一种多核嵌入式PLC运动控制系统的研究

论文摘要

作为制造业中的一项重要技术,运动控制系统的发展极大地提高了现代制造业的整体水平。无论在机器人、数控技术领域,还是工业自动化领域,运动控制系统都发挥着不可或缺的作用。就目前发展现状而言,运动控制系统主要有三种形式：CNC运动控制系统、基于PC机的运动控制系统和基于PLC的运动控制模块。不可否认,上述3种控制系统以其各自在精确度、稳定性、开放性等方面上优点,为运动控制技术的发展与进步做出了很大的贡献。然而上述3种方式都没能够较为理想地实现低成本、高性能、高稳定性的有机融合。本文在基于嵌入式PLC的基础上,设计了一种高性能、低成本的多核嵌入式PLC运动控制系统。该嵌入式PLC运动控制系统采用了软硬件协同设计的理念,提出了逻辑与运动分别由两个独立的ARM Cortex-M3处理器实现,系统硬件部分由主控单元、通信单元、运动驱动单元、基本IO单元等模块组成,并实现PLC控制与运动控制统一的梯形图编程平台,为运动控制系统提供了一个性能稳定的硬件平台和便利的开发环境。系统针对单嵌入式处理器在处理逻辑任务的同时,无法较好地胜任复杂的运动控制这一缺陷,提出了一种多核架构6路同步控制与64路IO控制相结合的控制专用系统,弥补了单处理器处理能力的不足。在软件设计部分,本论文首先在对整个系统分析论证的前提下,建立了一个嵌入式PLC软件模型。其次针对所建立的软件模型设计了一系列基于多处理器的运动控制指令,通过多处理器的协调合作,实现了对各类复杂运动控制算法的并行运算,从而提升了整个系统的运动控制性能。最后将运动控制指令内嵌于梯形图中,从而达到了利用梯形图对运动过程进行控制的目的。测试结果表明,本论文所设计的嵌入式PLC运动控制系统不仅成本低廉、集成度高,而且具有较强的可扩展能力,在较大程度上提高了整个系统的稳定性。最后本文结合当今运动控制领域的发展现状,对论文进行了总结与展望,并指出了该控制系统尚需研究和改进的问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外运动控制系统研究现状
• 1.2.1 CNC运动控制系统
• 1.2.2 基于PC机的运动控制系统
• 1.2.3 基于PLC的运动控制模块
• 1.2.4 性能分析
• 1.3 课题研究的主要内容及组织结构
• 第二章 课题相关技术介绍及方案设计
• 2.1 嵌入式PLC技术
• 2.1.1 嵌入式PLC的构成与特点
• 2.1.2 嵌入式PLC通信
• 2.1.3 嵌入式PLC工作方式
• 2.2 运动控制关键技术阐述
• 2.2.1 运动控制系统分析
• 2.2.2 嵌入式运动控制系统结构研究
• 2.2.3 运动控制算法研究
• 2.3 EPLC-MCS系统架构
• 2.4 本章小结
• 第三章 系统硬件设计
• 3.1 EPLC-MCS系统硬件架构
• 3.1.1 嵌入式运动控制系统模型
• 3.1.2 双核EPLC-MCS系统的硬件架构
• 3.2 主控单元
• 3.2.1 ARM处理器介绍
• 3.2.2 主控单元硬件设计
• 3.2.3 双CPU的交互设计
• 3.3 通信单元
• 3.3.1 通信方式分析
• 3.3.2 串口通信设计
• 3.3.3 CAN总线通信设计
• 3.4 运动驱动单元
• 3.4.1 驱动接口设计
• 3.4.2 指令模式选择的实现
• 3.4.3 反馈电路的实现
• 3.5 PCB布局及硬件抗干扰措施
• 3.6 本章小结
• 第四章 EPLC-MCS系统软件设计
• 4.1 系统软件运行流程
• 4.2 内存管理
• 4.3 运动控制指令设计
• 4.3.1 快速停止指令
• 4.3.2 点位运动指令
• 4.3.3 直线加减速运动指令
• 4.3.4 同步运动指令
• 4.3.5 直线插补指令
• 4.3.6 圆弧插补指令
• 4.3.7 Z相定位回零指令
• 4.4 梯形图内嵌运动控制指令
• 4.5 本章小结
• 第五章 EPLC-MCS系统实现与应用
• 5.1 系统实现及测试
• 5.2 系统应用
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 详细摘要