2.3 運動控制器的硬件

隨著微電子技術與計算機技術的快速發展，各種功能越來越強大的新型可編程邏輯器件不斷涌現，使得實現運動控制功能的控制器變得越來越多。從硬件實現的角度分析，運動控制器的硬件可以按照運動控制器核心器件的組成和數據的傳遞形式進行分類。

2.3.1 按照運動控制器核心器件的組成分類

1）基于微處理器（MCU）的技術

以8位或16位的MCU單片機技術為核心，如MCS-51、MCS-96等，再配以存儲器電路、編碼器信號處理電路及D/A、A/D電路。這類電路設計的特點是：整體方案比較簡單，可以實現一些簡單的控制算法，具有一定的靈活性，能提供簡單的人機界面管理。隨著微電子技術的不斷發展，雖然MCU本身的處理速度和運算能力都有大幅度的提升，使由新型器件制造的運動控制器的性能會大幅度的提升，但是就目前技術水平來看，基于MCU技術的運動控制器主要目標對象還是簡易型運動控制對象。圖2-42所示的電路就是一個基于MCU技術的電機控制系統。由圖可以看出，系統十分簡單，主要由PIC MCU、變頻組件Inverter、電機和反饋單元構成。其基本工作原理是：由MCU控制驅動單元中變頻組件，使之輸出驅動電壓和頻率控制一臺三相異步交流電機。電機輸出結果通過反饋單元送到控制器，使控制器隨時掌握電機的運行狀態。反饋包括電流反饋與位置反饋，控制算法采用PID，磁場定向控制。

2）基于專用集成電路的技術

利用一塊專用芯片Application Specific Integrated Circuit（ASIC）可以實現某些特定的控制算法如PID算法、編碼器信號處理等功能。用戶可以通過發送專用指令的方式對其進行控制。此類技術的優點是使用相對容易，系統輸入/輸出指令跟隨性強、響應快速、可靠性高。NPM公司的PCL6045B、NOVA公司的MCX314等就是專用運動控制芯片。這類控制器的不足之處在于不易升級，控制算法變更升級不易，硬件成本價格高。圖2-43所示的是PCL6045封裝引腳示意圖。芯片采用QFP44X4封裝形式。圖2-44所示的是PCL6045內部電路功能示意圖，圖2-45是圖2-44的分項子圖。PCL6045的主要特點是有四套完全相同的電路單元，可以同時驅動四臺伺服電機工作，圖2-46所示的就是驅動x軸端伺服電機的功能圖。

圖2-47是PCL6045的實物圖。

3）基于PC的技術

由于PC發展迅速，技術成熟，軟件資源豐富，因此充分利用PC資源，并將其功能集成到運動控制器中，已成為世界各國發展研究的重點。具體地說，PC NC就是在PC硬件平臺和操作系統的基礎上，利用公共軟件和硬件板卡，按照運動控制器的要求，構造出運動控制系統。由于PC總線是一種開放性的總線，PC系統的硬件體系結構具有開放性、模塊化、可嵌入的特點，為廣大用戶通過開發應用軟件給數控系統追加功能和實現功能個性化提供了保證。PC的運動控制器的缺點是與專用運動控制系統相比實時性差，可靠性也不如專用運動控制系統高，對實際編程者的水平要求較高，尤其是要利用PC進行高性能運動控制算法開發，經驗變得十分重要，而且驗證平臺本身的成本也不低，故基于PC的運動控制器系統比較適合于中高檔、多用途的運動系統對象。

圖2-48所示的是基于PC開發的一套三維空間運動系統。主控制器采用PC，PC控制四個驅動器，四個驅動器驅動四臺電機，每一臺電機單獨控制一根運動軸，通過四根軸的組合運動來滿足加工需求。

4）基于DSP的技術

20世紀90年代以來，隨著微電子技術水平的快速提升，數字信號處理（DSP）芯片因其高速運算能力而被越來越廣泛地用于運動控制系統中。DSP芯片使復雜算法的實時性得到有效保證，因此DSP在運動控制器中得以應用。目前，主流的運動控制器都采用DSP技術。比如，美國Delta公司的PMAC運動控制卡采用了Motorola公司的DSP56001；國內固高科技有限公司的GT—400運動控制卡采用了ADI公司的ADSP2181。

