无论是数控系统还是机器人控制领域,都要求多轴运动控制系统能够实现高精度、高平稳性、高效率的运动控制。一个高性能的运动控制系统需要从许多方面来保证,如高精度的位置传感器,响应快、跟随误差小的控制环路,以及高性能的插补和加减速控制模块。传统的基于步进电机的运动控制器常常采用基于脉冲增量的粗插补、精插补两级插补,通过向多轴不断输出步进脉冲实现运动控制,控制环路为开环设计,没有考虑到步进电机失步的情况,控制精度难以达到微米级。在高精度运动控制系统中,常采用交流永磁同步电机,因为其具有效率高、输出转矩平稳的优点而适用于高精度运动控制系统,且需要采用高精度的位置反馈设计。对于由交流永磁同步电机构成的运动控制系统,其内部为数字式的伺服运动控制系统,控制器直接将位置坐标传递到控制环路的位置环输入端,精插补是通过位置采样实现的,也就是由闭环控制过程本身的特性实现的。首先,本文基于多轴数控铣削加工系统的原理,设计了运动控制器的硬件电路、驱动器选取、运动轴电机的选型。运动控制器硬件电路采用ARM+FPGA的架构设计,ARM用于实现与上位机的数据交换、插补和控制功能;由于ARM不适合实现接口协议、增量式PID控制和数字滤波器模块,因此在硬件电路中增加了FPGA芯片,它具有高度灵活、可并行高速运算的优点,用于弥补ARM微控制器的不足。其次,在FPGA中实现光栅编码器协议、位置速度控制环路和数字滤波器模块。Endat接口是海德汉公司设计用于高精度光栅编码器的接口,将光栅编码器的接口部分通过FPGA实现,避免了不必要的接口转接。在FPGA中设计加减速控制模块、基于抗饱和积分PID控制的位置环路和速度环路,并在位置和速度环路之间设计陷波滤波器,用于滤除机械谐振。再次,针对数字式的伺服运动控制系统需要采用基于时间分割法的直线、圆弧插补方法,然后设计相应的位置采样模块。对于一些复杂的曲面,计算机辅助设计（CAD）常常采用非均匀有理B样条（Non-Uniform Rational B-Spline,NURBS）曲线来描述,如果使用CAM软件用微小直线段逼近NURBS曲线,在微小直线段之间出会出现频繁起停,使得运动不连贯,加工效率低下,且逼近效果较差。因此针对NURBS曲线设计了专门的插补算法实现其插补。最后,对多轴运动控制系统的误差产生的原因和影响因素进行了分析,并通过实验验证了多轴运动控制系统的控制精度符合设计要求。