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1、湘潭大学 硕士学位论文 基于MCX314的运动控制器的研究与设计 姓名：蔡晓雯 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：杨恢先 20080501 摘 要 运动控制技术是微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、 自动控制技术以及微机应用技术等的综合应用。 电动机控制策略的模拟实现正逐 渐退出历史舞台，而采用微处理器、FPGA/CPLD、通用计算机、DSP 控制器等 现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展，应用先进算法，开发全数字化的 智能控制系统将成为新一代运动控制设计的发展方向。 目前，我国国内的开放式数控系统的研究还处于初级阶段，各系统所采用的 体系结构并不一致
2、，而是自成体系，相互之间缺乏兼容性和互换性。在此提出一 种采用单片机与专用运动控制芯片相结合的运动控制系统， 并配以相关的控制软 件来完成系统的基本功能，使得系统软硬件具有可移植性和互操作性。 采用日本NOVA电子有限公司推出的DSP运动控制专用芯片MCX314和 Cygnal公司的8位高速单片机C8051F020相结合，开发研制了运动控制器。其中， 高集成度MCX314运动控制专用芯片能实现以下控制： 4轴3联运动的位置、 速度、 加速度控制；直线、圆弧和位模式3种连续插补；位置环闭环控制。芯片的性能 优良、接口简单、编程方便、工作可靠，给运动控制带来极大方便。可广泛应用 于数控机床、机器人
3、等领域的运动控制。在提高速度控制和改进插补算法中，采 用模糊控制和神经网络的数学模型，提高了控制性能。 本课题主要研究工作包括： 1、比较国内外同类产品的功能，规划了运动控制器的硬件结构； 2、运动控制器的测试软件设计，包括一些基本的功能函数和测试例程； 3、在单片机端开发应用程序，调用相应的函数，使控制器动作； 4、搭建调试平台，做一些基本的运动控制实验，验证软硬件设计的正确性。 5、研究和仿真基于模糊控制和神经网络的速度控制算法和插补算法。 6、研究成果总结和后期展望。 关键词：运动控制器 MCX314 C8051F020 模糊控制 神经网络 Abstract Motor control
4、technique is the synthesis apply of micro- electronics, power delectronic, sensor, permanent magnetic material, automatic control and microcomputor application techology. Simulating realization of motor control strategy is gradually dropping out of historical stage. Adopted modern means such as micr
5、oprocessors, FPGA/CPLD, general- purpose computer and DSP control, digital control system are developed rapidly. Applied advanced algorithm, total digitization intelllgent control system will become heading of newer generation of motion control system design. At present, the domestic research of ope
6、n NC system is still in its infancy, the structure of each adopted system is not consistent, but is to create ones own system, so the systems are lack of compatibility and interchangeability by each other. Be aimed at the insufficient of above, the article mainly put motion controll system on microc
7、ontroller and special- purpose chip, matching with control software to accomplish the basic function of system, the software and hardware of system has flexibility and interoperability. Among the project we select NOVA electron corp. DSP control special- purpose chip MCX314, mixed with 8- bit high-
8、speed microcontroller C8051F020 which produced by Cygnal company. High- integrated MCX314 can implement 4- axes 3- linkage and control location,velocity and acceleration. MCX314 can implement beeline and arc continuous interpolation, as well as position closed loop control. MCX314 bring control grea
9、t convenience because of its choice performance, simple interface, convenient programming and work reliably, can be applied to numerical control machine tool, robot, etc. In improving speed control and interpolation algorithm,adopt to mix up fuzzy control and neural network,which have improved contr
10、olling function. The task of main work includes: 1. General scheme of the motion controller, and put forward after comparing domestic and foreign kindred products functions. 2. The testing software design of motion controll,including some basic performance functions and testing examples. 3. Developi
11、ng application software, acting the controller by transfer the corresponding function. 4. Building debugged platform, making some fundamental tests on motion controller , verifying accuracy of software and hardwares design. 5. Researching a high performance velocity control arithmetic and interpolat
12、ion algorithm based on fuzzy control and neural network. 6. The summary of research result and empressing expects to prospect. Key words: Motion controller；MCX314；C8051F020；Fuzzy control； Neural network 湘潭大学湘潭大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人
13、或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 1 第 1
14、章 绪论 本章简要介绍开放式数控系统的发展概述、运动控制器的现状与发展及 本课题的研究背景和研究内容。 1.1 开放式数控系统的发展概述 数字控制(Numerical Control)是近代发展起来的一种自动控制技术，是用 数字化信号对某一工作过程进行控制（如加工、测量等）的一种方法，简称数 控(NC)。数控系统是一种控制系统，它自动阅读输入载体上事先给定的数字 值，并将其译码，从而使装置动作和加工零件。数控系统包括数控装置、可编 程控制器、主轴驱动及进给驱动装置等部分 1。 随着市场全球化的发展， 市场对适合中小批量加工、 具有良好柔性和多功 能的制造系统的需求已超过对大型单一功能的制造系统
15、的需求， 从而要求制造 系统必须具有较强的市场应变能力。 这一趋势促成了一个新概念的产生开 放式数控系统 2,3，即模块化、可重构、可扩充的系统。开放式数控系统不仅 能够快速、 经济地适应新的加工需求， 而且为制造商提供了将其技术或产品与 任何第三方的技术或产品进行集成可能性 4。 开放式体系结构普遍采用模块化、 层次化的结构， 并通过各种形式向外提 供统一的应用程序接口，具有可移植性、可扩展性、互操作性和可缩放性等特 点， 即系统组成的内部开放化和系统组成各部件之间的开放化。 开放式系统具 有以下基本特点： （1）开放性。提供标准化环境的基础平台，允许不同功能和不同开发商 的软硬件模块介入。
16、 （2）可互操作性。通过提供标准化接口、通信和交互机制，使不同的功 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。 （3）可移植性。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， 使构成系统的各个功能模块可来源于不同的开发商提供 的硬件平台之上。 （4）可扩展性。CNC（computeried numerical controller）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。 2 （5）可互换性。不同性能、不同可靠性和不同能力的功能模块可以相互 替代，而不影响系统的协调运行。 数控系统的开放化趋势，在全球制造业中已成潮流。目前，欧洲、美国和 日本都在进行自动化领域的开放式数控系统体系结构的研究， 纷纷推出各自的 开放式数控体系结构规范。 在美国，政府为了增强其制造业的持久发展能力和在国际市场上的竞争 力，于20世纪90年代初由国防部委托马丁马瑞塔航天研究所(Martin Mariett
