基于DSP和FPGA的四轴运动控制卡的研究与开发

论文摘要

随着微电子技术、自动控制技术和计算机技术的发展,运动控制系统不断地向着高速度、高精度、智能化、微型化和通用化的方向发展。目前,以PC机为平台,以数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)为控制核心的运动控制卡已成为运动控制器的发展主流。它结合了PC机强大的信息处理能力和运动控制卡的运动控制能力,具有信息处理能力强、通用性好、开放程度高、运动控制性能强的特点。本文在对基于不同硬件平台的运动控制器进行对比的基础上,通过对运动控制技术的深入研究,设计并开发了一款基于DSP和FPGA的带PCI总线接口的四轴运动控制卡,并对其性能开展了测试工作。首先,规划了四轴运动控制卡的硬软件整体实施方案,然后对板卡硬件电路的设计进行了详细讨论,包括DSP及其外围电路、FPGA外围电路、PCI总线接口电路、外围扩展器件电路、外围接口电路等等。为了使板卡集成度高、性能稳定可靠,本设计将PCI总线控制器、硬件精插补器、编码器反馈信号处理电路、I/0信号处理电路、位置计数器和双口RAM及其控制器电路等功能模块均使用单片FPGA来进行硬件实现。另外,本设计在DSP中用C语言来分别实现了基于数字积分法的三轴直线插补算法和两轴圆弧插补算法、S形速度控制算法、梯形速度控制算法以及位置误差补偿,以提高板卡的控制精度。使用WinDriver工具开发了运动控制卡的PCI总线硬件驱动程序,并在Visual Basic环境下编写了PC上位机用户软件。最后,在完成了板卡软硬件联调的情况下,将本四轴运动控制卡用于控制松下伺服电机,试验结果验证了本四轴运动控制卡的正确性及可应用性,达到了预期要求。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 数控系统的发展及现状
• 1.3 运动控制器的发展及研究现状
• 1.3.1 运动控制器的发展
• 1.3.2 运动控制器的现状
• 1.4 本课题研究目的及内容
• 1.4.1 课题研究目的
• 1.4.2 课题研究内容
• 第2章 板卡总体方案设计
• 2.1 四轴运动控制卡技术指标
• 2.2 运动控制卡硬件平台总体方案
• 2.2.1 主控单元
• 2.2.2 主机通信接口
• 2.2.3 外围接口设计
• 2.3 运动控制卡软件平台总体方案
• 2.4 本章小结
• 第3章 运动控制卡硬件设计方案
• 3.1 DSP及其外围电路设计
• 3.1.1 DSP电源电路设计
• 3.1.2 DSP电源监控和复位电路
• 3.1.3 JTAG接口电路
• 3.1.4 DSP外围总线地址映射
• 3.2 FPGA外围电路设计
• 3.2.1 FPGA电源设计
• 3.2.2 FPGA配置设计
• 3.3 PCI接口电路设计
• 3.3.1 PCI接口电平转换
• 3.3.2 PCI连接器设计注意事项
• 3.4 外围接口电路设计
• 3.4.1 差分脉冲输出电路
• 3.4.2 编码器输入电路
• 3.4.3 普通I/O接口电路
• 3.5 板卡硬件实现及其注意事项
• 3.5.1 四层PCB板设计
• 3.5.2 系统电磁兼容性（EMC）考虑
• 3.5.3 运动控制卡的硬件实现
• 3.6 本章小结
• 第4章 FPGA内部模块设计
• 4.1 FPGA内部模块总述
• 4.2 运动控制功能模块设计
• 4.2.1 状态和命令控制寄存器
• 4.2.2 硬件精插补模块设计
• 4.2.3 编码器反馈模块设计
• 4.2.4 特殊I/O模块设计
• 4.2.5 位置计数器设计
• 4.3 PCI总线控制器设计
• 4.3.1 设计目标
• 4.3.2 PCI总线结构简化
• 4.3.4 PCI总线目标控制器的FPGA实现
• 4.3.5 PCI总线控目标制器时序仿真
• 4.4 双口RAM模块设计
• 4.4.1 双口RAM设计
• 4.4.2 双口RAM中断防冲突设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 运动控制算法研究
• 5.1 轨迹规划算法研究
• 5.1.1 时间分割法介绍
• 5.1.2 直线插补算法
• 5.1.3 圆弧插补算法
• 5.1.4 圆弧插补位置误差校正
• 5.2 速度控制算法
• 5.2.1 梯形速度控制算法
• 5.2.2 S形速度控制算法原理
• 5.2.3 S形曲线速度控制讨论
• 5.2.4 编码器反馈速度计算
• 5.3 本章小结
• 第6章 运动控制卡软件设计
• 6.1 数据通信格式设计
• 6.1.1 双口RAM存储空间分配
• 6.1.2 通信命令设计
• 6.2 用户界面设计
• 6.3 DSP程序设计
• 6.3.1 DSP主程序模块
• 6.3.2 DSP与双口RAM通信模块
• 6.3.3 算法实现程序模块
• 6.4 本章小结
• 第7章 运动控制卡的调试与试验分析
• 7.1 板卡硬软件调试
• 7.2 PCI硬件驱动开发
• 7.2.1 WinDriver简介
• 7.2.3 PCI硬件驱动的开发
• 7.3 运动控制卡试验及结果分析
• 7.3.1 圆弧插补S形速度试验
• 7.3.2 直线插补梯形变速试验
• 7.4 本章小结
• 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 四轴运动控制卡实物图片
• 攻读硕士学位期间发表论文