1、 1 毕业设计开题报告 测控技术与仪器 三维运动平台控制系统的设计 1 选题的背景、意义 在现代工业自动化、办公自动化、家庭自动化和国防自动化中，大量存在对运动机构进行运动轨迹、速度等精确控制的需求。例如，工业应用方面，各种数控机床、加工中心、工业机器人、轧机传动等控制；计算机软硬盘驱动器、 CD-ROM、打印机的控制；家用电器中的录像机、 VCD 控制；国防和航空领域中的火炮瞄准、导航、卫星姿态等的控制。运动控制成为控制科学的重要分支。近几年随着计算机技术（如 DSP、嵌入式处理器）和现代电子技术（如 FPGA/CPLD 技 术）迅速发展与广泛应用，为运动控制系统的发展注入了强大的技术动力。
2、我国传统运动控制系统已经不能适应现代制造业的发展，深入研究基于新体系架构、新技术、高性能、低成本、开放式多轴联动运动控制系统，既有市场需求，又有良好的技术背景环境。 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。这类平台比较常见的控制方式就是采用“计算机 +专用运动控制卡 +驱动器”的方法，通过计算机软件控制专用运动控制卡从而控制驱动器以达到控制平台运动的目的。但是其造价一般比较昂贵 ，不能够大面积推广应用。 通常所说的微型计算机是指由中央处理器 (CPU)、半导体存储器 (ROM、 ARM)、 I/O接口电路等大型集成电路芯片组装
3、在一块或几块印刷电路板组装而成的机器。随着近代超大规模集成电路的出现，微处理器及其外围芯片有了迅速的发展。集成技术的最新进展之一是将 CPU 和外围芯片及其他控制部件集成到一个芯片之中，制成单片计算机 (SCM)。近年来推出的一些高档单片机还包含有许多特殊功能单元，如 A/D、 D/A 转换器、通讯控制器、浮点运算单元等。因此，只要外加一些扩展电路及必要的通道接2 口就可以构成各种计 算机应用系统，如工业控制系统、数据采集系统、智能接口、功能模块等。 作为微型计算机的另一个发展分支的单片微型计算机介于工业控制计算机和可编程控制器之间，它有较强的控制功能、低廉的成本。人们在选择电动机的控制器时，
4、常常是在先满足功能需要的同时，优先选择成本低的控制器。因此，单片机往往成为优先选择的目标。 20 多年来的应用实践表明，单片机性能稳定，通过在单片机上运行的控制程序来代替模拟或数字电路硬件，可以提高系统的功效，并且改变了传统的控制系统设计思想和方法。从最近的统计数据也可以看出，世界上每年要有 25 亿片各种 单片机投入使用。单片机是目前世界上使用量最大的微处理器。 在运动控制系统的发展进程中，微型计算机的引入为改进控制策略，改善系统的运行性能提供了物质基础，而先进控制方法的层出不穷为加快这一进程提供了理论基础，这一发展趋势如图 1 所示。 图 1 运动控制系统发展趋势 研究单片机在电机运动控制
5、系统中的应用，在有效利用单片机内部资源以及详细了解相应电机运动控制系统运行特性的基础之上，进一步挖掘单片机在电机运动控制领域中的应用潜力，降低系统的成本，提高系统的性能。这样的工作无论对单片机在电机运动控制领域中的进一步推广还是对电机运动控制系统性能的进一步提高都有很大的研究价值和现实意义。 计算机 单片机 （电机）运动控制系统 现代控制理论 经典控制理论 集成技术 发展进化 3 2 相关研究的最新成果及动态 运动控制作为自动化技术的一个重要分支，在 20 世纪 90 年代，国际上发达国家，例如美国已经进入快速发展的阶段。近年来，随着运动控制技术的不断进步和完善，运动控制器作为一个独立的工业自
6、动化控制类产品，已经被越来越多的产业领域接受，并且它已经达到一个引人瞩目的市场规模。目前，运动控制器从结构上主要分为如下三大类： （ 1） 基于计算机标准总线的运动控制器，它是把具有开放体系结构，独立于计算机的运动控制器与计算机相结合构成。目前这种运动控制器是市场上的主流产品。 （ 2） Soft 型开放式运动控制器，它提供给用户最大的灵活性，它的运动控制软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部 I/O 之间的标准化通用接口。 Soft 型开放式运动控制的特点是开发、制造成本相对较低 能够给予系统集成商和开发商更加个性化的发展。 （ 3）嵌入式结构的运动控制器，这种运动控制器
7、是把计算机嵌入到运动控制器中的一种产品，它能 够独立运行。嵌入式的运动控制器也可配置软盘和硬盘驱动器，甚至可以通过 Interne 进行远程诊断。例如美国 ADEPT 公司的 SmartController，固高科技公司的 GU 嵌入式运动控制平台系列产品等 1。 目前国外产品已经开始大量进入中国，固高科技公司也相继开发出 GO 、 GT、 GH和 GU 系列基于 DSP 的开放式运动控制器产品，有近 150 个品种可供用户选择。固高科技公司把通用运动控制器产品分为高、中、低三个档次，他们分别是 GH、 GT 和 GO 系列产品。从目前国内市场的反馈情况来看，按照 行业进行市场开发，具有一定的
8、优势。这三类运动控制器的特点和应用领域如下： (1)点位运动控制器，主要应用在那些仅对终点位置有要求，与运动轨迹无关的系统。 (2)连续轨迹运动控制器，主要应用在传统的数控系统、切割系统的轮廓控制。 (3)同步运动控制器，主要应用在需要有电子齿轮箱和电子凸轮功能的系统控制中。 3 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达4 到的目标 （ 1）研究方法 本课题设计的三维运动平台控制系统，以 51 系列单片机为核心控制器的步进电机驱动控制系统，它可以驱动两相、三相及五相混合 式步进电动机，具有一定的通用性。它与混合式步进电动机配套可以大大地改善步进电动机的运行性能，拓宽其应用
