控制卡范文10篇

控制卡范文篇1

PC机与多台单片机构成小型的分布式测控系统已在工业控制、生产管理中得到了广泛的应用。在这类应用系统中，PC机多作为上位机通过直接查询来控制各从机。由于PC机本身还要进行动态数据显示、数据库实时录入、越限报警、报表打印等任务，因此，当从机数目过多时，上位机频繁地响应从机的中断，并在一定时间内等待和接收数据这极大地影响了PC机的工作效率。为了提高上位机的工作效率，笔者在PC机与各个智能模块间增加了一块用AT89C51作为微控制器的通信控制卡。整个系统构成一个3级分级控制系统，通信控制卡位于中间层，它是系统控制、管理的中枢。

2通信控制卡硬件电路

在本系统中，通信控制卡采用查询方式对下位机的各智能模块进行查询，该智能模块由AT89C51控制的电量、温度、液位、开关量采集板构成，它们分别可独立完成各自的数据采集和处理任务。当处于被查询状态时，系统可采用中断方式与通信卡进行通信。通信卡依次为人机完成各种数据处理任务提供各种数据和控制命令，然后把它们统一打包上传给上位机，从而使上位机可以对其进行显示、加工和处理，并形成各种报表。

该系统的硬件接口电路如图1所示。其中控制卡的核心芯片是AT89C51，它利用本身自带的串口与各智能模块间通过多机通信方式3进行总线式多机通信。为了同时能与PC进行通信，另一端通过8251A的扩展串口与PC相连。即要求8251A芯片的接收数据线RXD（脚3）及发送数据线TXD（脚19）通过MAX232与PC相连这是因为电平转换器8251A的输入、输出均为TTL电平，而通过电平转换器可将TTL电平转换成RS232C标准电平以便与PC进行通信。

8251A芯片的时钟输入线CLK可为其提供定时信号。在异步方式时，CLK的频率至少应大于8251A内接收器或发送器输入频率的4．5倍。其引脚RXC（脚25）为接收器时钟，它的作用是控制字符的发送速率，其时钟可使用8253产生的合适时钟频率。在异步方式中，引脚RXC和TXC（即接收、发送时钟）为波特率的16倍。该控制卡中扩展的8kBRAM可分别开辟4个不同的存储电量采集板的数据，处理时可以将它们一起送到PC。

3软件系统设计

3．1通信协议

通信控制卡的AT89C51串口与各智能模块的通信按自定义的通信协议进行。过程如下：

（1）首先使所有从机SM2位置1，以使其处于只接收地址帧的状态。

（2）控制卡先发一地址信息，其中8位为地址，第9位为地址／数据信息的标志位，该位为1表示该帧为地址信息。

（3）从机接收到地址帧后，会将其接收的地址与本从机的地址相比较。对于地址相符的从机，可置SM2＝0，以接收主机随后发来的所有信息；而对于地址不相符的从机，则置SM2＝1，以继续执行采集任务和其它任务。

（4）当从机发送数据结束后，会发送一帧校验和，并将第9位（TB8）置为1,以作为从机数据传送结束标志。

（5）控制卡接受数据时，先判断数据结束标志（RB8），若RB8＝1，且校验正确，则回送正确信号00H，此信号可令该从机复位以重新采集数据，等待地址帧。若校验和出错，则送0FFH，以令该机重发数据，如果重发5次还不行，则认为失败，并转入其它地址。若接收帧的RB8＝0，则将原数据锁定到缓冲区，并准备接收下帧信息。

（6）从机接收到复位命令后，再回到监听地址状态（SM2＝1）。

3．2程序框图

设主机发送的地址信号01H、02H、03H为从机设备地址，地址FFH是命令各从机恢复SM2为1的状态信号，即复位。从机的命令编码为：

01H—请求从机接收通信卡的数据命令；

02H—请求从机向通信控制卡发送数据；其它均按从机向通信卡发数据处理。

从机的状态字节格式如图2所示。其中TRDY为1表示从机已准备好接收通信卡的数据（见图2中D1位）；RRDY为1表示从机准备好向通信卡发送数据（见图2中D0位）；而ERR＝1则表示从机接收到的命令是错误的（图2中D7位）。

控制卡范文篇2

关键词：运动控制CompactPCI总线PCI9030热插拔

近年来，随着嵌入式系统的快速发展及其对硬件可靠性要求的提高，特别是带有多个运动控制卡的网络运动控制系统的发展，对运动控制卡提出了新的要求。运动控制卡应具有带热插拔功能的CompactPCI总线接口。在这样的运动控制系统中，采用可靠性高的嵌入式系统软件，上位机只需对被控对象实施总体的控制和管理；而位置反馈信号的采集、闭环控制的计算及控制量的输出则均可由以DSP为核心的运动控制卡完成，极大地提高了运算速度和控制响应速度。通过带热插拔功能的CompactPCI总线接口的上下机联接，使系统具有更高的可靠性和带电更换故障板卡的能力。

1CompactPCI接口总线概述

CompactPCI接口总线定义了更加坚固耐用的PCI版本。在电气、逻辑和软件方面，它与PCI标准完全兼容。CompactPCI接口卡安装在支架上，并使用标准的Eurocard外型。CompactPCI虽然与标准PCI属同一标准，二者还是有很大的不同。CompactPCI相对PCI来讲具有很多优点：(1)具有更好的机械特性。它增强了PCI系统在电信或其它条件恶劣的工业环境中的可维护性和可靠性。(2)采用Eurocard封装，系统中气流均匀。(3)CompactPCI连接器的电源和信号引线支持热插拔规范，这对于容错系统是非常重要的，也是标准PCI所不能实现的功能。(4)总线易于扩展，可同时支持多达256个标准的PCI总线设备。(5)CompactPCI背板的连接器插针分为长针、中长针和短针。长针是一些电源针，最短的针是BD-SEL#，其它总线信号和部分电源信号是中长针。连接器插槽J1插孔有长针插孔、中长针和短针插孔，而J2插槽都是中长针插孔。

2系统的硬件结构概述

开放式四轴DSP运动控制卡经12位DAC驱动四个伺服电机，并通过CompactPCI总线背板连接器与主机通信。其中DSP处理器与CompactPCI接口采用PLX公司的PCI9030接口芯片使之和双口RAM缓冲区进行通信。

PCI9030是业界首个支持热交换的PCI目标接口芯片，为CompactPCI接口提供了优秀的解决方案。它采用SMARTarget技术，可以保证高性能的热交换实施功能，可以支持具有热交换功能的PICMG2．1目标设备，并且符合PCIv2．2规范所规定的32位33MHz目标接口功能，可以获得高达132Mbyte／s的PCI突发传输速度，局部总线操作速度最高可达60MHz，支持5个局部地址空间到PCI总线地址空间的映射(空间0、1、2、3、4以及1个扩展的ROM)，传输等待周期及总线宽度可编程。另外，PCI9030内含预充电BIOS、早期电源支持、热交换控制／状态寄存器(HS_CSR)和附加引脚资源，可利用这些资源以及ENUM#输出信号、弹出开关和表示用户插入／取出状态的LED灯实现运动控制板卡的带电热插拔的软硬件控制。

图1

其硬件结构框图如图1所示。该系统由以下几部分组成：

·核心处理器TMS320LF2407，主要完成位置速度PID控制、插补迭代运算、开关量输入和输出、PLC控制等对实时性要求高的任务，另外还完成程序和数据存储和上下机的通信任务。

·模拟量控制电路，将数字量速度信号经四路12位数／模转换芯片DAC7725转换为-10V～10V的模拟信号，输出到电机伺服驱动模块。

·反馈电路，由两片CPLD元件EPM7128SLC84构成四路12位可逆脉冲计数器，对差分光电编码器的编码脉冲进行循环计数，可实现编码器Z相点硬件中断。

·FLASH电路，用于存储数控参数和数控指令代码，也用于紧急情况下保护数据。

·开关量电路，包括通用8／8I／O点、4个电机使能输出、4个轴的左右极限输入和原点中断输入等电路。

·通讯电路，通过PCI接口从模式使3．3V芯片PCI9030和双口RAM芯片70V24与PC机的CompactPCI总线相连，可以进行高速数据传输。

本系统是一个闭环多轴运动控制硬件系统，具有快速精确的计算能力以及较强的数据通讯能力，是良好的复杂数控系统平台。

3CompactPCI接口的设计

CompactPCI接口的设计要点在于在硬件插拔过程中，不能对CompactPCI总线产生较大的冲击，不能影响CompactPCI总线上数据传输的正确。所以应具有良好的热电源切换控制电路和相应的总线电路以及便于软件处理热插拔过程的控制信号。

