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四轴雕铣加工中心运动控制系统的研究

作　者: 杨宝鸿
导　师: 王国庆
学　校: 长安大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 运动控制 DSP FPGA 数字积分插补算法
分类号: TG659
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 84次
引　用: 1次
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内容摘要

运动控制器是以中央逻辑单元为核心,以传感器为信号敏感元件,以电机／动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。运动控制技术是数控技术的核心。随着电子技术、计算机技术、传感器技术、控制技术的发展以及市场的需求,智能化、开放化、网络化维护方便的运动控制器已经成为运动控制器发展的一个方向。本论文以四轴雕铣加工中心运动控制系统的需要为基础,在调查研究了国内外运动控制器的发展状况,根据目前市场上主流运动控制器特点,吸收借鉴国外先进运动控制器的优点,提出了基于DSP和FPGA运动控制系统方案。采用数据处理能力强大的DSP做为数据处理核心,DSP编程灵活,芯片内部功能模块丰富,成熟的开发环境使得开放和维护方便。FPGA能够实现通过软件设计硬件电路,使得电路设计更加简单,设计成本更低,修改更方便。本文设计了一款新型、功能强大、开放式、独立的、通用性好的、可独立工作的四轴运动控制器,本文所设计的运动控制器即可独立工作也可与PC机组成“PC+运动控制器”的系统,方式灵活。本论文首先介绍了国内外数控技术的发展状况。研究了运动控制器的发展以及当前市场上主流运动控制器的控制方案,在此基础上提出了本论文的运动控制方案——基于DSP和FPGA运动控制系统设计方案。根据运动控制方案设计了运动控制器的硬件系统。包括主控芯片的配置电路、编码器反馈信号处理电路、输人和输出信号接口电路以及通讯接口设计,尤其是设计了网络通讯接口,并对网络通讯接口进行了测试和验证。其次,研究了数控插补算法,在对比了几种主要数控插补方案后采用数字积分法插补,并进行了数字积分法插补流程设计。针对定点型DSP的特点设计了定点数与浮点数的转换程序,完成定点型DSP的浮点运算。最后,进行了PC端设计,完成了信号检测和再现,验证了系统的可靠性。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-19
  1.1 引言  11
  1.2 运动控制器研究现状和发展趋势  11-17
    1.2.1 国外运动控制器发展状况  11-13
    1.2.2 我国运动控制器发展状况  13-15
    1.2.3 运动控制器的发展趋势  15-17
  1.3 本文研究目的及内容  17-19
    1.3.1 研究目的  17
    1.3.2 研究内容  17-19
第二章系统总体方案  19-24
  2.1 系统总体结构与功能  19-22
    2.1.1 系统总体结构  19
    2.1.2 主控单元  19-21
    2.1.3 通讯接口  21
    2.1.4 网络通讯  21
    2.1.5 通用I/O接口  21-22
    2.1.6 模拟量输出接口  22
    2.1.7 PWM波产生模块  22
    2.1.8 编码器反馈信号接口  22
    2.1.9 显示扩展接口  22
  2.2 系统软件设计  22-23
    2.2.1 浮点运算的定点DSP实现  23
    2.2.2 插补算法  23
    2.2.3 PC端设计  23
  2.3 本章小结  23-24
第三章系统硬件电路设计  24-41
  3.1 DSP硬件电路设计  24-30
    3.1.1 DSP供电电路设计  24-26
    3.1.2 DSP配置电路设计  26
    3.1.3 模拟量输出电路设计  26-27
    3.1.4 数字量输出电路设计  27
    3.1.5 脉冲产生模块设计  27-28
    3.1.6 扩展显示模块接口电路设计  28
    3.1.7 RS-232通讯设计  28-29
    3.1.8 CAN通讯设计  29-30
    3.1.9 SD卡连接电路设计  30
  3.2 网络接口  30-35
    3.2.1 W5100芯片介绍  31-32
    3.2.2 W5100与DSP的通讯  32-33
    3.2.3 TCP/IP协议网络通信  33-35
  3.3 FPGA的硬件电路设计  35-40
    3.3.1 FPGA在运动控制中的作用  36-37
    3.3.2 FPGA供电电路设计  37
    3.3.3 FPGA配置电路设计  37
    3.3.4 编码器模块设计  37-40
  3.4 本章小结  40-41
第四章系统软件设计  41-55
  4.1 定点DSP的浮点运算  41-46
    4.1.1 定点DSP实现浮点运算  41-42
    4.1.2 Q值的确定  42-43
    4.1.3 浮点数的定点化运算程序示例  43-46
  4.2 数控插补算法  46-53
    4.2.1 插补原理  46-47
    4.2.2 数字积分法直线插补  47-50
    4.2.3 数字积分法圆弧插补  50-53
  4.3 本章小结  53-55
第五章 PC端设计  55-65
  5.1 显示系统设计  55-56
  5.2 示波器功能的软件实现基础  56-58
    5.2.1 编程语言介绍  57
    5.2.2 建立虚拟示波器常用的几个控件介绍  57-58
  5.3 绘制图像  58-64
    5.3.1 绘制直线  59-60
    5.3.2 绘制曲线  60
    5.3.3 图像平移  60-61
    5.3.4 创建示波器显示区域坐标轴  61-62
    5.3.5 插值法在显示系统中的应用  62-63
    5.3.6 鼠标触发事件  63-64
    5.3.7 双缓存技术  64
  5.4 本章小结  64-65
全文总结与展望  65-67
参考文献  67-71
致谢  71

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