9、领域。该选题研究内容主要有 : (1)有一定通用性的混合式步进电动机驱动控制系统硬件设计 控制部分硬件设计。包括 :单片机最小系统的设计以及外围电路设计。 驱动部分硬件设计。包括 :RI2130 外围电路的设计、功率桥以及电流反馈电路的设计。 系统硬件总体结构框图 (2)有一定通用性的混合式步进电动机驱动控制系统软件设计： 下位机部分软件设计。单片机程序设计包括 :系统初始化、脉冲环形分配、升降频、状态实时显示等。 上位机部分软件设计。包括 :控制模式的设置、系统状态的图形化实时显示等。 单片机最小系统 键盘及其接口电路 LED 显示及其驱动电路 步进电动机机 上位机（输入、显示） 时钟控制
10、RS232 接口电路 声光报警电路 5 系统软件总体结构框图 本系统在设计时使用了模块化设计思想，首先将系统划分为上位机和下位机两个部分，其次又将下位机分为控制和驱动两个部分。将单片机用于电机运动控制系统中的一大优越性在于系统由软件来控制，从而使得控制灵活，容易实现各种控制策略，并 可实现复杂的控制规律，调试、维护、升级方便。系统硬件电路设计简单可靠，为整个系统搭建了一个基本的平台，而具体控制策略的实现便需要依据系统的软件设计。本控制器采用 8051 单片机，对它的软件设计较繁琐，主要表现在 : (l)几乎涉及到单片机所有内部集成的硬件资源，包括 :定时器及定时中断的操作、外部中断的处理以及对
11、串行口的复用等 ;所以，编程之前一定要对这些内部硬件资源有较深的把握 ; (2)由于本控制器能驱动多种步进电动机工作于多种步距角下，并且还可以以控制面板和上位机两种方式来控制电机，这使得系统运行模式较多，各模 式之间的切换以及程序段的复用加重了软件编制的工作量 ; (3)用户可以设定电机多种运行模式，这导致软件中标志量的增多，同时还要对电机运行状态进行实时显示，这进一步加大了编程的难度。 综上，在编程的时候，需要认真考虑如何才能优化程序的结构，使得在实现系统各项控制功能的前提下，能够使程序尽量高效、易懂。因此在编程时运用了模块化的思想，实现功能细分，一方面可以提高软件的移植性和升级性，另一方面
12、可以增强软以单片机为核心的控制及驱动电路 电机运行状态 LED 实时显示程序 时钟、端口初始化 ADC、定时器初始化程序 程序延时 串口接收发送程序 6 件的易测试性。 在编程之前需要构架系统软件的总体框架，以做到有条不紊。下位机采用 C 语言编程，主要包括 :输入处理、处 理与控制以及输出处理三个小部分。编程的原则是 :各个小部分的功能尽量在一个或几个子程序中完成。这样做可使编程工作变得相对简单，但，这并不是意味着各部分是独立的，相反，各部分之间往往有着密切的联系，它们之间不但有参数及标志量的传递并且某些部分还会有程序上的复用，例如 :输出处理部分中两个小部分的程序便是复用的，这样做可以简化
13、代码，提高编程的效率。 （ 2）研究难点 1)一个完备的驱动控制系统应具有较好的保护功能，以提高系统的可靠性。本 系统在实现应有功能的基础之上要具有过流保护功能 ;另外为了防止程序跑飞， 本系统还 应设计了看门狗电路。 2）驱动多种步进电动机，但是在硬件设计上还要兼顾其它相数的步进电动机，以拓宽其通用性。 3）把各种算法载入单片机以及算法的调用。 （ 3）预计达到的目标 本系统应该具有以下功能： (1)通过按键设定电机的运行模式 系统必须能够接收用户通过控制面板设定的控制命令，并进一步对其进行处理和执行。 (2)通过上位机设定电机的运行模式 为了方便使用，拓宽本系统的使用范围，也为了使用户使用
14、起来更灵活，从而开发了上位机软件，用户可以通过上位机设定电机所有的运行方式，既直观又方便。 (3)运行状态实时显 示 本系统应具有实时显示的功能，以使用户能过直观的得到电机当下的运行状态，这主要是通过 LDE 以及上位机两个途径来实现的，其中，上位机的显示更直观、生动。 4 研究工作详细进度和安排 7 2011 年 1 月 10 日前 完成文献综述、外文翻译 2011 年 2 月 28 日前 完成开题报告 2011 年 3 月 1 日 2011 年 5 月 10 日 设计阶段 2011 年 5 月 11 日 2011 年 5 月 26 日 毕业论文整理 2011 年 5 月 27 日 毕业答辩
15、 5 参考文献 1李泽湘 。 运动控制技术的发展历史 。 固高科技公司宣传资料 2 P. K. Wright. Open architecture manufacturing: The impact of open computer systems on self sustaining machinery and the machine tool industry.In Proceeding of the Manufacturing International 90-Part 2: Advances in Manufacturing Systems, Atlanta, GA. Mar. 199
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