电源控制和PCI9030的接口原理框图如图2所示。

3．1PCI9030芯片热插拔控制信号的作用

在CompactPCI规范中规定：(1)板卡插入后，硬件初始化过程中应点亮蓝灯；(2)板卡即将拔出，软件能获知板卡即将拔出，并做好善后工作后，点亮蓝灯。

PCI9030芯片有BD_SEIL#输入信号引脚、ENUM#输出信号引脚、CPCISW输入信号引脚和LEDON#输出信号引脚，均用作CompactPn接口热插拔控制信号。其功能分别如下：

PCI9030的BD_SEL#输入信号引脚同运动控制卡CompactPCI接口的引脚BD_SEL#相连，当BD_SEL#信号变高时，使PCI9030输出引脚成高阻态，保护芯片。PCI9030的ENUM#信号是送到背板的带上拉的集电极开路信号；它通知背板主机CPU板卡是刚刚插入，还是即将拔出。并通知CPU系统配置改变，使CPU同时执行相关必要的软件操作(在板卡安装时，安装设备驱动程序；在移出板卡前，卸载设备9B动程序)。板卡的插入／拔出状态是由CPCISW信号送到PCI9030完成的，这时，PCI9030通过ENUM#信号通知背板主饥硬件配置改变情况，同时主机CPU执行相关必要的软件操作。当操作结束时，主机CPU通过PCI9030将CPCISW信号写入HS-CSR寄存器的相应位中，使LEDON#信号变化，点亮或熄灭蓝灯，通知板卡可安全取出或已安全插入。另外，PCI9030将板卡插入／拔出的状态(即CPCISW信号)写入HS_CSR寄存器的相应位中，软件可以通过这些位来查询板卡插入／拔出状态，使软件可采取各种切换措施，也可以通过向寄存器的相应位写1来清除该位。

3．2热插拔电源电路的原理设计

3．2．1热插拔电源管理器的确定

热插拔电源电路需在插拔过程中和正常工作时，对CompactPCI接口板电源进行监控，按一定的速率及时地上电和断电，把该电源的情况及时通知背板系统以便通过软件进行处理；同时需对CompactPCI接口板的总线信号提供预充电电压，使CompaetPCI接插件的插针点的预充电电压达到1V，保证CompactPCI接口板在插拔过程中，对CompactPCI总线的冲击很小；另外需对背板的PCIRST信号和CompaetPCI接口板的电源好坏情况进行逻辑处理来产生该接口板上的LOCAL_PCI_RST信号。为此，热插拔电源电路采用了芯片LTCl646作为CompactPCI热插拔电源管理器。它能够使线路板在运行中的CompactPCI总线插槽内安全地插入和拔出。两个外部N沟道通路晶体管IRF7413控制3．3V和5V电源，使电源能在电流限制或可设置速率上电。电子电路断路器可保护两组电源不受过流故障情况的损害。

图2

3．2．2LTCl646芯片的主要引脚功能

·LTCl646的3．3V和5V输入主要来自中等长度的电源插针。3．3V和5V连接器长插针在CompactPCI插卡上与中等长度的3．3V和5V电源插针短接在一起，为LTCl646的预充电电路、VI／O上拉电阻和PCI9030芯片提供初期电源。

CompactPCI背板的连接器插针中有引脚BD_SEL#、HEALTHY#用于热插拔电源电路。

·芯片PWRGD#信号引脚输出指示何时所有电源电压都在容许范围内，连接于PWRGD#引脚的HEALTHY#信号把板卡电源情况通知背板主机，当HEALTHY#信号变高时，说明板卡电源情况出了问题。

·芯片OFF／ON#输入信号引脚连接于板卡的BD_SEL#引脚，用来控制开关板卡电源或将电源断路器复位。而BD_SEL#信号应通过1．2kΩ电阻上拉至PCI9030的I／O工作电压VI／O。

·芯片PRECHARGE引脚用于产生1V的预充电电压。可在板卡插拔过程中对总线I／O引脚施加偏置。板卡上需要进行预充电的CompactPCI总线引脚(即接插件J1、J2与CompactPCI接口器件PCI9030连接的引脚)包括：ADO～AD31、C／BEO#~C／BE3#、PAR、FRAME#、IRDY#、TRDY#、STOP#、LOCK#、IDSEL、DEVSEL#、PERR#、SERR#。LTCl646产生的预充电信号经过较大的10kΩ电阻上拉至预充电电压(PRECHARGEOUT)。而BD_SEL#、ENUM#、INTA#信号应上拉至PCI9030的I／O工作电压VI／O。

·芯片的RESETIN#引脚输入信号PCI_RST#，在片内与HEALTHY#信号进行逻辑结合，从而在引脚RESETOUT#生成LOCAL_PCI_RST#信号送到PCI9030芯片的PCI_RST#信号引脚，用来在任一组电源超出范围时对板卡和芯片PCI9030进行复位。

3．2．3在LTCl646芯片控制下CompactPCI接口板的上电顺序

当插卡插入时，长3．3V和5V连接器插针以及长GND插针首先接触。LTCl646预充电电路在插入阶段将总线I／O插针偏置为1V。3．3V和5V中等长度的电源插针在插入的下一个阶段接触，但只要OFF／ON#引脚被1．2kΩ上拉电阻拉到VI／O，线路板电源则被关断。在线路板插入的最后阶段，BD_SEL#短连接器插针开始接触，OFF／ON#引脚被拉低。这使得通路晶体管导通；并且在内部有一个5μA电流源与TIMER引脚连接。时每个通路晶体管的电流开始增加，直至增加到各自的电流限值；然后，3．3V和5V电源被允许按一定的速率上电，一旦两组电压都在容差范围之内，HEALTHY#将拉低，LOCAL_PCI_RST#可自由跟随PCI_RST#。

3．2．4在LTCl646芯片控制下CompactPCI接口板的断电顺序

当BD_SEL#被拉高时则开始一个断电过程。LTCl646内部开关被连接于每个输出电源电压引脚，使旁路电容器向地放电。TIMER引脚立即被拉低。GATE引脚被一个200μA的电流源拉低，以防止3．3V和5V电源上的负载电流同时变为零从而对电源电压造成干扰。当任一输出电压跌落在门限以下时，HEALTHY#引脚被拉高，LOCAL_PCI_RST#将被确定为低。

一旦断电过程完成，插卡就可以从插槽内取出。在拔出期间，预充电电路继续将总线I／O插针偏置为1V，直到5V和3．3V长连接器插针分开。

3．3CompactPCI接口设计的其它电气措施

·热插拔板卡在带电拔插过程中，为了保护板卡免遭静电损坏，必须进行静电放电。所以，必须在板卡上设计放电条。

·为了减小板卡上的CompactPCI总线的信号线分支对总线的影响，必须对CompactPCI总线信号进行串联电阻匹配。需要加串联匹配电阻的引脚包括：AD0～AD31、C／BE0#～C／BE3#、PAR、FRAME#、IRDY#、TRDY#、STOP#、LOCK#、IDSEL、DEVSEL#、PERR#、SERR#以及INTA#。根据CompactPCI规范，对CompactPCI的信号线长度和到预充电电阻的分支线的长度必须进行限制(PCB的布线特征阻抗应设计为65Ω±10％)。线的长度越短，对CompactPCI总线的冲击越小。在CompactPCI接口板上，对于预充电的信号，从接插件J1n或J2到PCI9030器件管脚，总的信号线长度应小于38．1mm。其中，从接插件插针到串联电阻的PCB连线长度应小于15．2mm，预充电电阻的分支长度最好是零，最长不能超过2．5mm。

控制卡范文篇3

关键词：在系统可编程双口RAM多轴运动控制卡

当今，数控系统正在朝着高速度、高精度以及开放化、智能化、网络化的方向发展，而高速度、高精度是通过控制执行部件（包括运行控制卡及伺服系统）来保证的。以往的运动控制卡主是基于单片机和分立数字电路制作的，用以实现位置控制、光栅信号处理等功能。由于器件本身执行速度慢、体积大、集成度低，并且结构固定，电路制作完成以后，无法改变其功能和结构。采用在系统可编程技术，应用ispLSI器件开发的PC——DSP多轴运动控制卡，能够完全解决上述问题，适应数控系统发展的需要。

1ISP器件及其优点

ISP（In-SystemProgrammability）器件，是美国Lattice半导体公司于20世纪90年代初开发出的一种新型高密高速的现场可编程数字电路器件，具有在系统可编程能力和边界扫描测试能力，非常适合在计算机、通信、DSP系统以及遥测系统中使用。

