基于FPGA的交流伺服系统工业以太网接口技术研究及开发

论文摘要

随着交流伺服技术的发展和应用的普及、Ethernet技术的飞速发展以及工业网络控制要求的不断提高,面向工业以太网环境下的交流伺服系统在工业控制中的应用需求将越来越大。本文在深入研究TCP/IP协议栈的基础之上,提出了适合于工业控制的精简TCP/IP协议栈设计方法,并将其与交流伺服控制相结合,利用基于FPGA的可编程嵌入式开发技术,设计开发了带有Ethernet接口的交流伺服控制器。本文在对FPGA、嵌入式技术以及永磁同步交流伺服控制技术的设计思想、设计方法和工作原理研究和分析基础上,完成了带有Ethernet接口的交流伺服控制器总体方案和结构的设计。并在此基础之上完成了系统硬件电路的设计,利用FPGA和Ethernet控制芯片DM9000A以及网线接头HR911105A完成Ethernet接口电路设计,以FPGA和交流伺服控制芯片IRMCK201为核心完成了交流伺服控制电路设计。着重研究了利用FPGA典型开发流程对数码管驱动模块、IRMCK201参数处理模块以及编码器信号处理模块的设计方法,并利用硬件语言仿真软件ModelSim对所设计的模块进行仿真,来排除逻辑错误。详细介绍了Ethernet通信软件和伺服控制软件以及上位机通信界面的设计方法,提出了面向交流伺服控制的精简TCP/IP协议栈的设计思想以及各层协议的定义,完成了DM9000A驱动程序以及上位机通信界面的设计。在完成系统软、硬件设计的基础上,构建了一个带有工业以太网接口的永磁同步交流伺服控制测试平台,对以太网通信、交流伺服控制、控制参数采集、上位机监控等功能进行了测试,实验表明,系统性能达到了设计要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 工业控制网络
• 1.2.1 工业控制网络的发展概况
• 1.2.2 工业控制网络的发展趋势
• 1.2.3 工业以太网技术
• 1.3 交流伺服系统以及工业以太网的研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容及安排
• 第二章 系统的总体架构和硬件电路设计
• 2.1 系统的总体架构
• 2.2 伺服驱动器的内部结构
• 2.3 FPGA 内部架构
• 2.3.1 FPGA 及相关软件简介
• 2.3.2 FPGA 的内部架构
• 2.3.3 FPGA 设计方案
• 2.4 硬件电路设计
• 2.4.1 FPGA 最小系统电路
• 2.4.2 IRMCK201 电路
• 2.4.3 以太网接口电路
• 2.4.4 外围电路
• 2.5 本章小结
• 第三章 各功能模块的设计和仿真
• 3.1 数码管驱动模块的设计和功能仿真
• 3.1.1 功能模块设计
• 3.1.2 功能模块仿真
• 3.2 IRMCK201 参数配置模块的设计
• 3.2.1 IRMCK201 内部寄存器简介
• 3.2.2 功能模块设计
• 3.3 编码器信号处理模块设计和功能仿真
• 3.3.1 编码器原理简介
• 3.3.2 功能模块设计
• 3.3.3 功能模块仿真
• 3.4 本章小结
• 第四章 软件设计
• 4.1 软件运行环境简介
• 4.2 主程序设计
• 4.3 网络通信软件设计
• 4.3.1 TCP/IP 协议简介
• 4.3.2 精简TCP/IP 协议栈设计思想
• 4.3.3 网络接口层设计
• 4.3.4 网际层设计
• 4.3.5 传输层设计
• 4.3.6 应用层设计
• 4.4 伺服控制软件设计
• 4.4.1 控制模式
• 4.4.2 位置环设计
• 4.5 上位机软件设计
• 4.5.1 Windows Sockets 简介
• 4.5.2 上位机监控界面设计
• 4.6 本章小结
• 第五章 系统测试
• 5.1 测试平台搭建
• 5.2 系统功能测试
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文