1、重庆大学本科学生毕业设计（论文）省线式编码器串行总线接口的设计与实现Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityThe Multiplexed Data Line Encoder Serial Bus Interface Design and ImplementationUndergraduate: Su LinghongSupervisor: Prof. Yan XingqunAssistant Supervisor : Prof. Tang Xiaoqi Major: Mechanical Design and Manufacture
2、and AutomationCollege of Mechanical EngineeringChongqing UniversityJune 2011重庆大学本科学生毕业设计（论文） 中文摘要I摘 要本论文围绕全数字交流伺服系统，分析了伺服驱动系统的组成，论述了数控系统和伺服系统的研究现状和发展趋势。重点研究了伺服系统位置反馈装置编码器。在吸收和借鉴国内外研究成果的基础上，本文深入研究了省线式编码器与数控伺服系统的串行总线接口。在结合 Altera 公司 FPGA 芯片和光电编码器接口技术的基础上，设计出了省线式编码器串行总线接口装置，该装置由硬件和软件组成。硬件主要由编码器输入接口模块、F
3、PGA 模块、编码器上电控制模块以及输出接口模块构成。软件主要由四倍频辨向模块、编码器电影控制模块以及 Endat2.2协议模块组成。通过电路板焊接、调试与程序编写、下载后，该装置能够准确读取省线式编码器输出的相对位置信号，并且用 FPGA 芯片进行四倍频、辨向、计数以及Endat2.2 协议输出等处理，成功地将编码器信号反馈给了交流伺服控制系统，构成了控制系统完整的位置和速度反馈环。关键词：交流伺服系统，省线式编码器，FPGA，Endat2.2 协议重庆大学本科学生毕业设计（论文） ABSTRACTIIABSTRACTArounding the all-digital AC servo sy
4、stem,the composition of the servo drive system is discussed,the current situation and the developing trend for the study of the CNC system and servo drive system are analyzed in this paper.Especially focuses on the position feedback servo system device-encoder.This paper focuses on the serial bus in
5、terface between the multiplexed data line encode and CNC servo systems,on the basis of research results at home and abroad.This paper focuses on the serial bus interface between the multiplexed data line encode and CNC servo systems,on the basis of research results at home and abroad.We use the FPGA
6、 chip of Altera Corporation and optical encoder interface technology to design the multiplexed data line encode serial bus interface device. The device consists of hardware and software.Hardware consists of the encoder input interface module, FPGA module, encoder power control module and output modu
7、le.Software mainly consists of the following parts:fourfold-frequency direction-judgement module, encoder power control module and Endat2.2 protocol module. After welding the circuit board,programming,debugging and downloading the software,the device can accurately read the output position signal of
8、 the multiplexed data line encode,and realize the functions of four frequency, identifying the direction, counting, and Endat2.2 protocol outputing with the FPGA chip.The encoder signals are also fed to the AC servo control system successfully by the device,it constitutes a complete position and vel