在系统可编程技术与传统逻辑电路设计比较，其优点在于：（1）实现了在系统编程的调试，缩短了产品上市时间，降低了生产成本。（2）无需使用专门的器件编程设置，已编程器件无须仓库保管，避免了复杂的制造流程，降低了现场升级成本。（3）使用ISP器件，不仅能够在可重构器件的基础上设计开发自己的系统，还可以在不改变输入、输出管脚的条件下，随时修改原有的数字系统结构，真正实现了硬件电路的“软件化”，将器件编程和调试集中到生产最终电路板的测试阶段，使系统调试数字系统硬件现场升级变得容易而且便宜[1]。

2在系统可编程技术应用

2.1系统描述

本所自主开发的多轴运动控制卡采用的是主-从式PC-DSP系统。PC机的主要任务是提供良好的人机交互环境；而DSP（数字信号处理器）则作为系统执行者，以高速度进行算法实现、位置调节和速度调节，然后经过16位的D/A将数据送给伺服控制单元。系统不但可以进行高速度高精度控制，同时也是一个DSP伺服系统的开发平台。

PC运动控制卡采用美国德州公司DSP芯片TMS320F206作为系统的核心，运动控制卡由ISP模块、DSP-PC通信双口RAM模块、光栅信号输入模块、数/模转换电路模块四部分组成（见图1）。其中，ISP模块中包括了可变地址的译码电路、输入输出缓冲/锁存器电路、11位的自动加计数器电路、双端口RAM的控制电路以及PC机和DSP测验握手电路。本系统使用Lattice公司的ispLSI系列CPLD（复杂可编程逻辑器件）来实现这一部分数字电路和逻辑控制电路，如图2所示。

2.2双端口RAM访问控制的实现

对于本系统来说，PC机要发送控制指令和进行大量数据计算，数据交换应尽可能占用较少的机时和内存空间；此外，PC机的系统总线与DSP之间还要进行大量可靠的数据传输，它们均过多地占用CPU时间，导致CPU效降率低。使用双端口RAM，交换信息双方CPU将其当作自己存储器的一部分，可保证高速可靠的数据通信。我们选用2K×8bit的IDT7132，完全能够满足本系统中数据交换的要求。对双端口RAM访问，一般有三种方式，即映射内存方式、DMA方式和扩展I/O方式。映射内存方式访问双端口RAM，不需要周转，访问速度快。实模式及保护模式下，能对确定内存空间进行访问，实现对RAM任意存储单元读写；但在32位的Windows98和WindowsNT操作系统下，不支持对确定内存空间的访问，要访问双端口RAM必须编写复杂的硬件驱动程序，难度很大。DMA方式访问端口RAM，传送数据的速度灵活、扩展I/O方式访问双端口RAM，可以按实现要求分配I/O端口，实现对双端口RAM所有存储单元读写，这种方式软、硬件设计都很简单。所以，扩展I/O方式访问双端口RAM是最佳方案。

从技术上来说，PCI总线是最先进的，不仅速度快，而且支持即插即用等特性，但控制卡上双端口RAM芯片是8们的IDT7132，而PCI总线是32位。为了简化设计，对PC机一方，采用了16位ISA总线，通过扩展I/O方式访问双端口RAM。实际占用了两个I/O端口地址，一个作为计数器预置端口地址，一个作为双端口RAM读/写端口地址。PC机在读/写存储器之前，首先要通过预置数端口，用输出指令将要访问RAM存储器的起始地址置入11位可预置加计数器中；以后每访问一次读/写端口，执行一次读/写操作，计数器中的地址就自动加1，计数器输出指向RAM的下一个存储单元。这样，简单地执行I/O指令，就可以传送一批数据。而下位的微处理器（DSP）采用的是存储器访问方式，它将IDT7132的2K空间映射自己的外存储器中，实现对双端口RAM的任意存储单元的访问。

在PC机和DSP对端口RAM访问时，只要不是同时访问同一个存储单元，就允许两个端口对片内任何单元同时进行独立的读/写操作，而且互不干扰。但两个端口访问同一存储单元，会造成同时写或者一侧读一侧写的访问冲突，因此应避免这一访问冲突发生。由于片内逻辑促裁可根据两偶片选或地址信号同时到达的差别（小到5ns），对后到达一侧进行封锁，并同时输出一个BUSY（约25ns）的低电平脉冲信号，利用这一信号，便可解决访问冲突问题。一般来说，标准的ISA总线周期为3个时钟周期，若主板ISA总线时钟为8MHz，则一个时钟周期为125ns；若总线时钟为6MHz，则一个时钟周期为167ns，相应的16位总线周期时间分别为375ns和501ns。所以对于PC机来说，可以将BUSY信号接ISA总线的I/OCHRDY信号线，总线周期中会自动插入一个等待周期（最多可达10个时钟周期），直至BUSY信号拉高；同样，对于DSP，BUSY信号接DSP芯片的READY信号线，系统总线也会自动插入等待周期，从而避免了PC—DSP对双端口RAM的共享冲突。

无论是PC机还是DSP，传送数据后都需要通知对方及时提取数据，以免后面数据对前面数据覆盖，这就需要协调PC—DSP间的数据交换。通过中断控制器可实现数据交换过程中两个CPU之间相互中断。对于PC机写RAM操作完成之后，PC机通过端口1将中断控制器2（DSP中断控制器）置位，DSP响应中断后进入中断服务程序。在子程序中，DSP可以通过端口4将中断控制器2复位。同理，DSP也可向PC机发中断，PC机响应中断后进入断服务程序。

2.3器件选择和输入方法

选择可编程逻辑器件型号时，应注意到ISP模块电路总共使用I/O管脚数目为52个，大约需要10～20个GLB单元。所以选用ispLSI1032E-100LJ84芯片来实现ISP模块电路，它的集成度达到6000门，具有64个I/O引脚，寄存器超过96个，32个GLB单元，系统速度为100MHz，从资源和速度上能够满足该多轴运动控制卡的需求。同一芯片内的门电路、触发器、三态门等参数特性完全一样，抗干扰性能比原来分立器件构成的电路也有极大的提高，完全可能实现全数字的I/O电路。

使用Lattice公司提供的数字系统设计软件ispEXPERT，逻辑设计可以采用原理图、硬件描述语言（HDL）以及两者混合采用三种方法输入。本设计采用ABEL—HDL语言输入和编写测试向量，并且使用自己开发的编程板完成对器件的编程和下载。

2.4主时序设计

以PC机为例，访问双端口RAM分以下两步完成：

第一步是向PC机I/O端口中的数据端口送数据D0～D12，D0～D10（访问RAM的起始地址）送至计数器，D11作为可预置计数器的LOAD信号；当D11为1时，计数器装入预置数。D12作为读写控制位，D12为1时，PC机对RAM写操作；为0时，对RAM读操作。

第二步是通过PC机ISA总线的I/O端口读写RMA，每完成一次读/写，计数器输出就指向下一个要访问的RMA地址单元。时序如图3所示。

3功能仿真

为了保证本系统设计的正确性，在对ISP器件下载以前，首先对系统进行功能仿真。功能仿真的输入信号由ABEL-HDL编写测试矢量给出。仍以PC机访问双端口RAM为例，系统的功能仿真波形图如图4所示。

由图4可以看出，假定访问RAM的0x006地址，在LOAD（D11）信号到来后，当IOW的上升沿到来时（见图4中1所示），预置数（OA3OA2OA1OA0=0110，即十进制数6）写入计数器。然后对双端口RAM进行读操作，PC读信号（IOR）下降沿到来（见图4中2所示），这时RAM的OEL端（数据输出控制）为低电平（数据输出有效），CEL端（RAM片选）为低电平（选中），RWL（RAM的读写控制）置高电平（读有效），PC机读取RAM中的数据；当IOR上升沿到来时（见图4中3所示），计数器输出地址加1（OA3OA2OA1OA0=0111，即7），指向下一RAM地址。在预置数重新写入计数器后（见图4中4所示），对双端口RAM进行写操作。PC写信号（IOW）上升沿到来，OEL端置高电平，CEL端置低电平，RWL置低电平（见图4中5所示），PC机将数据写入双端口RAM中，计数器输出地址自动加1。同理，DSP访问双端口RAM也可实现。

