952)。

随后，他们又研究开展了APT 以及计算机辅助设计的研究工作(1952-1969)。

1958年，Kearney & Trecker 开发了NC加工中心。

同年，日本富士通和牧野FRAICE公司开发成功NC铣床。

1961年，G. Devol 研制成功世界第一台机器人。

随后，被称为机器人之父的G.T. Engeleberger将其商业化，成立了世界第一家机器人公司Unimation。

1968年，日本Kawasaki公司从Unimation买进技术。

目前，Yaskawa公司已成为世界最大机器人公司。

机器人技术体现了运动控制和驱动，传感器以及运动机构一体化的新思想。

日本安川(Yaskawa)公司的工程师把这叫做机电一体化技术（Mechatronics）(1972)。

自1973年的石油危机以后，电气伺服成为市场主导。

随着微电子技术和微型计算机技术的发展，交流伺服日趋成熟。

为适应市场的多品种，小批量的需求，以计算机控制为核心的柔性制造系统（FMS），计算机/现代制造系统（CIMS）和工厂自动化（FA）技术应运而生(1975)。

为适应电子芯片制造的需求，机电一体化技术和运动控制技术被广泛应用于掩模对准(Mask Alignment)，线焊(Wire Bonding)，模具焊接(Die Bonding)，微调成型(Trim Forming)等高速高精度的芯片制造设备中去。

运动控制系统的发展经历了从直流到交流，从开环到闭环，从模拟到数字，直到基于PC的伺服控制网络(Pc—Based sscNET)系统和基于网络的运动控制的发展过程。

具体来说大体经历了以下几个阶段：1.模拟控制系统：早期的运动控制系统一般采用运算放大器等分立元件以硬件连线方式构成，这种系统由于采用硬件接线方式可实现无限的采样频率，因此，控制器的精度较高且具有较大的宽带。

然而，与数字系统相比存在很多缺陷，如文件老化、环境温度的变化等。

2.以微控制器为核心的运动控制系统：这里的微处理器指的是8位或16位的单片机，系统电路比较简单。

微处理器一般采用冯一诺依曼总线结构，处理的速度有限，处理能力也有限；另外，单片机系统比较复杂，软件编程的难度较大。

同时，一般单片机的集成度较低，片上不具备运动控制系统所需要的专用外设，如PWM产生电路等。

系统仍然需要较多的元器件，这增加了系统电路板的复杂性，降低了系统的可靠性，也难以满足运算量较大的实时信号处理的需要，难以实现先进控制算法，如预测控制、模糊控制等。

3.在通用计算机上用软件实现的运动控制系统：在通用计算机上，利用高级语言编制相关的控制软件，配合驱动控制板、与计算机进行信号交换的接口板，就可以构成一个运动控制系统。

这种实现方法利用计算机的高速度、强大运算能力和方便的编程环境，可实现高性能、高精度、复杂的控制算法；同时，控制软件的修改也很方便。

然而，这种实现方式的一个缺点在于系统体积过大，难以应用于工业现场；而且，由于通用计算机本身的限制，难以实现实时性要求较高的信号处理算法。

4.利用专用芯片实现的运动控制系统：为了简化电动机模拟控制系统的电路，同时保持系统的快速响应能力，一些公司推出了专用电动机控制芯片，如Ti 公司的ucc3626，NOVA公司的MCx314等。

利用专用电机控制芯片构成的运动控制系统保持了模拟控制系统和以微处理器为核心的运动控制系统两种实现方式的长处，具有响应速度快、系统集成度高、使用元器件少、可靠性好等优点，是目前应用最广的一种运动控制系统实现方法。

然而，受专用控制芯片本身的限制，这种系统的缺点也是很明显的，主要包括：(1)由于已经将软件算法固化在芯片内部，虽然可保证较高的系统响应速度，但是降低了系统的灵活性，不具有扩展能力。

(2)受芯片制造工艺的限制，在现有的电动机专用控制芯片中所实现的算法一般都是比较简单的。

(3)由于用户不能对专用芯片进行编程，因此，很难实现系统的升级。

5. 以可编程逻辑器件为核心构成的运动控制系统：这种控制系统是将运动控制算法下载到相应的可编程逻辑器件中，以硬件的方式实现最终的运动控制系统。

系统的主要功能都可以在单片FPGA／CPLD器件中实现，减少了所需的元器件个数，缩小了系统体积。

由于系统以硬件实现，响应速度快，可实现并行处理。

而且开发工具齐全，容易掌握，通用性强。

尽管可编程逻辑器件可实现任意复杂的控制算法，但算法越复杂，可编程逻辑器件内部需要的晶体管门数就越多。

按照目前的芯片制造工艺，可编程逻辑器件的门数越多，价格就越昂贵。

因此，考虑到目标系统的成本，一般使用可编程逻辑器件实现较简单的控制算法，构成较简单的运动控制系统。

6. 以DSP控制器为核心构成的运动控制系统：DSP(Digtal sigal Ppocessing，数字信号处理)芯片既集成了极强的数字信号处理能力又集成了电机控制系统所必须的输入、输出、A／D变换、事件捕捉等外围设备的能力，时钟频率达到20MHz 以上，一个指令周期才50ns，而且一个周期可以同时执行几条指令。

指令大多设计为单周期多功能，如MAc一个周期就完成乘加运算。

DSP强大的运算功能使其在控制中得到了越来越广泛的应用，例如实时控制系统的实现主要基于采用DSP 的专用硬件设计。

许多公司研制了以DSP为微处理器的伺服控制卡，这些卡一般以IBMPc或兼容机为硬件平台，以DOS或Windows为软件平台，采用开放式手段，使用很方便。

DSP就是目前大部分人致力于研究，使PC机发挥更大的作用。

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，即PC+运动控制器的模式。

这样将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。

这类运动控制器通常都能提供多轴协调运动控制与复杂的运动轨迹规划、实时的插补运算、误差补偿、伺服滤波算法，能够实现闭环控制。