9、ocity feedback loop of control system.Key words：AC servo system, multiplexed data line encode,FPGA,Endat2.2 protocol重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论III目 录摘 要 .IABSTRACT .II1 绪论 .11.1 课题研究背景和意义 .11.2 数控系统简介 .11.2.1 数控系统的组成 .21.2.2 数控系统的发展趋势 .31.3 伺服驱动系统简介 .51.3.1 交流伺服系统组成 .51.3.2 伺服驱动系统的发展趋势 .61.4 本论文主要内容 .72 编
10、码器及其接口技术 .82.1 光电编码器 .82.1.1 增量式光电编码器 .92.1.2 绝对式光电编码器 .102.1.3 省线式编码器 .112.2 编码器信号的细分技术 .112.3 编码器接口技术 .123 省线式编码器串行总线接口装置硬件设计 .143.1 硬件总体结构 .143.2 主要电路模块设计 .143.2.1 编码器接口电路设计 .143.2.2 FPGA 模块电路设计 .153.2.3 编码器上电控制模块设计 .183.2.4 输出接口电路设计 .184 省线式编码器串行总线接口装置软件设计 .204.1 系统软件编程环境介绍 .204.1.1 Quartus编程环境介
11、绍 .204.1.2 Quartus编程环境的设计流程 .214.1.3 硬件描述语言简介 .224.2 软件总体框图 .224.3 软件主要模块设计 .23重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论IV4.3.1 FPGA 软件顶层图 .234.3.2 四倍频辨向模块设计 .234.3.3 上电控制模块设计 .254.3.4 Endat2.2 协议模块设计 .275 实验结果 .315.1 装置实物图 .315.2 测试结果 .326 总结与研究展望 .356.1 全文总结 .356.2 研究展望 .35参考文献 .37致谢 .38重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论11 绪论1.1
12、课题研究背景和意义自上世纪七十年代以来,随着电力电子技术、微电子技术、传感器技术、电机技术以及控制理论等技术的飞速发展，以交流伺服电机为控制对象的交流伺服系统逐渐取代直流伺服系统，在数控机床、机器人、大规模集成电子制造和军用武器随动系统等方面得到广泛应用。近十多年来，由于永磁材料及相关技术的重大突破，永磁同步电机性能得到了迅速提高，其良好的低速运行性能和较高的性价比等优点使得三相永磁同步电机逐渐成为交流伺服系统执行电机的首选。随着高性能微处理器在电机调速系统的广泛应用，使得交流伺服系统由模拟、模数混合方式向全数字方式发展。数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备。
13、世界各国信息产业、航空、航天等国防工业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平。工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅大力发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖“数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策，严重制约了我国高档数控机床产业的发展。因此，数控系统产业是关系到国家经济安全、产业安全和国防安全的战略性产业。我国数控产业经历了“十五”、“十一五”产业化攻关，已取得了重要的阶段性成果。但是我国高档数控机床的技术水平、整体质量与发达国家相比还有较大差距 1。本课题是来源于华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心自主开发的课题：全数字交流伺服电机驱动系统研制。该伺服驱
14、动系统主要由 DSP 和 FPGA 组成的运动控制器、智能化功率模块（IPM）、光纤总线接口、编码盘反馈接口等组成。运动控制器将光纤总线接口接收数控单元发送位置运动控制指令和码盘反馈位置信息进行处理，最后通过 IPM 模块驱动伺服电机。本课题的主要任务是开发全数字交流伺服电机驱动装置控制接口模块中省线式编码器接口模块，该接口模块完成对省线式编码器信息的读取，并通过 FPGA进行细分、计数、鉴向，最后将结果以目前使用较普遍的编码器数据接口协议EnDat 传送出去，供上位机进行控制。1.2 数控系统简介 自1952年第一台数控机床问世到如今六十年的历史中，以电子信息技术为基础，集传统的机械制造技术
15、、计算机技术、成组技术与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通信技术、液压气动技术、光机电技术于一体的数控重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论2技术得到了迅速发展和广泛应用，使得普通的机械逐渐被高效率、高精度的数控机械所代替，从而形成了巨大的生产力，促进制造业发生了根本性的变化。数控机床不但是机械工业中的重要基础装备，也是汽车、电子、航空、国防等支柱产业生产现代化的主要手段。数控机床产业本身的产值远不如汽车、航空、航天等产业，但高效能的数控机床给制造业带来了高倍率的效益增长和现代化的生产方式，是促进国民经济发展的巨大原动力。1.2.1 数控系统的组成数控系统是数字控制系统的简称
16、，它根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。通过利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量。一般整个数控系统由三大部分组成，即控制系统，伺服系统和位置测量系统。控制系统按加工工件程序进行插补运算，发出控制指令到伺服驱动系统；伺服驱动系统将控制指令放大，由伺服电机驱动机械按要求运动；测量系统检测机械的运动位置或速度，并反馈到控制系统，来修正控制指令。这三部分有机结合，组成完整的闭环控制的数控系统。在数控机床上加工一个零件的过程如下:首先编程人员按照零件的几