控制卡范文篇4

关键词：步进电机；运动控制卡；开环控制

1引言

运动控制系统的上位控制方案一般有单片机系统、专业运动控制PLC、专用控制系统和“PC＋运动控制卡”。采用单片机系统实现运动控制，成本较低，但开发难度较大，周期长。这种方案一般适用于产品批量较大、控制系统功能简单、有单片机系统开发经验的用户。许多品牌的PLC都可选配定位控制模块，有些PLC的CPU单元本身就具有运动控制功能，如松下公司的FP0。这种方案一般适用于运动过程比较简单、运动轨迹固定的设备，如送料器、自动焊机等。专用控制系统一般是针对专用设备或专用行业，比如西门子公司的车床数控系统和铣床数控系统等。“PC＋运动控制卡”的方案随着PC的普及用得越来越多，将是运动控制系统的主要发展趋势。这种方案可充分利用计算机资源，用于运动过程、机械轨迹都比较复杂，而且柔性比较强的机器设备，比如目前很热门的开放式数控系统大多采用这种方案。

本文介绍的控制系统采用的就是“PC＋运动控制卡”方案，这是本文的主要内容。

2系统组成及硬件介绍

图1示出本系统的硬件组成框图。其中采用德国百格拉三相混合式步进电机(VRDM3910/LHA)及其配套驱动器(D921)。控制卡是成都步进机电有限公司生产的MPC02型运动控制卡。

2.1驱动器面板及其功能设置

图2是D921型驱动器的面板配置及功能。

功能选择：STEP1、STEP2设置电机每转步数；

所有输入信号均为光耦输入。

2.2运动控制卡的结构

MPC02型运动控制卡的结构如图3所示。

该卡插在PC的PCI扩展槽内使用；MPC02卡完成运动控制的所有细节，包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位信号的检测等。它采用先进的专用控制集成电路，具有梯形及S形升降速度曲线。使用68芯SISC接口，外接线可采用屏蔽线缆，以提高控制卡的抗干扰能力。其信号接口定义如下：

脉冲量信号：脉冲/方向(编号17～28)；编码器反馈(35～52)；光隔电源(29、30)。

开关量信号：限位(55、56、60、61、65、66)；减速(53、54、58、59、63、64)；原点(57、62、67)；伺服使能(9、11、13)；偏差清零(10、12、14)；外部报警(68)；通用输入(31～34)；通用输出(1～8)；光隔电源(15、16)。

3运动控制系统的软件

3.1控制卡的软件

在函数库中使用的单位和函数返回值通常约定如下。

3.1.1单位

1)位移或距离的单位为P(Pulse)，即脉冲数；

2)速度的单位是P/S(Pulse/sec)，即脉冲/秒；

3)加速度和减速度的单位是P/s2(Pulse/s2)，即脉冲/秒2。

3.1.2函数返回值

运动库中的大多数函数是整型函数，它们的返回意义如下：

0函数执行正确；－1函数执行错误。

在函数库中使用的函数有如下几种：控制卡和轴设置函数、独立运动和插补运动函数、制动函数、位置和状态的设置及查询函数、I/O口操作函数、错误代码函数和一些其他函数。这些函数实现的运动有如下六种基本类型，如图4所示。

把带有升/降速控制的运动函数称为快速(fast)运动函数，比如fast_pmove、fast_vmove和fast_hmove，把常速运动函数称为常速(con)运动函数，如con_pmove、con_vmove和con_hmove。

3.2软件程序：

运动参数设定包括轴号、初速度、最高速度、加速度和移动距离等；运动控制程序包括急停、缓停、清零、常速和快速等；控制效果显示包括位置和速度等。程序如下：

控制卡范文篇5

此系统由单片机芯片、扩展芯片以及通过搭建电路组成。在“位置控制”方式时，通过单片机的I/O口发数字脉冲信号来控制执行机构行走；“速度控制”方式时，需加D/A转换模块输出模拟量信号达到控制。此方案优点在于成本较低，但由于一般单片机I/O口产生脉冲频率不高，对于分辨率高的执行机构尤其是对于控制伺服电机来说，存在速度达不到，控制精度受限等缺点。对于运动控制复杂的场合，例如升降速的处理，多轴联动，直线、圆弧插补等功能实现起来都需要自己编写算法，这必将带来开发起来难度较大，研发周期较长，调试过程烦琐，系统一旦定型不太容易扩充功能、升级、柔性不强等问题。因此这种方案一般适用于产品批量较大、运动控制系统功能简单、且有丰富的单片机系统开发经验的用户。

二、采用专业运动控制PLC来实现运动控制。

目前，许多品牌的PLC都可选配定位控制模块，有些PLC的CPU单元本身就具有运动控制功能（如松下NAIS的FP0，FPΣ系列），包括脉冲输出功能，模拟量输出等等。使用这种PLC来做运动控制系统的上位控制时，可以同时利用PLC的I/O口功能，可谓一举两得。PLC通常都采用梯形图编程，对开发人员来说简单易学，省时省力。还有一点不可忽视，就是它可以与HMI（人机界面）进行通讯，在线修改运动参数，如轴号，速度，位移等。这样整个控制系统中从输入到控制再到显示，非常便利。一方面将界面友好化，另一方面将控制系统的成本从整体上节省了。但具有脉冲输出功能的PLC大多都是晶体管输出类型的，这种输出类型的输出口驱动电流不大，一般只有0.1~0.2A。在工业生产中，作为PLC驱动的负载来说，很多继电器开关的容量都要比这大，需要添加中间放大电路或转换模块。与此同时，由于PLC的工作方式（循环扫描）决定了它作为上位控制时的实时性能不是很高，要受PLC每步扫描时间的限制。而且控制执行机构进行复杂轨迹的动作就不太容易实现，虽说有的PLC已经有直线插补、圆弧插补功能，但由于其本身的脉冲输出频率也是有限的（一般为10K~100K），对于诸如伺服电机高速高精度多轴联动，高速插补等动作，它实现起来仍然较为困难。这种方案主要适用于运动过程比较简单、运动轨迹固定的设备，如送料设备、自动焊机等。

三、采用专用数控系统作为上位控制。

专用的数控系统一般都是针对专用设备或专用行业而设计开发生产的，像专用车床数控系统，铣床数控系统，切割机数控系统等等。它集成了计算机的核心部件，输入、输出设备以及为专门应用而开发的软件。由于是“专业对口”，人们可以尽情发挥“拿来主义”。不需要进行什么二次开发，对使用者来说只需通过熟悉过程达到能操作的目的就行。在这方面，国外知名品牌的产品在我国制造行业中早已占领了了领地，如西门子，法那克，法格，海宝等等。当然，之所以它们能大规模广泛地被采用和这种专用数控系统，是因为其功能丰富，性能稳定可靠。但为之付出的代价就是高成本。因此，适用于控制要求较高且产品档次较高的数控设备生产厂家和使用者。

四、采用PC+运动控制卡作为上位控制的方案。

随着PC（PersonalComputer）的发展和普及，采用PC+运动控制卡作为上位控制将是运动控制系统的一个主要发展趋势。这种方案可充分利用计算机资源，用于运动过程、运动轨迹都比较复杂，且柔性比较强的机器和设备。从用户使用的角度来看，基于PC机的运动控制卡主要是功能上的差别：硬件接口（输入/输出信号的种类、性能）和软件接口（运动控制函数库的功能函数）。按信号类型一般分为：数字卡和模拟卡。数字卡一般用于控制步进电机和伺服电机，模拟卡用于控制模拟式的伺服电机；数字卡可分为步进卡和伺服卡，步进卡的脉冲输出频率一般较低（几百K左右的频率），适用于控制步进电机；伺服卡的脉冲输出频率较高（可达几兆的频率），能够满足对伺服电机的控制。目前随着数字式伺服电机的发展和普及，数字卡逐渐成为运动控制卡的主流。

从运动控制卡的主控芯片来看，一般有三种形式：单片机，专用运动控制芯片，DSP。

以单片机为主控芯片的运动控制卡，成本较低，电路较为复杂。由于这种方案仍是采用在程序中靠延时来控制发脉冲，脉冲波形的质量和频率都受到限制，一般用这种卡控制步进电机；以专用运动控制芯片为主控芯片的运动控制卡成本较高，但其运动控制功能有硬件电路实现，而且集成度高，所以可靠性、实时性都比较好；输出脉冲频率可以达到几兆赫兹，能够满足对步进电机和数字式伺服电机的控制。以DSP（DigitalSignalProcessor）为主控芯片的运动控制卡利用了DSP对数字信号的高速处理，能够实时完成极其复杂的运动轨迹，常用于像工业机器人等运动复杂的自动化设备中。

