2.3 运动控制器的硬件

随着微电子技术与计算机技术的快速发展，各种功能越来越强大的新型可编程逻辑器件不断涌现，使得实现运动控制功能的控制器变得越来越多。从硬件实现的角度分析，运动控制器的硬件可以按照运动控制器核心器件的组成和数据的传递形式进行分类。

2.3.1 按照运动控制器核心器件的组成分类

1）基于微处理器（MCU）的技术

以8位或16位的MCU单片机技术为核心，如MCS-51、MCS-96等，再配以存储器电路、编码器信号处理电路及D/A、A/D电路。这类电路设计的特点是：整体方案比较简单，可以实现一些简单的控制算法，具有一定的灵活性，能提供简单的人机界面管理。随着微电子技术的不断发展，虽然MCU本身的处理速度和运算能力都有大幅度的提升，使由新型器件制造的运动控制器的性能会大幅度的提升，但是就目前技术水平来看，基于MCU技术的运动控制器主要目标对象还是简易型运动控制对象。图2-42所示的电路就是一个基于MCU技术的电机控制系统。由图可以看出，系统十分简单，主要由PIC MCU、变频组件Inverter、电机和反馈单元构成。其基本工作原理是：由MCU控制驱动单元中变频组件，使之输出驱动电压和频率控制一台三相异步交流电机。电机输出结果通过反馈单元送到控制器，使控制器随时掌握电机的运行状态。反馈包括电流反馈与位置反馈，控制算法采用PID，磁场定向控制。

2）基于专用集成电路的技术

利用一块专用芯片Application Specific Integrated Circuit（ASIC）可以实现某些特定的控制算法如PID算法、编码器信号处理等功能。用户可以通过发送专用指令的方式对其进行控制。此类技术的优点是使用相对容易，系统输入/输出指令跟随性强、响应快速、可靠性高。NPM公司的PCL6045B、NOVA公司的MCX314等就是专用运动控制芯片。这类控制器的不足之处在于不易升级，控制算法变更升级不易，硬件成本价格高。图2-43所示的是PCL6045封装引脚示意图。芯片采用QFP44X4封装形式。图2-44所示的是PCL6045内部电路功能示意图，图2-45是图2-44的分项子图。PCL6045的主要特点是有四套完全相同的电路单元，可以同时驱动四台伺服电机工作，图2-46所示的就是驱动x轴端伺服电机的功能图。

图2-47是PCL6045的实物图。

3）基于PC的技术

由于PC发展迅速，技术成熟，软件资源丰富，因此充分利用PC资源，并将其功能集成到运动控制器中，已成为世界各国发展研究的重点。具体地说，PC NC就是在PC硬件平台和操作系统的基础上，利用公共软件和硬件板卡，按照运动控制器的要求，构造出运动控制系统。由于PC总线是一种开放性的总线，PC系统的硬件体系结构具有开放性、模块化、可嵌入的特点，为广大用户通过开发应用软件给数控系统追加功能和实现功能个性化提供了保证。PC的运动控制器的缺点是与专用运动控制系统相比实时性差，可靠性也不如专用运动控制系统高，对实际编程者的水平要求较高，尤其是要利用PC进行高性能运动控制算法开发，经验变得十分重要，而且验证平台本身的成本也不低，故基于PC的运动控制器系统比较适合于中高档、多用途的运动系统对象。

图2-48所示的是基于PC开发的一套三维空间运动系统。主控制器采用PC，PC控制四个驱动器，四个驱动器驱动四台电机，每一台电机单独控制一根运动轴，通过四根轴的组合运动来满足加工需求。

4）基于DSP的技术

20世纪90年代以来，随着微电子技术水平的快速提升，数字信号处理（DSP）芯片因其高速运算能力而被越来越广泛地用于运动控制系统中。DSP芯片使复杂算法的实时性得到有效保证，因此DSP在运动控制器中得以应用。目前，主流的运动控制器都采用DSP技术。比如，美国Delta公司的PMAC运动控制卡采用了Motorola公司的DSP56001；国内固高科技有限公司的GT—400运动控制卡采用了ADI公司的ADSP2181。

