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基于ARM+CPLD的高速运动控制器的开发和应用

2020-12-06阅读(552)

基于ARM+CPLD的高速运动控制器的开发和应用

论文摘要

目前运动控制主要有两种实现方式,一是使用PLC加运动控制模块来实现;二是使用PC加运动控制卡来实现。两者各有优缺点,但两者有以下共同的缺点:一是由于它们几乎都是采用通用微控制器（MCU和DSP）来实现电机控制,由于受CPU速度的限制,以及CPU的多个进程同时处理,故无法在控制精度和控制速度比较高的场合中应用。二是它们的设计只是把运动控制部件当作系统的一个部分,如果要完成一个机械设备的完整控制,还需要辅助有其他的数字量/模拟量控制设备。这样在提高了系统成本的同时,也降低了系统的可靠性。论文设计了一种基于ARM+CPLD的高速运动控制器,该控制器采用高速的CPLD处理器来完成电机的闭环控制,辅助以NXP的32位ARM7TDMI处理器LPC231X来实现复杂的运动规划,使得运动控制精度更高、速度更快、运动更加平稳;同时为系统扩展了常规运动控制卡不具备的通用I/O接口,除开4轴运动控制所需要的8点高速脉冲输入和8点高速脉冲输出外,系统具有24点数字量输入（可选共阴或共阳）,25点继电器输出,仅一台这样的专用设备就可以完成4轴运动控制和设备上其它开关量控制。系统采用可移植的软、硬件设计。硬件上以运动控制部件为核心,可以方便的在ARM处理器预留的资源上扩展出数字输入,数字输出,AD输入,DA输出等常用功能模块。系统软件构架如下:在最上层,系统采用μC/OS-Ⅱ操作系统来完成系统任务调度;在底层,将底层设备的操作打包编写成底层驱动的形式,可直接供用户程序调用;在中间层,可根据不同的用户要求编写用户程序,再将其传递给μC/OS-Ⅱ来调度该用户程序。将该运动控制器应用于工业应用中的套标机,在对套标机进行运动分解之后,结合套标机的电气特性,很好的实现了运动控制器在套标机上的二次开发,满足了套标机在现场中的应用。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 项目提出及背景意义
  • 1.2 国内外研究现状
  • 1.2.1 运动控制器的发展历史
  • 1.2.2 运动控制器的发展现状
  • 1.2.3 运动控制器的发展趋势
  • 1.3 论文主要研究内容
  • 第二章 运动控制器总体方案设计
  • 2.1 运动控制系统
  • 2.2 执行电机及其控制
  • 2.2.1 步进电机
  • 2.2.2 直流伺服电机及其控制
  • 2.2.3 交流伺服电机及其控制
  • 2.3 位置控制系统
  • 2.3.1 位置伺服控制模型
  • 2.3.2 运动控制器的控制策略
  • 2.3.3 步进电机运动控制器
  • 2.3.4 伺服电机系统的运动控制器
  • 2.4 运动控制器构成方案比较
  • 2.4.1 基于 PLC的运动控制
  • 2.4.2 基于 PC+运动控制卡的运动控制
  • 2.4.3 基于ARM+CPLD的运动控制
  • 2.5 运动控制方案实现
  • 2.5.1 高速脉冲的发生
  • 2.5.2 高速计数/频率检测
  • 2.5.3 数据处理和通信控制
  • 2.6 本章小结
  • 第三章 电机高速闭环控制设计
  • 3.1 高速脉冲控制的原理和实现
  • 3.1.1 高速脉冲的硬件实现
  • 3.1.2 高速计数/频率检测原理和实现
  • 3.1.3 频率检测原理
  • 3.2 CPLD功能的Verilog HDL实现
  • 3.2.1 CPLD在运动控制技术应用中的特点
  • 3.2.2 Verilog语言的特点和主要功能
  • 3.2.3 CPLD的功能实现
  • 3.3 本章小结
  • 第四章 运算控制系统硬件设计
  • 4.1 ARM系统相关硬件
  • 4.1.1 LPC213X的编程电路
  • 4.1.2 ARM复位电路
  • 4.1.3 LPC213X时钟电路
  • 4.1.4 RTC电路
  • 4.1.5 RS232接口电路
  • 4.2 CPLD最小系统设计
  • 4.2.1 GCLR接口
  • 4.2.2 ARM与 CPLD接口
  • 4.3 其他硬件电路的设计
  • 4.3.1 系统电源
  • 4.3.2 高速脉冲输出电路
  • 4.3.3 高速信号输入电路
  • 4.3.4 继电器输出控制电路
  • 4.3.5 数字量输入电路
  • 4.3.6 RS485通信
  • 4.4 系统抗干扰设计
  • 4.4.1 光电隔离
  • 4.4.2 信号滤波和钳位
  • 4.5 本章小结
  • 第五章 μC/OS-Ⅱ操作系统的移植
  • 5.1 μC/OS-Ⅱ操作系统
  • 5.1.1 μC/OS-Ⅱ操作系统简介
  • 5.1.2 μC/OS-Ⅱ的工作原理
  • 5.1.3 使用μC/OS-Ⅱ应注意的问题
  • 5.2 移植规划
  • 5.2.1 编译器的选择
  • 5.2.2 任务模式的取舍
  • 5.2.3 支持的指令集
  • 5.3 移植μC/OS-Ⅱ
  • 5.3.1 概述
  • 5.3.2 关于头文件includes.h和config.h
  • CPU.H等与CPU相关的文件'>5.3.3 编写OSCPU.H等与CPU相关的文件
  • c.c文件'>5.3.4 编写Os.cpuc.c文件
  • 5.3.5 关于中断与时钟节拍
  • 5.3.6 编写应用程序
  • 5.4 运动控制器软件设计
  • 5.4.1 系统底层应用的编写
  • 5.5 本章小结
  • 第六章 运动控制器在套标机上的应用
  • 6.1 套标机工作原理
  • 6.2 套标机运动控制分解
  • 6.3 相关电气设计
  • 6.4 应用软件编写
  • 6.5 本章小结
  • 第七章 研究总结与展望
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间的研究成果
  • 致谢
  • 附录Ⅰ 运动控制器实物
  • 附录Ⅱ 主控板顶层丝印图
  • 附录Ⅲ 主控板顶层铜箔图
  • 附录Ⅳ 主控板底层铜箔图
  • 附录Ⅴ 驱动板顶层丝印层
  • 附录Ⅵ 驱动板顶层铜箔图
  • 附录Ⅶ 驱动板底层铜箔图

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