运动控制卡是基于PC机各种总线的步进电机或数字式伺服电机的上位控制单元，总线形式也是多种多样，通常使用的是基于ISA总线，PCI总线的。而且由于计算机主板的更新换代，ISA插槽都越来越少了，PCI总线的运动控制卡应该是目前的主流。卡上专用CPU与PC机CPU构成主从式双CPU控制模式：PC机CPU可以专注于人机界面、实时监控和发送指令等系统管理工作；卡上专用CPU来处理所有运动控制的细节：升降速计算、行程控制、多轴插补等，无需占用PC机资源。同时随卡还提供功能强大的运动控制软件库：C语言运动库、WindowsDLL动态链接库等，让用户更快、更有效地解决复杂的运动控制问题。运动控制卡的功能图如下：（以MPC02为例）

<--运动控制卡的功能图-->

控制卡接受主CPU的指令，进行运动轨迹规划，包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速处理、原点和限位开关等信号的检测等。每块运动控制卡可控制多轴步进电机或数字式伺服电机，并支持多卡共用，以实现更多运动轴的控制；每个轴都可以输出脉冲和方向信号，并可输入原点、减速、限位等开关信号，以实现回原点、限位保护等功能。开关信号由控制卡自动检测并作出反应。

目前的运动控制卡主要特征有：开放式结构、使用简便、功能丰富、可靠性高等。具体的特征体现在硬件和软件两个方面：在硬件方面采用PC机的ISA总线方式，各种设置采用简单的跳线和拨码开关；接线方式采用D型插头；采用PC机的PCI总线方式，卡上无需进行任何跳线设置，所有资源自动配置，接线方式采用SISC型插头，可使用屏蔽线缆，并且所有的输入、输出信号均用光电隔离，提高了控制卡的可靠性和抗干扰能力；在软件方面提供了丰富的运动控制函数库，以满足不同的应用要求。用户只需根据控制系统的要求编制人机界面，并调用控制卡运动函数库中的指令函数，就可以开发出既满足要求又成本低廉的多轴运动控制系统。

控制卡的运动控制功能主要取决于运动函数库。运动函数库为单轴及多轴的步进或伺服控制提供了许多运动函数：单轴运动、多轴独立运动、多轴插补运动等等。另外，为了配合运动控制系统的开发，还提供了一些辅助函数：中断处理、编码器反馈、间隙补偿，运动中变速等。

正是由于运动控制卡的开放式结构，强大而丰富的软件功能，对于使用者来说进行二次开发的设计周期缩短了，开发手段增多了，针对不同的数控设备，其柔性化、模块化、高性能的优势得以被充分利用。在目前工业生产中，它的应用范围十分广泛，在使用步进电机和数字式伺服电机的PC机运动控制系统中，都可以使用运动控制卡作为核心控制单元，例如：数控机床、加工中心、机器人等；送料装置、云台；X-Y-Z控制台；绘图机、雕刻机、印刷机械；打标机、绕线机；医疗设备；包装机械、纺织机械。

控制卡范文篇6

关键词：运动控制系统上位控制单元方案

信息时代的高新技术流向传统产业，引起后者的深刻变革。作为传统产业之一的机械工业，在这场新技术革命冲击下，产品结构和生产系统结构都发生了质的跃变，微电子技术、微计算机技术使信息和智能与机械装置和动力设备相结合，促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技术革命。随着计算机电子电力和传感器技术的发展，各先进国家机电一体化产品层出不穷。机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等许多门类产品每年都有新的进展。机电一体化技术已越来越受到各方面的关注，它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。在机电一体化技术迅速发展的同时，运动控制技术作为其关键组成部分，也得到前所未有的大发展。

在一个运动控制系统中“上位控制”和“执行机构”是系统中举足轻重的两个组成部分。“执行机构”部分一般不外乎：步进电机，伺服电机，以及直流电机等。它们作为执行机构，带动刀具或工件动作，我们称之为“四肢”；“上位控制”单元的方案主要有四种：单片机系统，专业运动控制PLC，PC+运动控制卡，专用控制系统。“上位控制”是“指挥”执行机构动作的，我们也称之为“大脑”。以下，我们将分述系统中的“大脑”中的各个部分，并详尽地论述“PC+运动控制卡”方案。

一、用单片机系统来实现运动控制。

此系统由单片机芯片、扩展芯片以及通过搭建电路组成。在“位置控制”方式时，通过单片机的I/O口发数字脉冲信号来控制执行机构行走；“速度控制”方式时，需加D/A转换模块输出模拟量信号达到控制。此方案优点在于成本较低，但由于一般单片机I/O口产生脉冲频率不高，对于分辨率高的执行机构尤其是对于控制伺服电机来说，存在速度达不到，控制精度受限等缺点。对于运动控制复杂的场合，例如升降速的处理，多轴联动，直线、圆弧插补等功能实现起来都需要自己编写算法，这必将带来开发起来难度较大，研发周期较长，调试过程烦琐，系统一旦定型不太容易扩充功能、升级、柔性不强等问题。因此这种方案一般适用于产品批量较大、运动控制系统功能简单、且有丰富的单片机系统开发经验的用户。

二、采用专业运动控制PLC来实现运动控制。

目前，许多品牌的PLC都可选配定位控制模块，有些PLC的CPU单元本身就具有运动控制功能（如松下NAIS的FP0，FPΣ系列），包括脉冲输出功能，模拟量输出等等。使用这种PLC来做运动控制系统的上位控制时，可以同时利用PLC的I/O口功能，可谓一举两得。PLC通常都采用梯形图编程，对开发人员来说简单易学，省时省力。还有一点不可忽视，就是它可以与HMI（人机界面）进行通讯，在线修改运动参数，如轴号，速度，位移等。这样整个控制系统中从输入到控制再到显示，非常便利。一方面将界面友好化，另一方面将控制系统的成本从整体上节省了。但具有脉冲输出功能的PLC大多都是晶体管输出类型的，这种输出类型的输出口驱动电流不大，一般只有0.1~0.2A。在工业生产中，作为PLC驱动的负载来说，很多继电器开关的容量都要比这大，需要添加中间放大电路或转换模块。与此同时，由于PLC的工作方式（循环扫描）决定了它作为上位控制时的实时性能不是很高，要受PLC每步扫描时间的限制。而且控制执行机构进行复杂轨迹的动作就不太容易实现，虽说有的PLC已经有直线插补、圆弧插补功能，但由于其本身的脉冲输出频率也是有限的（一般为10K~100K），对于诸如伺服电机高速高精度多轴联动，高速插补等动作，它实现起来仍然较为困难。这种方案主要适用于运动过程比较简单、运动轨迹固定的设备，如送料设备、自动焊机等。

三、采用专用数控系统作为上位控制。

专用的数控系统一般都是针对专用设备或专用行业而设计开发生产的，像专用车床数控系统，铣床数控系统，切割机数控系统等等。它集成了计算机的核心部件，输入、输出设备以及为专门应用而开发的软件。由于是“专业对口”，人们可以尽情发挥“拿来主义”。不需要进行什么二次开发，对使用者来说只需通过熟悉过程达到能操作的目的就行。在这方面，国外知名品牌的产品在我国制造行业中早已占领了了领地，如西门子，法那克，法格，海宝等等。当然，之所以它们能大规模广泛地被采用和这种专用数控系统，是因为其功能丰富，性能稳定可靠。但为之付出的代价就是高成本。因此，适用于控制要求较高且产品档次较高的数控设备生产厂家和使用者。

四、采用PC+运动控制卡作为上位控制的方案。

随着PC（PersonalComputer）的发展和普及，采用PC+运动控制卡作为上位控制将是运动控制系统的一个主要发展趋势。这种方案可充分利用计算机资源，用于运动过程、运动轨迹都比较复杂，且柔性比较强的机器和设备。从用户使用的角度来看，基于PC机的运动控制卡主要是功能上的差别：硬件接口（输入/输出信号的种类、性能）和软件接口（运动控制函数库的功能函数）。按信号类型一般分为：数字卡和模拟卡。数字卡一般用于控制步进电机和伺服电机，模拟卡用于控制模拟式的伺服电机；数字卡可分为步进卡和伺服卡，步进卡的脉冲输出频率一般较低（几百K左右的频率），适用于控制步进电机；伺服卡的脉冲输出频率较高（可达几兆的频率），能够满足对伺服电机的控制。目前随着数字式伺服电机的发展和普及，数字卡逐渐成为运动控制卡的主流。

