面向运动控制的实时同步以太网研究

论文摘要

运动控制技术与网络技术相结合代表着未来运动控制的发展方向。为实现高速高精度平稳运动控制,运动控制网络将进一步向速度更快、抖动更小、容错性更好、传输距离更远和可靠性更高的方向发展。商用以太网以其高速度、低成本、技术成熟等显著特点,在运动控制中有着广阔的应用前景。为此,本文对基于以太网的运动控制网络展开系统研究,并提出了一种基于标准以太网技术的面向运动控制的实时同步以太网。首先研究了运动控制网络的需求和标准以太网用于运动控制的缺点,分析了几种常用工业以太网的实时同步性解决方案及其不足,提出一种基于标准以太网技术的实时同步运动控制网络解决方案。根据ISO/OSI七层模型,建立了实时同步以太网的通信模型,给出了网络拓扑结构。将实时通信和时间同步统一考虑,研究了实时同步以太网实时通信和节点同步的实现方法。在参考以太网帧格式和工业机械电气设备控制与驱动装置实时串行通讯标准的基础上,制定了实时同步以太网的报文结构,规划设计了网络通信时序,并研究了非周期数据的传输机制。结合基于实时同步以太网的电机运动控制卡的设计,论述了实时同步以太网系统中智能网络节点的开发方法,详细介绍了以太网通信模块和电机运动控制模块的电路设计。最后,初步完成了实验平台软件开发,包括上位机网络通信程序和电机运动控制卡的DSP软件。经过实验测试和分析,网络性能可以达到预期要求,验证了该实时同步以太网的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图清单
• 表清单
• 第一章 绪论
• 1.1 运动控制网络综述
• 1.1.1 运动控制系统
• 1.1.2 运动控制网络的概念及特点
• 1.1.3 运动控制网络发展概况
• 1.2 以太网用于运动控制的不足及解决方法
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 基于以太网的运动控制网络实时同步性分析
• 2.1 网络化的多轴运动控制系统
• 2.1.1 网络化多轴运动控制系统的典型结构
• 2.1.2 高性能运动控制的需求
• 2.2 以太网的实时性
• 2.2.1 标准以太网实时性分析
• 2.2.2 以太网实时通信改进方法
• 2.2.3 工业以太网实时性解决方案
• 2.3 以太网的同步性
• 2.3.1 时钟同步技术
• 2.3.2 工业以太网同步性解决方案
• 2.4 本文的解决方案
• 2.4.1 实时同步以太网通信模型
• 2.4.2 拓扑结构
• 2.5 本章小结
• 第三章 实时同步以太网研究
• 3.1 实时通信和同步方法研究
• 3.1.1 实时通信实现
• 3.1.2 节点同步方法
• 3.2 实时同步以太网协议
• 3.2.1 物理层
• 3.2.2 数据链路层
• 3.2.3 应用层
• 3.3 实时同步以太网通信时序
• 3.3.1 报文结构
• 3.3.2 工作时序
• 3.4 非周期性数据传输
• 3.5 系统工作过程
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于实时同步以太网的的电机运动控制卡开发
• 4.1 系统硬件总体规划
• 4.2 以太网接口电路设计
• 4.2.1 DM9000E 芯片简介
• 4.2.2 DM9000E 连接电路图
• 4.2.3 DM9000E 与 FPGA 接口
• 4.3 电机控制模块设计
• 4.3.1 DSP 电路设计
• 4.3.2 数字脉冲输出电路设计
• 4.3.3 编码器接口电路设计
• 4.3.4 输入输出IO 设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 FPGA 内部各功能模块实现
• 5.1 FPGA 设计原则和流程
• 5.2 数据接收模块设计
• 5.3 数据发送模块设计
• 5.4 数据的存储转发设计
• 5.4.1 三端口RAM 模块设计
• 5.4.2 三端口RAM 存储转发实现
• 5.5 编码器接口设计
• 5.6 本章小结
• 第六章 实验平台软件开发与实验验证
• 6.1 实验平台软件开发
• 6.1.1 上位机通信程序开发
• 6.1.2 DSP 软件开发
• 6.2 实验验证
• 6.2.1 可靠性测试与分析
• 6.2.2 偏差测试与分析
• 6.2.3 同步性测试与分析
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文总结
• 7.2 后续工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文