PMAC是多轴控制器，可以提供运动控制、离散控制、控制器内部事物处理、同主机的交互等数控的基本功能。PMAC内部使用了一片Motorola公司的DSP56001芯片，它的速度、分辨率、带宽等指标远优于一般的控制器。PMAC是开放的运动控制器。

PMAC与各种产品的匹配性能如下。

（1）与不同伺服系统的连接 伺服接口有模拟式和数字式两种，能连接模拟、数字伺服驱动器。

（2）与不同检测元件的连接 如测速发电机、光电编码器、光栅、旋转变压器等。

（3）PLC功能的实现 内装软件化的PLC，可扩展到2048个I/O口。

（4）界面功能的实现 按用户的需求定制。

（5）与IPC的通信 PMAC提供了三种通信手段——串行方式、并行方式和双口RAM方式。采用双口RAM方式可使PMAC与IPC进行高速通信。串行方式能使PMAC脱机运行。

（6）CNC系统的配置 PMAC以计算机标准插卡的形式与计算机系统共同构成CNC系统，它可以通过PC-XT&AT、VME、STD32或者PCI总线形式与计算机相连。

图2-49所示的是两种基于DSP技术的PMAC板卡。

5）基于可编程逻辑控制器的技术

在可编程逻辑控制器上实现运动控制器的算法和电路，可以提高系统的集成度和性能，具有很大的灵活性。但整个系统需要大量的逻辑单元，编程难度大，价格昂贵。所以，这种方式的实现也只有在一些功能较简单、快速性要求较高的场合。SOPC（System-On-a-Programmable-Chip）技术的出现，给这种方式提供了新的思路。SOPC是一种特殊的嵌入式处理器系统，它可以包含至少一个嵌入式内核，具有灵活的设计方式，可裁减、扩充、升级，并具备软硬件可编程的功能。SOPC芯片在应用的灵活性和价格上有极大的优势，是将来运动控制器的发展方向之一。图2-50所示的是可编程逻辑芯片与CPU及功率放大芯片的连接图。

6）基于多核处理器的技术

此类控制器在一个芯片内部集成了多个处理器内核。如TI公司的达·芬奇平台集成了一个DSP C64X内核和一个ARM9内核，其中DSP用于运算，ARM用于控制。多核处理器技术是未来处理器发展的一个方向。

2.3.2 按照数据的传递形式分类

运动控制器的数据传递形式可分为总线式和网络式。运动控制器的总线式有ISA、PCI、VME、USB、SPI、STD总线、CAN总线；网络式有Motionnet、Ethernet、Internet等。

图2-51所示的是数据连接关系示意图，它反映的是传统数据交换方式和新的串口数据交换方式。新的串口数据交换方式一般由四条线构成：（1）MOSI——主器件数据输出，从器件数据输入；（2）MISO——主器件数据输入，从器件数据输出；（3）SCLK——时钟信号，由主器件产生；（4）SS——从器件使能信号，由主器件控制。

图2-52所示的是四组总线运动控制器的实物图，其中图2-52（a）是四轴运动控制板，其主要控制芯片是PCL6045B；图2-52（b）是四轴运动控制卡，其数据交换采用的是104总线；图2-52（c）是基于VME总线的四轴运动控制卡；图2-52（d）是利用USB3601进行运动控制的一种解决方案。

图2-53所示的是Motionnet网络连接示意图，这种方式最多可以有64个运动控制驱动器，主链路是G9001A～G9004A。G9001A是中心驱动器，G9002是Local Device I/O，G9003是PCL Device Pulse Generator，G9004A是Local Device CPU Emulator。

图2-54所示的是G9001～G9004系列芯片的封装外形图，均采用QFP封装。

图2-55所示的是利用Motionnet芯片构成多用途技术解决问题的方案。G9004A可以分别与PCL6045B（四轴脉冲发生器）、FPGA（用户接口或用户逻辑电路）、AD/DA转换器、现场CPU及液晶显示控制器进行通信与连接。