从运动控制卡的主控芯片来看，一般有三种形式：单片机，专用运动控制芯片，DSP。

以单片机为主控芯片的运动控制卡，成本较低，电路较为复杂。由于这种方案仍是采用在程序中靠延时来控制发脉冲，脉冲波形的质量和频率都受到限制，一般用这种卡控制步进电机；以专用运动控制芯片为主控芯片的运动控制卡成本较高，但其运动控制功能有硬件电路实现，而且集成度高，所以可靠性、实时性都比较好；输出脉冲频率可以达到几兆赫兹，能够满足对步进电机和数字式伺服电机的控制。以DSP（DigitalSignalProcessor）为主控芯片的运动控制卡利用了DSP对数字信号的高速处理，能够实时完成极其复杂的运动轨迹，常用于像工业机器人等运动复杂的自动化设备中。

运动控制卡是基于PC机各种总线的步进电机或数字式伺服电机的上位控制单元，总线形式也是多种多样，通常使用的是基于ISA总线，PCI总线的。而且由于计算机主板的更新换代，ISA插槽都越来越少了，PCI总线的运动控制卡应该是目前的主流。卡上专用CPU与PC机CPU构成主从式双CPU控制模式：PC机CPU可以专注于人机界面、实时监控和发送指令等系统管理工作；卡上专用CPU来处理所有运动控制的细节：升降速计算、行程控制、多轴插补等，无需占用PC机资源。同时随卡还提供功能强大的运动控制软件库：C语言运动库、WindowsDLL动态链接库等，让用户更快、更有效地解决复杂的运动控制问题。运动控制卡的功能图如下：（以MPC02为例）

<--运动控制卡的功能图-->

控制卡接受主CPU的指令，进行运动轨迹规划，包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速处理、原点和限位开关等信号的检测等。每块运动控制卡可控制多轴步进电机或数字式伺服电机，并支持多卡共用，以实现更多运动轴的控制；每个轴都可以输出脉冲和方向信号，并可输入原点、减速、限位等开关信号，以实现回原点、限位保护等功能。开关信号由控制卡自动检测并作出反应。

目前的运动控制卡主要特征有：开放式结构、使用简便、功能丰富、可靠性高等。具体的特征体现在硬件和软件两个方面：在硬件方面采用PC机的ISA总线方式，各种设置采用简单的跳线和拨码开关；接线方式采用D型插头；采用PC机的PCI总线方式，卡上无需进行任何跳线设置，所有资源自动配置，接线方式采用SISC型插头，可使用屏蔽线缆，并且所有的输入、输出信号均用光电隔离，提高了控制卡的可靠性和抗干扰能力；在软件方面提供了丰富的运动控制函数库，以满足不同的应用要求。用户只需根据控制系统的要求编制人机界面，并调用控制卡运动函数库中的指令函数，就可以开发出既满足要求又成本低廉的多轴运动控制系统。

控制卡的运动控制功能主要取决于运动函数库。运动函数库为单轴及多轴的步进或伺服控制提供了许多运动函数：单轴运动、多轴独立运动、多轴插补运动等等。另外，为了配合运动控制系统的开发，还提供了一些辅助函数：中断处理、编码器反馈、间隙补偿，运动中变速等。

正是由于运动控制卡的开放式结构，强大而丰富的软件功能，对于使用者来说进行二次开发的设计周期缩短了，开发手段增多了，针对不同的数控设备，其柔性化、模块化、高性能的优势得以被充分利用。在目前工业生产中，它的应用范围十分广泛，在使用步进电机和数字式伺服电机的PC机运动控制系统中，都可以使用运动控制卡作为核心控制单元，例如：数控机床、加工中心、机器人等；送料装置、云台；X-Y-Z控制台；绘图机、雕刻机、印刷机械；打标机、绕线机；医疗设备；包装机械、纺织机械。

控制卡范文篇7

关键词：单片机；智能模块；串口通信

1概述

PC机与多台单片机构成小型的分布式测控系统已在工业控制、生产管理中得到了广泛的应用。在这类应用系统中，PC机多作为上位机通过直接查询来控制各从机。由于PC机本身还要进行动态数据显示、数据库实时录入、越限报警、报表打印等任务，因此，当从机数目过多时，上位机频繁地响应从机的中断，并在一定时间内等待和接收数据这极大地影响了PC机的工作效率。为了提高上位机的工作效率，笔者在PC机与各个智能模块间增加了一块用AT89C51作为微控制器的通信控制卡。整个系统构成一个3级分级控制系统，通信控制卡位于中间层，它是系统控制、管理的中枢。

2通信控制卡硬件电路

在本系统中，通信控制卡采用查询方式对下位机的各智能模块进行查询，该智能模块由AT89C51控制的电量、温度、液位、开关量采集板构成，它们分别可独立完成各自的数据采集和处理任务。当处于被查询状态时，系统可采用中断方式与通信卡进行通信。通信卡依次为人机完成各种数据处理任务提供各种数据和控制命令，然后把它们统一打包上传给上位机，从而使上位机可以对其进行显示、加工和处理，并形成各种报表。

该系统的硬件接口电路如图1所示。其中控制卡的核心芯片是AT89C51，它利用本身自带的串口与各智能模块间通过多机通信方式3进行总线式多机通信。为了同时能与PC进行通信，另一端通过8251A的扩展串口与PC相连。即要求8251A芯片的接收数据线RXD（脚3）及发送数据线TXD（脚19）通过MAX232与PC相连这是因为电平转换器8251A的输入、输出均为TTL电平，而通过电平转换器可将TTL电平转换成RS232C标准电平以便与PC进行通信。

8251A芯片的时钟输入线CLK可为其提供定时信号。在异步方式时，CLK的频率至少应大于8251A内接收器或发送器输入频率的4．5倍。其引脚RXC（脚25）为接收器时钟，它的作用是控制字符的发送速率，其时钟可使用8253产生的合适时钟频率。在异步方式中，引脚RXC和TXC（即接收、发送时钟）为波特率的16倍。该控制卡中扩展的8kBRAM可分别开辟4个不同的存储电量采集板的数据，处理时可以将它们一起送到PC。

3软件系统设计

3．1通信协议

通信控制卡的AT89C51串口与各智能模块的通信按自定义的通信协议进行。过程如下：

（1）首先使所有从机SM2位置1，以使其处于只接收地址帧的状态。

（2）控制卡先发一地址信息，其中8位为地址，第9位为地址／数据信息的标志位，该位为1表示该帧为地址信息。

（3）从机接收到地址帧后，会将其接收的地址与本从机的地址相比较。对于地址相符的从机，可置SM2＝0，以接收主机随后发来的所有信息；而对于地址不相符的从机，则置SM2＝1，以继续执行采集任务和其它任务。

（4）当从机发送数据结束后，会发送一帧校验和，并将第9位（TB8）置为1,以作为从机数据传送结束标志。

（5）控制卡接受数据时，先判断数据结束标志（RB8），若RB8＝1，且校验正确，则回送正确信号00H，此信号可令该从机复位以重新采集数据，等待地址帧。若校验和出错，则送0FFH，以令该机重发数据，如果重发5次还不行，则认为失败，并转入其它地址。若接收帧的RB8＝0，则将原数据锁定到缓冲区，并准备接收下帧信息。

（6）从机接收到复位命令后，再回到监听地址状态（SM2＝1）。

3．2程序框图

设主机发送的地址信号01H、02H、03H为从机设备地址，地址FFH是命令各从机恢复SM2为1的状态信号，即复位。从机的命令编码为：

01H—请求从机接收通信卡的数据命令；

02H—请求从机向通信控制卡发送数据；其它均按从机向通信卡发数据处理。

控制卡范文篇8

关键词：伺服驱动技术，直线电机，可编程计算机控制器，运动控制

1引言

信息时代的高新技术流向传统产业，引起后者的深刻变革。作为传统产业之一的机械工业，在这场新技术革命冲击下，产品结构和生产系统结构都发生了质的跃变，微电子技术、微计算机技术的高速发展使信息、智能与机械装置和动力设备相结合，促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技术革命。

随着计算机技术、电子电力技术和传感器技术的发展，各先进国家的机电一体化产品层出不穷。机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等许多门类产品每年都有新的进展。机电一体化技术已越来越受到各方面的关注，它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。

在机电一体化技术迅速发展的同时，运动控制技术作为其关键组成部分，也得到前所未有的大发展，国内外各个厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。本文主要介绍了全闭环交流伺服驱动技术（FullClosedACServo）、直线电机驱动技术（LinearMotorDriving）、可编程序计算机控制器（ProgrammableComputerController，PCC）和运动控制卡（MotionControllingBoard）等几项具有代表性的新技术。

