基于DSP和FPGA的三维雕刻机数控系统的研发

论文摘要

数控系统是数控雕刻机的控制核心,其控制功能的强弱、控制性能的优劣直接关系着数控雕刻机的加工质量与加工效率,对整个雕刻机的性价比和市场竞争力都至关重要。本文针对国产数控雕刻机现状和市场需求,研发了基于高性能DSP新型雕刻机数控系统,以提高国产雕刻机数控系统的性价比和市场竞争力,并为雕刻机最终用户改善产品质量、提高生产效率、节约生产成本提供有效手段。在雕刻机控制系统实现上,将数控技术与嵌入式系统的应用有机结合起来,根据雕刻机控制系统的设计需求,确定了数控系统总体设计方案。采用TI公司主推的32位定点数字信号处理器TMS320F2812作为下位机控制系统核心处理单元,并将其与FPGA相结合来取代目前市场上主流的单片机与工控机相结合的联机控制,采用模块化设计思想,根据控制电路分担任务的不同,分模块进行了雕刻机控制系统软硬件详细设计,使得系统设计灵活性和工作可靠性大大提高。在速度控制中,本课题结合了步进电机的转矩-频率特性和微处理器计算能力,提出了抛物线加减速控制方法,合理的利用了微处理器的资源,同时使电机的升、降速过程快而且平稳；在轨迹控制中,对普通数字积分插补算法进行改进,运用了快速数字积分插补算法,使控制器对插补过程的运算效率更高,减小了控制器的运算压力。实际试验证明了本文所提的基于DSP和FPGA的三维雕刻机数控系统设计方案的可行性和可靠性,具有很强的应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 数控雕刻机的概况
• 1.1.1 数控雕刻机的起源
• 1.1.2 数控雕刻机的发展现状
• 1.1.3 数控雕刻机的发展趋势
• 1.2 嵌入式系统的概况
• 1.2.1 嵌入式系统的发展
• 1.2.2 嵌入式系统在工业控制应用上的优势
• 1.3 选题的意义
• 1.4 研究内容及文章结构
• 第2章 系统原理及总体方案设计
• 2.1 系统的工作原理
• 2.2 系统的设计需求
• 2.3 系统的设计原则
• 2.4 系统总体方案
• 2.5 本章小节
• 第3章 加工轨迹和速度控制方法
• 3.1 轨迹控制
• 3.1.1 插补技术
• 3.1.2 插补算法的分类及其特点
• 3.1.3 数字积分法
• 3.1.4 数字积分法的改进和在本系统中的应用
• 3.2 速度控制
• 3.2.1 步进电机的运行特性
• 3.2.2 步进电机的速度规划
• 3.2.3 基于"大S"的速度控制方法
• 3.3 轨迹和速度联合控制实现
• 3.4 本章小节
• 第4章 系统的硬件设计
• 4.1 基于TMS320F2812最小系统的设计
• 4.1.1 DSP芯片TMS320F2812
• 4.1.2 电源电路设计
• 4.1.3 时钟和复位电路设计
• 4.1.4 JTAG调试电路设计
• 4.1.5 存储电路设计
• 4.2 U盘数据通讯的设计
• 4.3 人机界面的设计
• 4.3.1 LCD显示电路设计
• 4.3.2 键盘电路设计
• 4.4 数控系统的硬件抗干扰设计
• 4.4.1 电磁干扰
• 4.4.2 抗干扰措施
• 4.5 本章小节
• 第5章 系统的软件设计
• 5.1 DSP应用程序设计
• 5.2 U盘并口模块的程序设计
• 5.3 人机界面程序设计
• 5.3.1 键盘接口程序设计
• 5.3.2 LCD液晶显示程序设计
• 5.4 FPGA程序设计
• 5.4.1 FPGA简介
• 5.4.2 开发环境
• 5.4.3 输出脉冲模块的设计
• 5.5 软件抗干扰技术
• 5.6 本章小结
• 第6章 加工实例
• 6.1 加工参数
• 6.2 工件效果
• 6.3 本章小节
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文