基于ARM微处理器与DSP运动控制芯片的嵌入式多轴运动控制器的研究

论文摘要

近年来,随着通用运动控制技术的不断进步和完善,运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品,已经被越来越多的产业领域接受,并且它已经达到了一个引人瞩目的市场规模。运动控制起源于早期的伺服控制。简单地说,运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理,使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。随着科学技术和现代工业的发展,在工程自动控制系统中,系统变得越来越复杂,不仅需要多个变量来描述一个系统,而且常常需要同时控制多个变量。运动控制技术在工业控制等领域有着广泛的应用,各种基于PC机的控制器发展非常迅速。本文提出了一种基于ARM微处理器为核心的嵌入式多轴运动控制器。无轴传动技术为各种多轴设备的传动提供了新的解决方案。控制器是无轴传动系统的核心,它为系统功能的实现提供了硬件平台。无轴传动控制器要实现多伺服电机的同步运动控制,也要结合设备生产过程的特点实现一些过程控制。自主开发无轴传动控制器,掌握无轴传动的核心技术,能够提高国产无轴传动设备的竞争力。无轴传动控制器的设计借鉴通用运动控制器的设计方案,采用ARM+DSP运动控制芯片为核心结构。课题的重点在于硬件的设计,保证逻辑和时序的正确,完成控制器的测试,实现无轴传动的基本功能,并成功应用到印刷机中。课题的主要研究内容:（1）分析无轴传动系统架构和关键技术。（2）分析无轴传动控制器的硬件实现形式,并研制用于无轴传动系统的运动控制器。此控制器可以实现基本的多轴同步运动控制,并为设备的过程控制提供硬件平台。控制器功能的完备、性能的稳定和可扩展性是研制的重点。（3）开发控制器的驱动、功能函数和参数化的监控软件。（4）实验验证。用自主研发的运动控制器取代国外无轴传动控制器。验证控制器的同步控制能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• Contents
• 第一章 绪论
• 1.1 运动控制概述
• 1.2 运动控制器在我国的应用和发展
• 1.3 课题研究的意义
• 第二章 多轴控制器的总体设计
• 2.1 同步控制策略
• 2.1.1 电子齿轮同步结构
• 2.1.2 电子齿轮传动精度分析
• 2.1.3 电子齿轮结构形式的比较
• 2.2 多轴控制器架构选择
• 2.2.1 串行控制方式
• 2.2.2 并行控制方式
• 2.3 几种控制方案的比较及选择
• 2.4 系统总体方案
• 第三章 硬件设计
• 3.1 系统硬件总体框图
• 3.2 电源及系统时钟电路
• 3.2.1 电源部分
• 3.2.2 系统时钟电路
• 3.3 微处理器部分
• 3.3.1 嵌入式微处理器ARM
• 3.3.2 微控制器S3C44B0X的原理及特点
• 3.4 专用运动控制芯片
• 3.4.1 运动控制芯片MCX314AS性能指标
• 3.4.2 运动控制芯片MCX314AS的寄存器
• 3.4.3 运动控制芯片MCX314AS的各种命令
• 3.4.4 运动控制芯片MCX314AS功能分析
• 3.5 使用CPLD实现系统时序逻辑控制
• 3.5.1 可编程逻辑器件CPLD
• 3.5.2 系统时序及逻辑控制的实现
• 3.6 存储器的扩展
• 3.7 看门狗及硬件加密电路
• 3.7.1 看门狗电路
• 3.7.2 硬件加密电路
• 3.8 接口电路设计
• 3.8.1 脉冲输出接口电路
• 3.8.2 通用IO端口设计
• 3.8.3 软启动电路
• 3.9 通讯电路设计
• 第四章 软件设计
• 4.1 系统软件结构框图
• 4.2 系统软件的模块化设计
• 4.2.1 MCX314AS初始化代码
• 4.4.2 系统主循环的实现
• 4.4.3 实时中断的实现
• 4.4.4 定时器功能的实现
• 第五章 伺服系统的动静态特性及控制
• 5.1 伺服系统的数学模型
• 5.2 伺服系统控制策略
• 5.2.1 伺服系统稳态控制策略
• 5.2.2 伺服系统动态控制策略
• 第六章 多轴控制器的调试及应用
• 6.1 多轴控制器的调试及性能比较
• 6.1.1 多轴控制器调试
• 6.1.2 多轴控制器与国外同类产品的比较
• 6.2 多轴控制系统的干扰分析
• 6.2.1 干扰来源
• 6.2.2 抗干扰措施
• 6.3 多轴控制系统在印刷行业的应用
• 结论
• 1. 主要工作总结
• 2. 有待进一步改进的问题
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢
• 参考文献