2全闭环交流伺服驱动技术

在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中，交流伺服系统的应用越来越广泛，其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流，而且调试、使用十分简单，因而被受青睐。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器（DigitalSignalProcessor,DSP），可以对电机轴后端部的光电编码器进行位置采样，在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统，并充分发挥DSP的高速运算能力，自动完成整个伺服系统的增益调节，甚至可以跟踪负载变化，实时调节系统增益；有的驱动器还具有快速傅立叶变换（FFT）的功能，测算出设备的机械共振点，并通过陷波滤波方式消除机械共振。

一般情况下，这种数字式交流伺服系统大多工作在半闭环的控制方式，即伺服电机上的编码器反馈既作速度环，也作位置环。这种控制方式对于传动链上的间隙及误差不能克服或补偿。为了获得更高的控制精度，应在最终的运动部分安装高精度的检测元件（如：光栅尺、光电编码器等），即实现全闭环控制。比较传统的全闭环控制方法是：伺服系统只接受速度指令，完成速度环的控制，位置环的控制由上位控制器来完成（大多数全闭环的机床数控系统就是这样）。这样大大增加了上位控制器的难度，也限制了伺服系统的推广。目前，国外已出现了一种更完善、可以实现更高精度的全闭环数字式伺服系统，使得高精度自动化设备的实现更为容易。其控制原理如图1所示。

该系统克服了上述半闭环控制系统的缺陷，伺服驱动器可以直接采样装在最后一级机械运动部件上的位置反馈元件(如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等)，作为位置环，而电机上的编码器反馈此时仅作为速度环。这样伺服系统就可以消除机械传动上存在的间隙（如齿轮间隙、丝杠间隙等），补偿机械传动件的制造误差（如丝杠螺距误差等），实现真正的全闭环位置控制功能，获得较高的定位精度。而且这种全闭环控制均由伺服驱动器来完成，无需增加上位控制器的负担，因而越来越多的行业在其自动化设备的改造和研制中，开始采用这种伺服系统。

3直线电机驱动技术

直线电机在机床进给伺服系统中的应用，近几年来已在世界机床行业得到重视，并在西欧工业发达地区掀起"直线电机热"。

在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因而这种传动方式又被称为"零传动"。正是由于这种"零传动"方式，带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。

1.高速响应由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件（如丝杠等），使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。

2.精度直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差，减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高机床的定位精度。

3.动刚度高由于"直接驱动"，避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时也提高了其传动刚度。

4.速度快、加减速过程短由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车（时速可达500Km/h），所以用在机床进给驱动中，要满足其超高速切削的最大进个速度（要求达60～100M/min或更高）当然是没有问题的。也由于上述"零传动"的高速响应性，使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度，一般可达2～10g（g=9.8m/s2），而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1～0.5g。

5.行程长度不受限制在导轨上通过串联直线电机，就可以无限延长其行程长度。

6.运动动安静、噪音低由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。

7.效率高由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，传动效率大大提高。

直线传动电机的发展也越来越快，在运动控制行业中倍受重视。在国外工业运动控制相对发达的国家已开始推广使用相应的产品，其中美国科尔摩根公司（Kollmorgen）的PLATINNMDDL系列直线电机和SERVOSTARCD系列数字伺服放大器构成一种典型的直线永磁伺服系统，它能提供很高的动态响应速度和加速度、极高的刚度、较高的定位精度和平滑的无差运动；德国西门子公司、日本三井精机公司、台湾上银科技公司等也开始在其产品中应用直线电机。

4可编程计算机控制器技术

自20世纪60年代末美国第一台可编程序控制器（ProgrammingLogicalController，PLC）问世以来，PLC控制技术已走过了30年的发展历程，尤其是随着近代计算机技术和微电子技术的发展，它已在软硬件技术方面远远走出了当初的"顺序控制"的雏形阶段。可编程计算机控制器（PCC）就是代表这一发展趋势的新一代可编程控制器。

与传统的PLC相比较，PCC最大的特点在于它类似于大型计算机的分时多任务操作系统和多样化的应用软件的设计。传统的PLC大多采用单任务的时钟扫描或监控程序来处理程序本身的逻辑运算指令和外部的I/O通道的状态采集与刷新。这样处理方式直接导致了PLC的"控制速度"依赖于应用程序的大小，这一结果无疑是同I/O通道中高实时性的控制要求相违背的。PCC的系统软件完美地解决了这一问题，它采用分时多任务机制构筑其应用软件的运行平台，这样应用程序的运行周期则与程序长短无关，而是由操作系统的循环周期决定。由此，它将应用程序的扫描周期同外部的控制周期区别开来，满足了实时控制的要求。当然，这种控制周期可以在CPU运算能力允许的前提下，按照用户的实际要求，任意修改。

基于这样的操作系统，PCC的应用程序由多任务模块构成，给工程项目应用软件的开发带来很大的便利。因为这样可以方便地按照控制项目中各部分不同的功能要求，如运动控制、数据采集、报警、PID调节运算、通信控制等，分别编制出控制程序模块（任务），这些模块既独立运行，数据间又保持一定的相互关联，这些模块经过分步骤的独立编制和调试之后，可一同下载至PCC的CPU中，在多任务操作系统的调度管理下并行运行，共同实现项目的控制要求。

PCC在工业控制中强大的功能优势，体现了可编程控制器与工业控制计算机及DCS（分布式工业控制系统）技术互相融合的发展潮流，虽然这还是一项较为年轻的技术，但在其越来越多的应用领域中，它正日益显示出不可低估的发展潜力。

5运动控制卡

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）为了满足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。一般地，运动控制卡与PC机构成主从式控制结构：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、自动升降速的处理、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，如成都步进机电有限公司的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。

控制卡范文篇9

关键词：伺服驱动技术，直线电机，可编程计算机控制器，运动控制

一、引言

信息时代的高新技术流向传统产业，引起后者的深刻变革。作为传统产业之一的机械工业，在这场新技术革命冲击下，产品结构和生产系统结构都发生了质的跃变，微电子技术、微计算机技术的高速发展使信息、智能与机械装置和动力设备相结合，促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技术革命。

随着计算机技术、电子电力技术和传感器技术的发展，各先进国家的机电一体化产品层出不穷。机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等许多门类产品每年都有新的进展。机电一体化技术已越来越受到各方面的关注，它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。

在机电一体化技术迅速发展的同时，运动控制技术作为其关键组成部分，也得到前所未有的大发展，国内外各个厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。本文主要介绍了全闭环交流伺服驱动技术（FullClosedACServo）、直线电机驱动技术（LinearMotorDriving）、可编程序计算机控制器（ProgrammableComputerController，PCC）和运动控制卡（MotionControllingBoard）等几项具有代表性的新技术。

二、全闭环交流伺服驱动技术

在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中，交流伺服系统的应用越来越广泛，其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流，而且调试、使用十分简单，因而被受青睐。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器（DigitalSignalProcessor,DSP），可以对电机轴后端部的光电编码器进行位置采样，在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统，并充分发挥DSP的高速运算能力，自动完成整个伺服系统的增益调节，甚至可以跟踪负载变化，实时调节系统增益；有的驱动器还具有快速傅立叶变换（FFT）的功能，测算出设备的机械共振点，并通过陷波滤波方式消除机械共振。

一般情况下，这种数字式交流伺服系统大多工作在半闭环的控制方式，即伺服电机上的编码器反馈既作速度环，也作位置环。这种控制方式对于传动链上的间隙及误差不能克服或补偿。为了获得更高的控制精度，应在最终的运动部分安装高精度的检测元件（如：光栅尺、光电编码器等），即实现全闭环控制。比较传统的全闭环控制方法是：伺服系统只接受速度指令，完成速度环的控制，位置环的控制由上位控制器来完成（大多数全闭环的机床数控系统就是这样）。这样大大增加了上位控制器的难度，也限制了伺服系统的推广。目前，国外已出现了一种更完善、可以实现更高精度的全闭环数字式伺服系统，使得高精度自动化设备的实现更为容易。

该系统克服了上述半闭环控制系统的缺陷，伺服驱动器可以直接采样装在最后一级机械运动部件上的位置反馈元件(如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等)，作为位置环，而电机上的编码器反馈此时仅作为速度环。这样伺服系统就可以消除机械传动上存在的间隙（如齿轮间隙、丝杠间隙等），补偿机械传动件的制造误差（如丝杠螺距误差等），实现真正的全闭环位置控制功能，获得较高的定位精度。而且这种全闭环控制均由伺服驱动器来完成，无需增加上位控制器的负担，因而越来越多的行业在其自动化设备的改造和研制中，开始采用这种伺服系统。

