多轴运动控制系统设计

论文摘要

随着现代制造技术的迅速发展,三坐标测量机正逐渐成为制造业特别是自动化生产中实现质量控制的主导设备。运动控制系统作为三坐标测量机的运动控制部分,对三坐标测量机的运行及测量有着非常重要的作用。为了保证三坐标测量机电机运行,需要有一个能够实现多轴运动的控制系统。这个系统需要实现对各运行轴运动的控制,并且能够处理一些突发事件,保证三坐标测量机的安全运行。本文在分析了现有运动控制系统的基础上,根据被控对象的特点和实际要求,设计了一种三坐标测量机多轴电机运动控制系统,制作了控制系统硬件电路,编写了基于Verilog HDL语言的FPGA硬件程序,应用KeilC语言编写了单片机软件程序。实现了多轴电机运动控制系统控制电机按照规定指令安全运行的功能,并且位置运行精度达到了3个脉冲。最后实验证了电机运行的控制精度在3个脉冲之内,证实系统实现了既定要求。本论文的主要内容有:首先第一章分析了三坐标测量机及其运动控制系统的发展情况,并且介绍了目前运动控制器的特点和发展情况。然后介绍了几种比较常见的运动控制器,分析了它们的优缺点。根据分析内容确定本系统设计所要实现的最终目标。第二章首先分析了多轴运动控制系统的硬件组成和特点,根据分析设计了电机控制板硬件电路。本章重点分析了电机控制板电路各模块需要实现的功能以及功能的实现,对芯片的选型也作了介绍。第三章介绍了硬件FPGA程序的编写和单片机程序的编写。介绍了FPGA中几个重要模块的程序实现过程,并且利用仿真波形和实际输出波形图验证了各模块程序的最终实现结果。接下来介绍了单片机程序实现速度、位置控制和PID控制器,并且根据各部分程序绘制了流程图。第四章主要是介绍进行的电机运行精度实验,并且分析实验结果。实验验证了控制系统的运行精度和稳定性。最后一章是对工作内容进行的总结,并且分析了系统中存在的问题,对下一步课题的发展提出了几点建议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 三坐标测量机简介
• 1.2 三坐标测量机运动控制系统简介
• 1.2.1 三坐标测量机运动控制系统特点
• 1.2.2 三坐标测量机运动控制技术现状
• 1.2.3 运动控制器介绍
• 1.3 本课题研究主要内容
• 第二章 硬件系统设计
• 2.1 硬件系统组成
• 2.2 电机控制板通讯模块
• 2.2.1 控制板与桥接电路板通讯
• 2.2.2 控制板与驱动器接口
• 2.3 功能模块电路设计和芯片选择
• 2.3.1 电源模块
• 2.3.2 单片机
• 2.3.3 FPGA
• 2.3.4 DA
• 2.3.5 光耦
• 2.3.6 差分单端转换
• 2.3.7 限位接口与外部光栅接口
• 第三章 运动控制系统FPGA 设计和软件实现
• 3.1 FPGA 程序设计
• 3.1.1 限位实现与限位取消
• 3.1.2 EEPROM 读写
• 3.1.3 编码器解码程序
• 2C 模块'>3.1.4 I²C 模块
• 3.1.5 DA 输出模块设计
• 3.1.6 与单片机接口模块
• 3.2 单片机程序实现电机控制
• 3.2.1 单片机程序实现速度控制
• 3.2.2 单片机程序实现位置控制
• 3.3 PID 控制器的设计
• 3.3.1 PID 控制简介
• 3.3.2 数字PID 控制算法
• 3.3.3 PID 算法改进
• 3.3.4 PID 参数整定
• 第四章 实验与结果分析
• 4.1 转台运行控制精度实验
• 4.2 直线运动轴运行控制精度实验
• 第五章 总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