17、何形状和工艺要求将加工过程编成零件加工程序。数控装置读入记录在介质上的加工程序后，将其翻译成机器能够理解的控制指令，再由伺服系统将其变换和放大后驱动机床上的主轴电机和进给伺服电机转动，进而带动机床的工作台移动，实现加工程序。数控系统是数控机床的指挥中心，它主要由操作面板、输入/输出设备、数控装置、伺服单元和驱动装置、PLC 和机床 I/O 电路等部分组成 2，如图1.1。操作面板操 作 面 板 主 轴 伺 服 单 元PLC 机 床 I/O电 路 和 装 置输 入 /输 出设 备 测 量 装 置 主 轴 驱 动 装 置 机床本体进 给 伺 服 单 元 进 给 驱 动 装 置计 算 机 数控 装
18、置数 控 系 统键 盘1.1 数控系统的组成重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论3操作面板是操作人员与数控机床进行交互的工具。一方面，操作人员可以通过它对数控机床进行操作、编程、调试或对机床参数进行设定和修改；另一方面，操作人员也可以通过它了解或查询数控机床的运行状态。输入/输出设备存储介质是记录零件加工程序的媒介。输入/输出设备是 CNC 系统与外部设备进行信息交互的装置，它们的作用是讲编制好的零件加工程序输入数控系统。CNC 装置CNC 装置是数控系统的核心，它主要由计算机系统、位置控制板、PLC 接口板、通信接口板、扩展功能模块及相应的控制软件等模块组成。其主要作用是根据输入的零件
19、加工程序或操作者命令进行相应的处理（如运动控制处理、机床输入/输出等） ，然后输出控制命令道相应的执行部件（如伺服单元、驱动装置和可编程控制器 PLC 等） ，完成零件的加工程序或操作者命令所要求的工作。伺服单元、驱动装置和测量装置伺服单元和驱动装置包括主轴伺服驱动装置和主轴电机、进给伺服驱动装置和进给电机；测量装置指位置速度测量装置，它是实现速度闭环控制和位置闭环控制的必要装置。主轴伺服系统的主要作用是实现零件加工的切削运动，其控制量为速度。进给伺服系统的主要作用是实现零件加工的成形运动，其控制量为速度和位置。能灵敏、准确地跟踪 CNC 装置的位置和速度指令是它们的共同特征。PLC、机床 I
20、/O 电路和装置PLC 用于实现与逻辑运算、顺序动作有关的 I/O 控制，它由硬件和软件组成；机床 I/O 电路和装置是用于实现 I/O 控制的执行部件（由继电器、电磁阀、形成开关、接触器等组成的逻辑电路） 。1.2.2 数控系统的发展趋势数控技术是工业自动化的基础，数控系统是数控机床的灵魂。数控系统的性能和水平直接决定着数控机床的性能和水平。数控系统主要有以下几个发展方向：开放式数控系统开放式数控系统的提出是数控系统发展到一定阶段的必然产物。面对市场全球化导致的激烈竞争，制造业行业迫切需要在产品多样化和产品跟新换代频率的情况下提高生产效率和产品质量、降低产品成本，同时更人性化地满足用户的需求
21、。由此，对适合中小批量加工、具有良好柔性和多功能型制造系统的需求逐步超过了对大型单一功能的制造系统的需求，正是这一变化促使人们展开了对模块化、可重构、可扩充、可升级的新一代数控系统的研究。重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论4数控系统的开发性应体现为系统对不同软、硬件平台的可移植性、系统功能的可伸缩性、系统功能模块的可替代性和功能模块间的互操作性，这表明开放式的数控系统应构筑于一个开放的平台之上，并具有模块化的组织结构，允许用户对功能模块进行选配、更改和扩展以迅速满足不同的应用需求，且给功能模块可来源于不同的供应商并相互兼容。数控系统的网络化数控系统的网络化主要是指数控系统与外部的其他控
22、制系统或上位计算机进行网络连接和网络控制。网络数控就是把数控系统网络化，通过Internet/Intranet 技术将制造单元和控制部件相连，以实现网络制造和资源共享为目的，支持各种先进制造环境。网络化包括两个方面：内部网络化（现场总线网络）和外部网络化。内部网络化是指为使数控系统硬件具有互换性，数控系统内 CNC 单元与伺服驱动及 I/O等单元以现场总线网络连接。外部网络化是数控系统与其他控制系统或外部上位计算机以网络连接。其作用有：实现对设备的远程控制、加工程序的传输、远程诊断和维修服务、技术服务等。网络数控作为全球制造的基础，已从通信向生产管理转移，注重和企业资源计划、物料需求计划等管理
23、系统的集成。一个完善的网络数控系统是集加工制造、生产管理、工艺设计、设备调度和网络控制为一体的，具有开放式体系结构的集成化制造控制和生产管理系统。数控系统的智能化智能化是制造技术发展的一个大方向。当前数控系统所需要的功能不仅是高性能而且还有许多智能化技术。智能化数控系统研究的目的是使数控系统能充分感知机床所处的工作环境并作出符合工况的优化决策，使机床在智能控制器的指挥下，即使环境不可预知，甚至信息不完整、不确切仍能正常工作。在数控技术领域，随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统、和神经网络的控制机理，其不但有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿和运动参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好，并具有故障诊断专家系统，使得自诊断和故障监控功能更趋完善。数控系统的集成化和模块化采用高度集成化 CPU、RISC 芯片和大规模可编程集成电路及专用集成电路ASIC，可提高数控装置的集成度和软硬件运行速度。当前数控技术的集成化措施主要有：使用更新的 IC 器件、数控装置进行高密度立体安装，以减少占用空间和提高可靠性；使用光缆传递信号，减少铜缆；采用无缆连接，进一步减少数控装置内连接电缆数目。