三、直线电机驱动技术

直线电机在机床进给伺服系统中的应用，近几年来已在世界机床行业得到重视，并在西欧工业发达地区掀起"直线电机热"。

在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因而这种传动方式又被称为"零传动"。正是由于这种"零传动"方式，带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。

1.高速响应由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件（如丝杠等），使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。

2.精度直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差，减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高机床的定位精度。

3.动刚度高由于"直接驱动"，避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时也提高了其传动刚度。

4.速度快、加减速过程短由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车（时速可达500Km/h），所以用在机床进给驱动中，要满足其超高速切削的最大进个速度（要求达60～100M/min或更高）当然是没有问题的。也由于上述"零传动"的高速响应性，使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度，一般可达2～10g（g=9.8m/s2），而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1～0.5g。

5.行程长度不受限制在导轨上通过串联直线电机，就可以无限延长其行程长度。

6.运动动安静、噪音低由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。

7.效率高由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，传动效率大大提高。

直线传动电机的发展也越来越快，在运动控制行业中倍受重视。在国外工业运动控制相对发达的国家已开始推广使用相应的产品，其中美国科尔摩根公司（Kollmorgen）的PLATINNMDDL系列直线电机和SERVOSTARCD系列数字伺服放大器构成一种典型的直线永磁伺服系统，它能提供很高的动态响应速度和加速度、极高的刚度、较高的定位精度和平滑的无差运动；德国西门子公司、日本三井精机公司、台湾上银科技公司等也开始在其产品中应用直线电机。

四、可编程计算机控制器技术

自20世纪60年代末美国第一台可编程序控制器（ProgrammingLogical&nbsp;Controller，PLC）问世以来，PLC控制技术已走过了30年的发展历程，尤其是随着近代计算机技术和微电子技术的发展，它已在软硬件技术方面远远走出了当初的"顺序控制"的雏形阶段。可编程计算机控制器（PCC）就是代表这一发展趋势的新一代可编程控制器。

与传统的PLC相比较，PCC最大的特点在于它类似于大型计算机的分时多任务操作系统和多样化的应用软件的设计。传统的PLC大多采用单任务的时钟扫描或监控程序来处理程序本身的逻辑运算指令和外部的I/O通道的状态采集与刷新。这样处理方式直接导致了PLC的"控制速度"依赖于应用程序的大小，这一结果无疑是同I/O通道中高实时性的控制要求相违背的。PCC的系统软件完美地解决了这一问题，它采用分时多任务机制构筑其应用软件的运行平台，这样应用程序的运行周期则与程序长短无关，而是由操作系统的循环周期决定。由此，它将应用程序的扫描周期同外部的控制周期区别开来，满足了实时控制的要求。当然，这种控制周期可以在CPU运算能力允许的前提下，按照用户的实际要求，任意修改。

基于这样的操作系统，PCC的应用程序由多任务模块构成，给工程项目应用软件的开发带来很大的便利。因为这样可以方便地按照控制项目中各部分不同的功能要求，如运动控制、数据采集、报警、PID调节运算、通信控制等，分别编制出控制程序模块（任务），这些模块既独立运行，数据间又保持一定的相互关联，这些模块经过分步骤的独立编制和调试之后，可一同下载至PCC的CPU中，在多任务操作系统的调度管理下并行运行，共同实现项目的控制要求。公务员之家

PCC在工业控制中强大的功能优势，体现了可编程控制器与工业控制计算机及DCS（分布式工业控制系统）技术互相融合的发展潮流，虽然这还是一项较为年轻的技术，但在其越来越多的应用领域中，它正日益显示出不可低估的发展潜力。

五、运动控制卡

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）为了满足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。一般地，运动控制卡与PC机构成主从式控制结构：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、自动升降速的处理、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，如成都步进机电有限公司的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。

控制卡范文篇10

该门课程主要学习各种常用LED条屏的制作,引导学生深人理解LED条屏构成、基本原理和制作方法,并培养学生制作LED条屏的基本能力。本人通过教学实践对教学内容和要求做了如下探讨。

1.1下达视屏幕场制作项目任务书主要内容包括:通过实物图片展示常见LED显示屏,掌握LED显示屏的基本组成,能够画出LED显示屏的构成框图,信息搜集LED显示屏有哪些应用。要求:通过课外信息采集,查阅常见LED显示屏的基本组成,到相关生产安装单位观看其安装调试过程;查阅LED显示屏的基本组成等资料,了解其结构、工作原理及使用方法;了解LED显示屏的结构、工作原理及接线方法。

1.2指导学生搜集LED电子显示屏相关信息主要内容包括:各种类型发光二极管、常见LED显示屏基本构成、性能指标,常用连接线、制作连接线工具的正确使用,LED显示屏控制卡的功能及其基本构成。要求:了解LED显示屏单元板的规格;掌握LED显示屏的基本构成;掌握LED显示屏的性能指标;认识LED显示屏控制卡;掌握LED显示屏控制卡的功能;掌握LED显示屏控制卡的基本构成;掌握LED显示屏的结构、工作原理,学会其接线方法。

1.3指导学生学会LED电子显示屏硬件选型主要内容包括:正确选择LED显示屏单元板、控制卡、独立电源及其信号连接线,课外信息采集硬件选择的要求、方法、渠道。要求:常见LED显示屏单元板的规格、尺寸、主要参数;LED显示屏控制卡、独立电源及其信号连接线选择要求;正确选择LED显示屏单元板、控制卡、独立电源及其信号连接线;硬件选择的要求、方法、渠道;学生完成课外信息采集。

1.4井指导学生完成LED电子显示屏项目实施主要内容包括:常用工具、元器件准备与检测,制作信号连接线方法(排线、串口线),完成制作信号连接线,了解常见LED显示屏边框制做方法,完成LED显示屏组装与调试,完成LED显示屏组装与调试及其LED条屏字幕的变换,正确使用软件与调试,实现常见故障的排除。要求:使用常用工具完成元器件准备与检测;掌握制作信号连接线方法(排线、串口线);完成制作信号连接线;了解常见LED显示屏边框制做方法;学会LED显示屏边框制做;掌握LED显示屏组装与调试方法;实现LED条屏字幕的变换;能够实现常见故障排除;正确实现软件的使用与调试;思考LED显示组装与调试过程。

1.5师生共同完成LED电子显示屏项目检查主要内容包括:检查常见LED显示屏连线是否正确,LED显示屏控制卡安装是否正确,LED显示屏字幕显示与变换能否实现(学生自查和互查,教师指导)。要求:检查常见LED显示屏连线是否正确;检查LED显示屏控制卡安装是否正确;检查LED显示屏字幕显示与变换能否实现。

1.6师生共同完成LED电子显示屏项目验收主要内容包括:常见LED显示屏整体结构,LED显示屏功能实现,LED显示屏字幕显示与变换展示。要求:常见LED显示屏整体结构完整、美观,符合要求;LED显示屏基本功能实现良好;能够完成LED显示屏字幕显示与变换展示。

2.理论联系实际,注重学生应用能力培养

在教学过程中以完成LED条屏制作为主线,将LED条屏制作基础知识和基本技能融人到各个工作任务中,体现了以能力为本位的现代职业教育理念,符合职业教育“做中学、做中教”的精神要求。

2.1教学建议

(l)由于本课程是一门实践性非常强的课程,因此建议采用理论与实践一体化教学,借助上机操作来完成教与学的任务。

(2)鼓励探索“以学生为中心”的教学模式,学生自主学习,教师转变角色。采用项目设计制作、分组研讨、现场模拟等多样化的教学方式。

2.2评价建议

(l)本门课程完全采用项目教学法,建议采用项目制作考核,关注学生的课堂活动过程、实现实际操作考核、笔试等多种考核方式。根据实际应用及考试情况综合评价学生成绩。

(2)学生是学习的主体,无论是教学还是评价都应以学生的综合知识运用能力为出发点,评价应有益于学生认识自我、树立自信,明确努力的方向。

(3)教学标准与社会实践接轨。将社会或企业、行业技术规范与职业标准直接引人课程教学。这样既有利于教学跟上技术发展步伐,也有利于学生获取职业资格证书和技术等级证书,同时有利于学生就业。在每个项目中,给出了项目考核评价标准,任课教师在教学过程中可以参考使用,对学生进行项目教学考核,或用于学生间的互评以及企业工程技术人员评价。在此建议,可以通过每个项目的考核,再综合评价的方法,评定学生学期或学年成绩。

3结束语