基于ARM的嵌入式运动控制系统的研究

论文摘要

运动控制技术是制造业中的一项重要技术,它的发展将极大地提高现代制造业的整体水平。研究嵌入式运动控制系统在提升运动控制系统综合性能、应用最新的科技成果促进产品的更新换代以及提高运动控制系统的易用性、可靠性及开放性等方面具有重要作用。本文在深入分析运动控制系统基本理论与方法的基础上,设计了一套嵌入式运动控制系统。该系统具备目标轨迹输入与显示、运动控制规划等功能,并通过执行装置步进电机及机械装置实现目标轨迹的输出。本系统采用了ARM最新Cortex-M3处理器和μC/OS-II操作系统构建了系统的平台,极大地提高了系统的性能和扩展性。运动规划是运功控制系统的一个核心,因此本文在这一方面也做了大量的研究工作,并取得了成果。首先本系统针对步进电机运行的特点,全新设计了步进电机加减速算法。并基于此算法的基础上又创新设计了运动控制规划中任意轨迹曲线运动控制的规划算法。经验证系统运行结果良好。在硬件设计方面,特色地采用了FTDI公司的FT2232D芯片,只需要一根USB线,就可以实现对控制系统的供电、下载程序到LM3S1138、实现了LM3S1138与上位机的双边通信,大大简化了电路的设计。文末运动实验装置对运动控制结果进行了验证,并对运动控制过程采用了matlab仿真分析,包括运动轨迹的仿真绘制,两轴速度分解仿真分析等。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 运动控制系统的概念
• 1.3 嵌入式系统
• 1.3.1 嵌入式系统的定义
• 1.3.2 嵌入式系统的特点
• 1.3.3 嵌入式系统的发展趋势
• 1.4 本文主要的研究内容和结构安排
• 第2章 运动控制系统规划及系统性能要求和指标
• 2.1 运动控制规划的基本方法
• 2.1.1 运动控制系统插补原理简介
• 2.1.2 插补周期与进度、速度的关系
• 2.1.3 常用的插补方式及其优缺点
• 2.1.4 非圆曲线逼近的节点选取及其计算方法
• 2.2 运动控制系统的性能要求和指标
• 2.2.1 运动控制系统的性能要求
• 2.2.2 运动控制系统的性能指标
• 2.3 本章小结
• 第3章 嵌入式运动控制系统总体设计
• 3.1 系统总的结构设计
• 3.2 系统结构各部分设计
• 3.2.1 嵌入式处理器 Cortex-M3
• 3.2.2 步进电机及驱动细分
• 3.2.3 运动系统控制方式的选择
• 3.3 系统应用到的算法设计与实现
• 3.3.1 步进电机加减速算法的实现
• 3.3.2 速度加速度控制与直线及任意二次曲线轨迹运动的关系
• 3.3.3 任意曲线轨迹运动的规划
• 3.4 本章小结
• 第4章 系统硬件设计与实现
• 4.1 硬件总体结构
• 4.2 基本单元模块
• 4.2.1 数据处理及信息管理单元
• 4.2.2 步进电机驱动模块
• 4.2.3 通信模块
• 4.2.4 信息显示及输入模块
• 4.3 本章小结
• 第5章 系统软件设计与实现
• 5.1 系统软件集成开发环境
• 5.2 μC/OS-II 在 CORTEX-M3 处理器上的移植
• 5.2.1 μC/OS-II 内核介绍
• 5.2.2 移植的层次结构
• 5.2.3 移植过程
• 5.3 系统软件各功能模块流程
• 5.3.1 信息输入及输出
• 5.3.2 运动策略与规划
• 5.3.3 通信模块
• 5.4 本章小结
• 第6章 实验结果与分析
• 6.1 实验装置及实验结果
• 6.1.1 实验装置
• 6.1.2 实验结果
• 6.2 实验分析
• 6.2.1 运动轨迹控制过程中两轴运行速度仿真
• 6.2.2 步进电机加减速算法在运行过程中的波形显示
• 6.3 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 上海交通大学学位论文答辩决议书