基于SERCOS总线的数控系统高速数字通信技术研究

论文摘要

随着开放式数控和数字伺服技术的发展,如何实现控制单元与交流伺服装置之间的高速数字通信成为运动控制领域面临的关键问题。随着数控系统控制精度和实时性要求日益提高的情况下,模拟接口已经不能满足现代数控技术的要求。本文的研究目的就是将运动控制现场总线SERCOS技术与ARM嵌入式技术结合,应用于满足开放式数控对伺服设备的高速和高精度的控制要求,确保数据传输的实时性和可靠性。本文首先介绍了开放式数控技术及现场总线技术,并详细研究了运动控制总线SERCOS的协议特征和工作原理,分析了其技术优势。然后介绍了SERCOS通讯系统的实现结构,在ARM嵌入式技术的基础上,设计和开发了开放式的SERCOS主、从站通讯卡,并详细介绍了软、硬件开发的关键技术和实现方法。系统主站采用实时操作系统μC/OS-Ⅱ进行任务进程和中断服务的管理,并采用USB总线与PC机进行实时通讯,满足了系统开放性和实时性的要求。从站采用标准的伺服接口嵌入伺服驱动器中,并能够进行实时的指令发送和数据采集。设计中充分考虑了工业环境下对通讯系统的可靠性要求,从原理图到PCB都考虑了电磁兼容技术,完成了高可靠性的硬件电路设计和开发。通过整个系统的实际运行和调试结果,验证了自主设计的基于SERCOS总线通讯系统的软、硬件方案的可行性及各项功能的有效性。最后,对全文作了总结,并根据系统在实际应用中存在的问题,对进一步的工作提出了建议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 开放式数控及伺服接口技术
• 1.1.1 开放式数控技术概述
• 1.1.2 数字伺服技术
• 1.1.3 传统模拟接口的缺点
• 1.2 现场总线技术
• 1.2.1 现场总线技术概述
• 1.2.2 现场总线应用分类
• 1.3 国内外研究现状及发展趋势
• 1.3.1 开放式数控发展概况
• 1.3.2 运动控制总线研究现状
• 1.4 本课题的研究意义和目标
• 1.5 本文的主要研究内容及安排
• 第二章 SERCOS 总线技术研究
• 2.1 SERCOS 总线概述
• 2.1.1 SERCOS 总线技术发展及应用现状
• 2.1.2 SERCOS 总线的技术特性
• 2.2 SERCOS 总线工作原理
• 2.2.1 SERCOS 环路的拓扑结构
• 2.2.2 报文结构
• 2.2.3 服务通道数据传输
• 2.2.4 工作时序
• 2.3 SERCOS 控制器及其相关芯片
• 第三章 SERCOS 通信系统硬件设计
• 3.1 系统总体设计
• 3.1.1 系统功能
• 3.1.2 系统总体结构
• 3.2 主站硬件设计
• 3.2.1 ARM 处理器模块
• 3.2.2 SERCOS 总线接口模块
• 3.2.3 USB 接口模块
• 3.2.4 RS232 接口模块
• 3.3 从站硬件设计
• 3.3.1 开关量I/O 模块
• 3.3.2 脉冲I/O 模块
• 3.3.3 8254 计数模块
• 3.4 PCB 设计技术
• 3.4.1 EMC 设计
• 3.4.2 PCB 常见干扰
• 3.4.3 PCB 设计原则
• 第四章 SERCOS 通信系统软件设计
• 4.1 嵌入式软件开发技术
• 4.1.1 嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ
• 4.1.2 嵌入式软件结构
• 4.1.3 嵌入式软件开发环境
• 4.2 主站软件设计
• 4.2.1 主站任务划分和控制流程
• 4.2.2 主站SERCOS 通讯任务及驱动程序
• 4.3 从站软件设计
• 4.3.1 从站软件控制流程
• 4.3.2 从站接口初始化及驱动程序
• 4.3.3 从站周期通讯及驱动程序
• 4.4 PC 与主站USB 通信软件设计
• 4.4.1 主站USB 通讯任务
• 4.4.2 上位机通讯软件设计
• 4.5 系统运行与调试结果
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 进一步展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的主要研究成果