發(fā)布時(shí)間：2017-08-25 13:27

  本文關(guān)鍵詞：EtherCAT總線式多軸運(yùn)動(dòng)控制器開(kāi)發(fā)

  更多相關(guān)文章： ARM EtherCAT 多軸 運(yùn)動(dòng)控制 FPGA 插補(bǔ)算法

【摘要】：運(yùn)動(dòng)控制器是數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精密運(yùn)動(dòng)控制的核心,是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵設(shè)備。隨著電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速進(jìn)步,具有開(kāi)源性、開(kāi)放性和快速性的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。因此,傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制器已不能滿足現(xiàn)代化制造的發(fā)展需求。基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是當(dāng)前工業(yè)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向之一。本文針對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了研究,以EtherCAT通信技術(shù)為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了一種基于ARM和FPGA雙核的EtherCAT總線式多軸運(yùn)動(dòng)控制器,并提出了總體設(shè)計(jì)方案,重點(diǎn)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制器的硬件和軟件。在硬件設(shè)計(jì)上,本文選用了ST公司推出的ARM芯片-STM32F407ZGT作為核心處理器,以Altera公司的CycloneⅣ系列FPGA芯片-EP4CE10E22C8為協(xié)處理器。采用倍福公司的ET1200芯片作為從站EtherCAT總線通信鏈路層,實(shí)現(xiàn)PC機(jī)主站與從站運(yùn)動(dòng)控制器的通信功能。此外,本文詳細(xì)分析和設(shè)計(jì)了各個(gè)主芯片的外圍接口電路、運(yùn)動(dòng)控制模塊和電源模塊等電路�；诒鞠到y(tǒng)的硬件架構(gòu),設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)控制器的控制程序軟件結(jié)構(gòu)。采用C語(yǔ)言,在ARM芯片中嵌入了μ/OS-Ⅱ操作系統(tǒng),開(kāi)發(fā)了EtherCAT從站驅(qū)動(dòng),并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的指令解析程序。在QuartusⅡ開(kāi)發(fā)環(huán)境下,使用Verilog HDL編程語(yǔ)言,對(duì)位置控制模塊、S型速度規(guī)劃模塊和插補(bǔ)模塊等運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行了研究和開(kāi)發(fā)。在硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,完成了PCB板的繪制和加工,制作了控制器樣機(jī)。搭建多軸運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái),開(kāi)發(fā)上位機(jī)硬件調(diào)試軟件并驗(yàn)證了硬件各個(gè)模塊功能。設(shè)計(jì)了PC機(jī)主站,完成了EtherCAT通信、點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制、多軸運(yùn)動(dòng)控制、S型速度規(guī)劃和插補(bǔ)等實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo),為進(jìn)一步的研究工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：ARM EtherCAT 多軸 運(yùn)動(dòng)控制 FPGA 插補(bǔ)算法
【學(xué)位授予單位】：北方工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TG659
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第一章 緒論9-15
• 1.1 課題研究背景9-10
• 1.2 運(yùn)動(dòng)控制器概述10-12
• 1.2.1 運(yùn)動(dòng)控制器概念10-11
• 1.2.2 運(yùn)動(dòng)控制器國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀11-12
• 1.3 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)12-14
• 1.3.1 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀12-13
• 1.3.2 EtherCAT技術(shù)研究現(xiàn)狀13-14
• 1.4 課題來(lái)源以及研究?jī)?nèi)容14
• 1.5 本章小結(jié)14-15
• 第二章 運(yùn)動(dòng)控制器總體設(shè)計(jì)方案15-26
• 2.1 EtherCAT協(xié)議及相關(guān)理論15-19
• 2.1.1 EtherCAT簡(jiǎn)介15
• 2.1.2 EtherCAT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)15-16
• 2.1.3 EtherCAT數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)16-17
• 2.1.4 EtherCAT主站尋址方式17-18
• 2.1.5 EtherCAT從站數(shù)據(jù)傳輸18-19
• 2.2 運(yùn)動(dòng)控制器工作原理以及總體方案19-21
• 2.2.1 運(yùn)動(dòng)控制器方案選型19-20
• 2.2.2 運(yùn)動(dòng)控制器的功能指標(biāo)20-21
• 2.3 運(yùn)動(dòng)控制器架構(gòu)設(shè)計(jì)21-24
• 2.3.1 EtherCAT從站控制器芯片選型21-22
• 2.3.2 主要芯片選型22-24
• 2.4 運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)流程24-25
• 2.5 本章小結(jié)25-26
• 第三章 運(yùn)動(dòng)控制器硬件設(shè)計(jì)26-44
• 3.1 EtherCAT通信電路設(shè)計(jì)26-30
• 3.1.1 數(shù)據(jù)鏈路層電路設(shè)計(jì)27-29
• 3.1.2 物理層電路設(shè)計(jì)29-30
• 3.2 ARM模塊電路設(shè)計(jì)30-36
• 3.2.1 ARM芯片配置電路31-32
• 3.2.2 JTAG調(diào)試接口32-33
• 3.2.3 RS232串口33-34
• 3.2.4 存儲(chǔ)模塊電路34-35
• 3.2.5 EtherCAT接口電路35-36
• 3.3 FPGA模塊電路設(shè)計(jì)36-40
• 3.3.1 配置電路36-37
• 3.3.2 JTAG調(diào)試與AS配置電路37-38
• 3.3.3 脈沖輸出模塊38-39
• 3.3.4 通用I/O接口電路39
• 3.3.5 編碼器輸入模塊39-40
• 3.4 雙核通信電路40-41
• 3.5 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)41-42
• 3.6 PCB板設(shè)計(jì)42-43
• 3.7 本章小結(jié)43-44
• 第四章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)44-63
• 4.1 控制系統(tǒng)軟件解決方案44-45
• 4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)45-47
• 4.2.1 EtherCAT主站設(shè)計(jì)45-47
• 4.2.2 測(cè)試軟件設(shè)計(jì)47
• 4.3 ARM軟件設(shè)計(jì)47-54
• 4.3.1 操作系統(tǒng)與主函數(shù)48-50
• 4.3.2 從站EtherCAT總線通信程序50-52
• 4.3.3 運(yùn)動(dòng)指令控制程序52-54
• 4.4 FPGA軟件設(shè)計(jì)54-62
• 4.4.1 數(shù)字積分法基本原理54-56
• 4.4.2 DDA插補(bǔ)程序56-60
• 4.4.3 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃程序60-61
• 4.4.4 點(diǎn)位控制程序61-62
• 4.4.5 FPGA程序頂層設(shè)計(jì)62
• 4.5 本章小結(jié)62-63
• 第五章 運(yùn)動(dòng)控制器功能測(cè)試63-74
• 5.1 測(cè)試平臺(tái)搭建63-65
• 5.1.1 電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器介紹63-64
• 5.1.2 平臺(tái)搭建64-65
• 5.2 運(yùn)動(dòng)控制器功能測(cè)試與分析65-73
• 5.2.1 EtherCAT總線通信實(shí)驗(yàn)66-67
• 5.2.2 單軸點(diǎn)位控制實(shí)驗(yàn)67-69
• 5.2.3 四軸運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)69-70
• 5.2.4 速度規(guī)劃實(shí)驗(yàn)70-71
• 5.2.5 插補(bǔ)實(shí)驗(yàn)71-73
• 5.3 本章小結(jié)73-74
• 結(jié)論與展望74-76
• 結(jié)論74-75
• 展望75-76
• 參考文獻(xiàn)76-79
• 在學(xué)期間的研究成果79-80
• 致謝80

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