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基于FPGA的PCI接口运动控制卡的研究

制造业是一个国家工业的基础，而制造技术又是制造业的技术支柱，制造业水平的高低是衡量一个国家工业发达程度的重要标志。以传统机电工业为代表的制造业，正经历着深刻的变革。在这场革命中，大力发展先进的制造技术已成为各国最重要的几大技术战略之一，先进制造技术已经是国际竞争与产品革新的一种重要手段。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是先进制造技术的基础，是发展新兴高新技术产业和尖端工业的最基本的装备，是制造业现代化的重要基础，这个基础牢固与否将直接影响到国家的经济发展和综合国力，关系到国家的战略地位。

运动控制器是以中央逻辑单元为核心，以传感器为信号敏感元件，以电机/动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。对于数控系统来说，最重要的是控制各个电机轴的运动，这是运动控制器接收并依照数控装置的指令来控制各个电机轴运动从而实现数控加工的，数据加工中的定位控制精度、速度调节的性能等重要指标都与运动控制器直接相关。目前对数控系统的研究都集中在插入PC的NC控制器的研究上，而其核心部分就是对步进、伺服电机进行控制的运动控制卡的研究。对PC-NC来说，运动控制卡的性能很大程度上决定了整个数控系统的性能，而微电子和数字信号处理技术的发展及其应用，使运动控制卡的性能得到了不断改进，集成度和可靠性大大提高。

本课题通过对运动控制技术的深入研究，并针对国内运动控制技术的研究起步较晚的现状，结合当前嵌入式领域的具体需要，紧跟当前运动控制技术研究的发展趋势，吸收了数控技术和相关运动控制技术的最新成果，提出了基于PCI和FPGA的方案 ，研制了一款比较新颖的、功能强大的、具有很大柔性的四轴多功能运动控制卡。

本课题的具体研究主要有以下几方面：

首先，通过对运动控制卡及嵌入式系统等行业现状的全面调研，和对运动控制技术的深入学习，在比较了几种常用的运动控制方案的基础上，提出了基于FPGA 的运动控制设计方案，并规划了板卡的总体设计。

其次，根据总体设计，规划了板卡的结构，详细划分并实现了FPGA各部分的功能；利用光电隔离原理设计了数字输入/输出电路。

再次，利用FPGA的资源实现了PCI从设备接口，达到跟控制卡通信的目的，针对运动控制中的一些具体问题，如运动平稳性、实时控制以及多轴联动等，在FPGA上设计了四轴运动控制电路，定义了各个寄存器的具体功能，设计了功能齐全的加/减速控制电路、变频分配电路、倍频分频电路和三个功能各异的计数器电路等，自动降速点运动、A/B相编码器倍频计数电路等特殊功能。

最后，进行了本运动控制卡的测试，实现了全数字测速在本运动控制卡中的应用，从测试和应用结果来看，该卡达到预期的要求。

关键词：PCI   数控  运动控制卡  FPGA

The Research of Motion Control Board

Based on FPGA

Candidate：    Supervisor： 

Motion Controller (MC) is a control device that regards its central logic unit as the core, sensor as the sensitive component, and electromotor or executive unit as the controlled object. MC is very important in the ONCS, because it is the most important to control the movement of the motor of each axis in the NC system and the precision of position control and performance of velocity adjusting are directly related to MC. In the present, all of the researches of ONCS focus on that of the PC-based NC control device, whose key is the research of Motion Control Board (MCB) which is used to control stepping or servo motor. To PC-NC, in some degree, the performance of MCB decides that of the whole NC system, further more, the development and application of technology of macroelectronics and Digital Signal Processing continuously improve the performance of MCB and greatly increase the level of integration and dependability.

During the research, through the overall survey of ONCS and deep study of Motion Control Technology (MCT), facing the behindhand actuality of research of domestic MCT, to meet the practical requirements of the laser carving field, following the developing trend of the present MCT, drawing on the new production of the present ONCS and relating MCT, bringing forward the solution based on FPGA, we have developed a four-axis multifunctional MCB which is very original, powerful and flexible.

In the paper, there are the following major contents:

Firstly, through the overall survey of ONCS, embedded system and MCB, and deep study of MCT, after comparing the common solutions of motion control, we brought forward the solution of motion control based on FPGA, and made out the whole design solution of board.

