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基于FPGA的机器人多轴运动控制器设计与实验研究

作 者: 周赞
导 师: 李琳; 张爱民
学 校: 华南理工大学
专 业: 机械工程
关键词: FPGA 运动控制 SOPC IP核 自适应插补
分类号: TP242
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
下 载: 48次
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内容摘要


运动控制技术是综合自动控制、计算机控制、传感器等相关技术,对机械传动装置中电机的位置、速度、力矩进行实时控制的技术,是一种多学科的交叉技术,在国民经济和国防建设以及各种高新技术中发挥着重要的作用。目前市面上有不少功能强大的专用运动插补控制芯片,如基于专用芯片为核心部件或基于DSP+FPGA架构的运动控制器等。但这类芯片大都存在功能上无法自由定制,难以升级和重构的问题。随着EDA技术的发展和大规模可编程器件性能的不断提高,SOPC技术也逐步走向成熟,现已广泛应用于各种领域当中。SOPC技术是一项软硬件协同设计技术,它融合了MCU、ASIC、DSP等器件的优点,又具有可编程的灵活性和丰富的IP核支持,为运动控制系统设计提供了一种更为灵活高效的解决方案。运用SOPC技术将系统的主要功能都集中在单片FPGA器件中实现,简化了硬件电路的设计,降低了开发成本,同时使得系统设计周期更短,更易于升级和维护。本文针对当前专用运动控制芯片存在的不足,提出了一种基于可编程片上系统(SOPC)技术的,以Altera公司的飓风系列FPGA芯片为平台的机器人多轴运动控制器设计方案,在该FPGA芯片上实现轨迹插补运算、速度规划、位置控制等主要控制功能。围绕本运动控制卡所要实现的插补控制功能,本文完成的主要工作有:对运动控制插补原理做了深入研究,在硬件电路上,设计并实现了FPGA最小系统板以及运动控制扩展板。在系统软件方面,以插补硬件逻辑IP软核设计为中心实现了插补功能,其各个功能均采用数字化硬件描述语言Verilog HDL进行模块化设计,插补轨迹模块(脉冲发生控制)、编码器反馈模块、模拟量输入输出模块、串口通讯模块等。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-11
第一章 绪论  11-17
  1.1 引言  11
  1.2 研究背景和意义  11-12
  1.3 机器人运动控制器的发展特点及总结  12-14
  1.4 国内外研究现状  14-15
  1.5 课题主要研究内容  15-17
    1.5.1 课题的提出  15
    1.5.2 本文主要研究内容  15-17
第二章 运动控制器总体方案设计  17-22
  2.1 SOPC 及其相关技术介绍  17-19
    2.1.1 SOPC 简介  17-19
  2.2 基于 SOPC 的工业机器人控制器总体框架设计  19-21
    2.2.1 工业机器人运动控制器特点  19
    2.2.2 工业机器人运动控制器总体规划  19-21
  2.3 本章小结  21-22
第三章 运动控制器硬件系统设计  22-34
  3.1 芯片选型  22
  3.2 最小系统板硬件电路设计  22-29
    3.2.1 电源模块  23-24
    3.2.2 时钟和复位模块  24-25
    3.2.3 存储模块  25-26
    3.2.4 配置模块  26-28
    3.2.5 最小系统板 PCB 设计及电磁兼容(EMC)优化  28-29
  3.3 外围扩展模块电路设计  29-33
    3.3.1 电源电路设计  29-30
    3.3.2 A/D、D/A 电路  30-31
    3.3.3 UART 串口通讯电路  31-32
    3.3.4 脉冲输出、编码器输入模块电路  32-33
  3.4 本章小结  33-34
第四章 运动控制器 SOPC 系统设计  34-49
  4.1 SOPC 开发流程  34
  4.2 NIOS II 处理器及其相关外设控制器配置  34-36
  4.3 编码器反馈模块硬件逻辑设计  36-41
  4.4 精插补模块(DDA 插补)硬件逻辑设计  41-42
  4.5 D/A、A/D 控制模块驱动设计  42-45
  4.6 串口通讯模块硬件逻辑设计  45-48
  4.7 本章小结  48-49
第五章 运动控制插补算法研究  49-60
  5.1 插补原理及分类  49-50
  5.2 插补算法中的速度控制  50-51
  5.3 样条参数曲线理论基础  51-55
  5.4 三次参数样条曲线自适应插补算法  55-59
    5.4.1 插补公式推导  55-57
    5.4.2 参数递推预估新插补点  57-58
    5.4.3 弓高误差控制  58
    5.4.4 新插补点的参数校正  58-59
  5.5 本章小结  59-60
第六章 实验  60-71
  6.1 MODELSIM 仿真与结果  61-63
    6.1.1 D/A 模块 ModelSim 仿真与结果  61-62
    6.1.2 DDA 精插补、编码器反馈模块 ModelSim 仿真与结果  62-63
  6.2 实验与结果  63-69
    6.2.1 Nios II IP 软核处理器样条曲线插补结果  63-67
    6.2.2 编码器反馈模块实验验证  67-68
    6.2.3 D/A 模块实验结果  68-69
  6.3 本章小结  69-71
总结与展望  71-73
参考文献  73-76
攻读硕士学位期间取得的研究成果  76-77
致谢  77-78
附件  78

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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