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基于SOPC的最小偏差运动控制器的研究

作　者: 钟健男
导　师: 李兰英
学　校: 哈尔滨理工大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 运动控制器 现场可编程门阵列 最小偏差算法
分类号: TN47
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


运动控制就是利用某种技术,使机械设备按照一定的方式来完成某种指定轨迹的运动,而运动控制器就是对设备发出指令的器件。一般来说,运动控制器主要发出电机的控制信号,使电机按照预设的方式运转。早期的运动控制器采用模拟控制,如普通的机械式机床,这类控制器的精度低、速度慢、不可编程;现在的运动控制器已全面实现数字化,弥补了模拟运动控制器的不足。本文所设计的运动控制器采用SOPC(可编程片上系统)技术,在一片FPGA(现场可编程门阵列)芯片上实现一个完全的硬件系统,并且可以任意改写其芯片内部硬件逻辑,具有硬件可编程性。首先,选择合适的插补算法,使运动控制器能够输出直线插补信号和圆弧插补信号,利用这两种插补算法的组合可完成任意轨迹的绘制,目前运动控制器插补算法的实现主要有逐点比较法、数字积分法和最小偏差法,本文选用最小偏差法来实现运动控制器,并对最小偏差算法进行了改进,具有精度高、能实现直线、圆弧插补的优点。其次,用硬件来实现最小偏差算法,在FPGA芯片上形成一个运动控制器的IP核,并将实现的运动控制器IP核与Xilinx系列FPGA内嵌的PowerPC 405处理器及其它外设相连接,并移植Linux操作系统和编写应用层控制程序,使之成为一个SOPC系统,兼具硬件及软件可编程性。最后,待IP核各子模块设计完毕后,分析其各子模块的硬件逻辑,得出驱动方程、状态方程或真值表,来验证硬件逻辑的正确性;待IP核设计完毕后,利用ModelSim仿真软件对IP核输出的步进电机控制信号进行仿真,以验证IP核设计的正确性;在软件编写完成后,利用串口输出和开发板上LED灯的亮灭情况来验证软件系统的正确性。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章 绪论  10-15
  1.1 课题研究的目的和意义  10-11
  1.2 运动控制器控制技术的研究现状  11-13
    1.2.1 国外研究现状  11-12
    1.2.2 国内研究现状  12-13
  1.3 基于FPGA 的运动控制系统设计的前景  13
  1.4 本课题研究的主要内容  13-15
第2章 相关技术概述  15-22
  2.1 运动控制系统概述  15-16
  2.2 SOPC 片上系统  16-17
    2.2.1 SOPC 技术  16-17
  2.3 现场可编程门阵列（FPGA）  17-19
    2.3.1 FPGA 概述  17
    2.3.2 FPGA 的基本结构  17-19
  2.4 系统开发环境和系统开发流程  19-21
    2.4.1 系统开发环境  19-20
    2.4.2 ISE 工程设计流程  20-21
  2.5 本章小结  21-22
第3章 插补算法的分析与改进  22-27
  3.1 插补算法  22
  3.2 最小偏差插补算法原理  22-26
    3.2.1 最小偏差法直线插补原理分析  22-24
    3.2.2 最小偏差法圆弧插补算法分析  24-25
    3.2.3 对最小偏差直线插补算法的改进  25-26
  3.3 本章小结  26-27
第4章 运动控制器控制系统设计与实现  27-48
  4.1 硬件系统设计  27-28
    4.1.1 硬件系统总体设计  27-28
  4.2 软件系统设计  28-30
    4.2.1 软件系统开发流程  28-30
  4.3 运动控制器硬件系统的实现  30-39
    4.3.1 运动控制系统开发平台  30-31
    4.3.2 运动控制器IP 的实现  31-37
    4.3.3 硬件系统实现  37-39
  4.4 运动控制器软件系统的实现  39-47
    4.4.1 交叉开发环境的建立  39
    4.4.2 Bootloader 移植  39-41
    4.4.3 Linux 系统移植  41-43
    4.4.4 驱动程序设计  43-47
  4.5 本章小结  47-48
第5章 运动控制器控制系统的仿真及验证  48-55
  5.1 运动控制器IP 核主要逻辑部件分析  48-52
    5.1.1 微指令发生器的分析  48-49
    5.1.2 寄存器组的分析  49-50
    5.1.3 卦限选择器的分析  50-51
    5.1.4 插补计算模块的分析  51-52
  5.2 运动控制器仿真结果分析  52-53
  5.3 Linux 系统移植及驱动程序验证  53-54
  5.4 本章小结  54-55
结论  55-56
参考文献  56-59
攻读硕士学位期间发表的学术论文  59-60
致谢  60

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 微电子学、集成电路（IC） > 大规模集成电路、超大规模集成电路
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