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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于通用运动控制器的控制系统设计与仿真 姓名：吴大卫 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：何岭松 20070125 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 通用运动控制器技术的高速发展， 使得用户可以很方便地利用通用运动控制器开发 自己的控制系统。而随着通用运动控制器在控制领域的应用越来越广，如何高效、快速 地开发出符合自己功能需求，同时具有很好的通用性的实用控制系统，成了一种非常迫 切的需求。本文针对这种需求，对几种采用通用运动控制器为控制核心的控制系统设计 过程进行总结，提出控制系统的一般化设计方法。同时研究对基于通用运动控
2、制器的控 制系统进行虚拟仿真的方法。主要研究内容包括： 研究基于通用运动控制器的控制系统的模块化设计方法。针对不同控制系统的共 性，提出了控制系统硬件和软件的各个模块的实现方法。为开发出可靠、灵活的系统提 供帮助。 对不同运动控制卡的编程接口进行分析， 设计和实现了通用运动控制器的统一编程 接口。使得设计者可以开发出跟硬件无关的、可移植性强的控制软件来。 提出了虚拟运动控制卡的概念，在计算机中模拟实现了运动控制卡的功能。并以此 为基础，利用 OpenGL 对控制系统的控制过程和控制设备进行仿真，实现了同一运动控 制程序对虚拟设备和真实设备的同时控制。 从而简化了控制程序从仿真系统到实际设备 的
3、移植过程。通过实验验证了该移植方法的正确性和有效性。 本文提出的控制系统软硬件模块化设计方法和基于虚拟运动控制卡的控制系统仿 真方法，可以加快实用控制系统的开发及验证速度，对控制系统的研发具有重要的实用 价值。 关键字关键字：通用运动控制器 统一编程接口 虚拟运动控制卡 仿真与控制 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract The rapid development of general motion controller technology makes it very convenient for users to use the general motion
4、 controller to develop its own control system. With general motion controller used widely in the field of control system, it is necessary to find a quick and efficient method to develop control system meet with our function needs. The thesis summarizes several basic motion control systems design pro
5、cess, educe a general design method. The thesis also gives a virtual simulation method for the basic motion control system based on general motion controller. The main text is introduced in detail as follows: Firstly, Study the modular design method of control system based on general motion controll
6、er. Because of the general character of the different motion control system, the thesis puts forward a modular design approach for its hardware and software design. Secondly, Because of the difference of the programming interface among the different motion control card, the thesis designs a unified
7、programming interface for the universal motion controller. This unified interface will enable the designers to develop generous-purpose and portable control software conveniently. Thirdly, the thesis puts forward the concept of the virtual motion control card. This will provide the basis for the sim
8、ulation of the motion control system. The thesis also studies the configuration and simulation of the motion control system based on OpenGL. And based on virtual motion control card, adds the simulation of the control process and control equipments in traditional virtual simulation system. The modul
9、ar method of control systems hardware and software design and the simulation system based on virtual motion control card presented in this thesis will accelerate its development and test speed, and has important value for the development of control system. Keywords: General Motion Controller, Unifie
10、d Programming Interface, Virtual Motion Control Card, Simulation and Control 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，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结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 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，即：学校有权 保留并向国家有关部
11、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。 本人授权华中科技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。 本论文属于 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 课题概述课题概述 1.1.1 课题来源课题来源 本课题来自于深圳鸥鹏科技有限公司横向合作项目， 通过对多个运动控制系统的设 计过程的总结，提供基于通用运动控制器的控制系统
12、硬件和软件设计的一般化方法。并 对该类型控制系统的仿真进行研究。 1.1.2 课题的目的和意义课题的目的和意义 运动控制的发展是制造自动化前进的动力，是推动新的产业革命的关键1。在实际 项目中使用通用运动控制器，可以很方便实现自己设计目标。通用运动控制器可以驱动 大多数电机，并能实现精确控制。同时它有自己的核心处理芯片，使得它可完成运动规 划、高速实时插补、伺服滤波控制和伺服驱动、外部 I/O 之间标准化通用接口等功能2。 另外，它开放的函数库可供用户根据不同的需求，在 DOS 或 WINDOWS 等平台下自行 开发应用软件，组成各种控制系统。以上特点使得通用运动控制系统在运动控制领域得 到了
13、广泛的应用。 针对市场种类繁多的运动控制器件， 如何合理选择电子元器件来实现自己的控制系 统，是一个非常重要的问题。本项目将总结运动控制系统设计的一般过程，提出运动控 制系统硬件设计的模块化描述技术，为设计时元件选型提供依据，为开发出可靠、灵活 的系统提供帮助。同时，对通用运动控制系统的编程提供一个统一编程接口，为软件设 计开发提供方便。统一的编程接口可以使得用户开发出跟硬件无关的，可移植性强的通 用软件来。 同时对软件设计的各个模块的构成和功能划分， 为开发软件提供一般化方法， 统一的流程规划也可以使得用户不必重复设计通用性的模块， 而只专注于核心算法的开 发。减少开发时间，提高开发效率。
14、在对运动控制系统仿真的研究过程中，主要强调对通用运动控制器的仿真。在传统 仿真基础上加上了对控制过程和控制对象的仿真，这可以仿真实现整个运动控制系统。 同时，由于虚拟运动控制卡的实现是以运动控制统一编程接口为基础的，使得开发的虚 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 拟仿真程序可以不加修改的移植到实际运动控制设备上去。 这为虚拟仿真程序向实际系 统移植提供了一个简单而且非常有用的方法。 1.2 相关技术的国内外现状和发展趋势相关技术的国内外现状和发展趋势 1.2.1 运动控制系统概述及其发展运动控制系统概述及其发展 以电动机为对象的控制系统， 过去通称为电力拖动或电气传动。 随着
15、电力电子技术， 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 1988 年前后，国际上开始出现“运动控制系 统”（Motion Control System）这一名称。运动控制系统与相关学科间的关系可用图 1.1 表示3： 图 1.1 运动控制系统与相关学科间的关系 电机的发展：交直流电机已有上百年的历史，虽至今在原理上均没有重大突破，但 随着静止式变换器的广泛应用，也出现了新的趋势。在运动控制系统中，许多场合交流 电机取代直流电机已是大势所趋，目前的主要障碍是逆变器及其控制装置的成本比较 高，国内装置还有可靠性和维护水
16、平问题。同步电动机一向被认为启动麻烦，运行时有 震荡和失步问题。 因此除了大容量长期恒速运行的同步电动机用以补偿大量异步负载的 滞后功率因素外，在生产中很少应用。采用变频调速后，变频启动可以完全取代过去的 一套启动装置，自动调频则从根本上解决了震荡问题4。在变频传动中，究竟采用同步 电动机还是异步电动机哪个更好的问题便摆在人们面前。 异步电机的励磁需要从定子侧提供，因而它的功率总是滞后的。同步电机的励磁是 独立的，其功率因数可以调整到 1，甚至超前，这是它的突出优点，但也正是因需要外 加直流励磁，使同步电机在结构和维护上都比异步电机要复杂些。小容量的永磁式同步 运动控制系统 （MCS） 自动控制理论 计算机仿真和辅 助设计 模拟和数字电子技术 微型计算机 大规模集成电路 电力电子器件 交换器电
