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目前,主流的开放式运动控制系统都是采用“PC+运动控制器”的结构形式,该类运动控制器的通信总线以PCI(外设部件互连标准)为主,但是由于PCI设备安装不便,并且笔记本电脑不具备PCI总线接口,所以需要一种新的高速通信接口替代PCI总线。2008底,新推出的USB3.0协议已高达5Gbps,另一方面,具备USB3.0接口笔记本正逐步占领PC市场,这为开发基于USB总线的低成本、高性能、便携式的运动控制器创造了条件。因此,本文在对运动控制技术进行深入研究的基础上,开发了基于USB3.0通信、以FPGA(现场可编程门阵列)为主控芯片的开放式运动控制器,并根据电火花线切割机床的伺服控制需求进行了运动控制器的应用研究与功能测试,具体工作如下:(1)在对传统运动控制器硬件和软件结构形式进行系统分析的基础上,针对通用运动控制系统的功能与性能需求,提出了基于USB3.0与FPGA运动控制器的硬件软件总体设计方案,该运动控制器具有粗精两级插补结构。(2)以控制电路板中关键集成电路芯片的选型分析为基础,用模块化的设计方式,使用Altium Designer对FPGA最小系统、CYUSB3014最小系统以及电机驱动接口、编码器信号反馈处理接口等运动控制器外围接口电路模块进行原理图设计,完成了运动控制器的PCB制作、元器件焊接与电路调试。(3)从系统集成的角度出发,在FPGA芯片EP3C40F484平台上,通过编程设计实现了DDA精插补、编码器倍频鉴向、双端口RAM等电路模块,并将各模块通过SOPC(可编程片上系统)的方式进行系统集成。(4)基于USB3.0外设控制器CYUSB3014的芯片特点以及USB3.0通信协议,研究开发了具有数据传输差错控制与双向数据传输功能的高实时性运动控制协议,设计了CYUSB3014的UART通道,用来传输方向控制指令,并开发了USB3.0驱动、粗插补控制算法、运动控制器的主控函数以及改进PID控制算法等程序。(5)根据电火花线切割机床的伺服控制需求进行了运动控制器的应用研究,设计了控制器应用的开发流程、硬件接线方式与软件开发架构,搭建了基本的电火花线切割伺服控制原型系统,完成了三次B样条曲线轮廓线切割控制实验,验证了编码器接口电路、数字IO、模拟量输入、多轴轨迹插补等各个功能模块的正确性。