PMAC是多軸控制器，可以提供運動控制、離散控制、控制器內部事物處理、同主機的交互等數控的基本功能。PMAC內部使用了一片Motorola公司的DSP56001芯片，它的速度、分辨率、帶寬等指標遠優于一般的控制器。PMAC是開放的運動控制器。

PMAC與各種產品的匹配性能如下。

（1）與不同伺服系統的連接 伺服接口有模擬式和數字式兩種，能連接模擬、數字伺服驅動器。

（2）與不同檢測元件的連接 如測速發電機、光電編碼器、光柵、旋轉變壓器等。

（3）PLC功能的實現 內裝軟件化的PLC，可擴展到2048個I/O口。

（4）界面功能的實現 按用戶的需求定制。

（5）與IPC的通信 PMAC提供了三種通信手段——串行方式、并行方式和雙口RAM方式。采用雙口RAM方式可使PMAC與IPC進行高速通信。串行方式能使PMAC脫機運行。

（6）CNC系統的配置 PMAC以計算機標準插卡的形式與計算機系統共同構成CNC系統，它可以通過PC-XT&AT、VME、STD32或者PCI總線形式與計算機相連。

圖2-49所示的是兩種基于DSP技術的PMAC板卡。

5）基于可編程邏輯控制器的技術

在可編程邏輯控制器上實現運動控制器的算法和電路，可以提高系統的集成度和性能，具有很大的靈活性。但整個系統需要大量的邏輯單元，編程難度大，價格昂貴。所以，這種方式的實現也只有在一些功能較簡單、快速性要求較高的場合。SOPC（System-On-a-Programmable-Chip）技術的出現，給這種方式提供了新的思路。SOPC是一種特殊的嵌入式處理器系統，它可以包含至少一個嵌入式內核，具有靈活的設計方式，可裁減、擴充、升級，并具備軟硬件可編程的功能。SOPC芯片在應用的靈活性和價格上有極大的優勢，是將來運動控制器的發展方向之一。圖2-50所示的是可編程邏輯芯片與CPU及功率放大芯片的連接圖。

6）基于多核處理器的技術

此類控制器在一個芯片內部集成了多個處理器內核。如TI公司的達·芬奇平臺集成了一個DSP C64X內核和一個ARM9內核，其中DSP用于運算，ARM用于控制。多核處理器技術是未來處理器發展的一個方向。

2.3.2 按照數據的傳遞形式分類

運動控制器的數據傳遞形式可分為總線式和網絡式。運動控制器的總線式有ISA、PCI、VME、USB、SPI、STD總線、CAN總線；網絡式有Motionnet、Ethernet、Internet等。

圖2-51所示的是數據連接關系示意圖，它反映的是傳統數據交換方式和新的串口數據交換方式。新的串口數據交換方式一般由四條線構成：（1）MOSI——主器件數據輸出，從器件數據輸入；（2）MISO——主器件數據輸入，從器件數據輸出；（3）SCLK——時鐘信號，由主器件產生；（4）SS——從器件使能信號，由主器件控制。

圖2-52所示的是四組總線運動控制器的實物圖，其中圖2-52（a）是四軸運動控制板，其主要控制芯片是PCL6045B；圖2-52（b）是四軸運動控制卡，其數據交換采用的是104總線；圖2-52（c）是基于VME總線的四軸運動控制卡；圖2-52（d）是利用USB3601進行運動控制的一種解決方案。

圖2-53所示的是Motionnet網絡連接示意圖，這種方式最多可以有64個運動控制驅動器，主鏈路是G9001A～G9004A。G9001A是中心驅動器，G9002是Local Device I/O，G9003是PCL Device Pulse Generator，G9004A是Local Device CPU Emulator。

圖2-54所示的是G9001～G9004系列芯片的封裝外形圖，均采用QFP封裝。

圖2-55所示的是利用Motionnet芯片構成多用途技術解決問題的方案。G9004A可以分別與PCL6045B（四軸脈沖發生器）、FPGA（用戶接口或用戶邏輯電路）、AD/DA轉換器、現場CPU及液晶顯示控制器進行通信與連接。