Secondly, according to the whole design solution, we figured out the whole architecture of board, and plotted out and implemented the respective function of FPGA in detail. Further more, we designed digital input/output circuit according to the principle of photoelectricity isolation, four-channel analog output circuit by the priciple of DAC and put forward effective anti-jamming measures in allusion to common jamming phenomena.

Thirdly, in allusion to some prcatical problems in the motion control, such as high speed, high precision, motion stabilization, real-time control and muti-axis contouring control, etc, we designed a four-axis MCB in the FPGA. We defined the functions of all of the registers in detail, designed perfect Acceleration/ Deceleration Control Circuit, Variable Frequency Divider Circuit, Multiplication Factor Frequency Divider Circuit and three different counter circuits, achieved special functions of the S-curve Acceleration/ Deceleration Control, Ramping-down Point Counter & Calculation Circuit and A/B encoder multi-frequency circuit, etc.

Finally, we made out the test of board and came true the application of full-digital measure on the board. The motion control board met anticipative demand according to the result of test and application.

Keywords:  FPGA, Numerical Control, Motion Control Board  PCI

目  录

1 绪论 1

1.1 开放式数控及其发展 1

1.1.1 开放式数控系统的基本特征 2

1.1.2 国内外数控系统技术的发展 2

1.1.3 现代数控技术的发展趋势 4

1.2 运动控制器及其研究现状 5

1.2.1 运动控制器的特点及发展现状 5

1.2.2 常见运动控制系统上位控制方案 6

1.2.3 基于PC机的运动控制卡常见解决方案 7

1.2.4 基于单FPGA的方案 11

1.3 本课题的意义及论文的主要内容 11

2 系统总体方案设计 13

2.1 运动系统的控制技术 13

2.1.1 连续运动轨迹插补原理 13

2.1.2 位置控制技术 14

2.2 基于PCI的运动控制卡 16

2.2.1 嵌入式系统概念 16

3 运动控制卡硬件设计 17

3.1 可编程逻辑器件简介 17

MPC07结构示意图 18

MPC07转接卡结构示意图 19

功能模块分析 19

模块1 19

模块2 19

3.4 外围电路设计 19

3.4.1 光电隔离原理 19

3.4.2 数字I/O信号的接线方法 20

可编程器件的程序设计 22

程序（或功能）模块1（PCI模块） 25

功能说明 25

流程图（C等）/方框图（FPGA） 26

PCI接口配置空间的实现 30

4 基于FPGA的运动控制模块（MCM） 32

4.1 MCM总体结构 32

4.2 寄存器模块 34

4.2.1 寄存器寻址 34

4.2.2 参数寄存器 34

4.2.3 命令和状态缓冲器 36

4.3 速度模式模块 40

4.3.1 倍率因子参数 41

4.3.2 脉冲频率、、 41

4.3.3 加速、减速参数寄存器R4、R5 42

4.3.4 S-曲线加速部分寄存器R14 42

4.3.5 S-曲线减速部分寄存器R15 42

4.3.6 加/减速时间 43

4.3.7 自动降速点 43

4.4 输出脉冲产生电路模块 46

4.4.1 加/减速控制电路 47

4.4.2 变频分配电路 49

4.4.3 倍率分频电路 50

4.5 编码器模块设计 50

4.6 计数器模块电路 52

4.6.1 预置计数器 52

4.6.2 自动降速点计数器 52

4.6.3 当前位置计数器 54

4.7 操作模式模块 54

4.7.1 连续模式 55

4.7.2 预置模式 56

4.7.3 回零模式 56

5 基于PCI的嵌入式运动控制卡的系统测试 59

5.1 PCI与CPLD的数据交换 59

5.1.1 运动控制芯片内的地址空间 59

5.1.2 PC机对寄存器的读写操作 60

5.2 CPLD与FPGA的数据交换 61

5.2.1 FPGA内运动控制模块的内部寄存器 61

5.2.2 运动控制函数库 61

5.2.3 运动控制卡功能测试 64

5.3 全数字转速测量在本卡中的实现 65

5.3.1 前言 65

5.3.2 M/T转速测量法工作原理 66

5.3.3 全数字转速测量电路 67

5.3.4 运行结果与误差分析 69

6 全文总结与展望 70

6.1 全文总结 70

6.2 研究展望 70

参考文献 72

声 明

致 谢