基于Ethernet Powerlink的多轴运动控制器的设计与实现

摘要

随着工业自动化水平的不断提高，工业控制领域对运动控制系统的实时性、控制精度等性能都提出了越来越高的要求。运动控制器作为运动控制系统的核心组成部分，其发展水平将直接影响运动控制系统的性能。传统的基于现场总线技术的运动控制系统已经越来越无法满足当今工业控制领域的要求。工业以太网技术因其具有实时性强、通信速率高、开放性好等优点，使得其在工业控制领域中扮演着越来越重要的角色。Ethernet PowerLink作为工业以太网的典型代表，其协议开源且实现平台多样，不受专业芯片限制，因此在工业控制领域有着较强的应用前景。本课题在深入研究Ethernet PowerLink通信协议和传统运动控制器的基础上设计并实现了基于Ethernet PowerLink的多轴运动控制器。
　　首先，采用Altera公司的FPGA芯片EP4CE22F17C8N设计实现了用于EthernetPowerLink通信和多轴运动控制的硬件电路，包括一个PowerLink主站电路和三个多轴运动控制从站电路。
　　其次，深入研究了PowerLink工业以太网的系统组成、协议规范、通信模式及实现方法，并在设计完成的硬件电路上实现了基于FPGA的PowerLink高速实时以太网通信，
　　再次，在对传统多轴运动控制器和FPGA深入研究的基础上，用硬件描述语言VHDL在FPGA中实现了多轴运动控制逻辑模块。
　　最后，为测试本课题所设计的运动控制器，在实验室条件下搭建了用于测试的多轴运动控制系统。并设计实验分别从网络通信、单轴伺服控制、两轴圆弧插补控制、多轴同步控制等方面对运动控制器进行了测试。
　　测试结果表明，本课题所设计的基于Ethernet PowerLink的多轴运动控制器能够达到各项功能与性能的要求，验证了本设计方案的可行性。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源

1．2 课题的研究背景和意义

1．3 运动控制技术发展现状

1．4 主流实时工业以太网的比较

1．5 本文研究内容和结构安排

第二章 EPL通信协议的基本原理

2．1 EPL的OSI模型

2．2 EPL的物理层

2．3 EPL的数据链路层

2．3．1 EPL周期

2．3．2 EPL的同步机制

2．3．3 EPL的寻址方式

2．3．4 EPL的数据帧结构

2．4 EPL的应用层

2．4．1 对象字典OD

2．4．2 过程数据对象PDO

2．4．3 服务数据对象SDO

2．5 EPL的通信过程

2．6 本章小结

第三章 多轴运动控制器的硬件设计

3．1 硬件电路结构

3．2 运动控制器原理图设计

3．2．1 FPGA最小系统设计

3．2．2 EPL通信接口电路设计

3．2．3 运动控制接口电路设计

3．2．4 其它相关电路设计

3．3 运动控制逻辑设计

3．3．1 运动控制模式介绍

3．3．2 运动控制逻辑实现

3．4 SOPC片上系统的定制

3．5 本章小结

第四章 多轴运动控制器的软件设计

4．1 EPL协议栈分析

4．1．1 EPL协议栈软件构架

4．1．2 EPL协议栈运行过程

4．2 EPL协议栈的基本配置

4．2．1 协议栈各模块参数配置

4．2．2 协议栈初始化参数配置

4．3 控制节点程序设计

4．3．1 应用程序通信参数的配置

4．3．2 EPL协议栈初始化

4．3．3 控制节点应用程序设计

4．4 受控节点程序设计

4．5 本章小结

第五章 系统测试与结果分析

5．1 系统实验环境搭建

5．2 实验过程描述及结果分析

5．2．1 EPL基本通信测试

5．2．2 EPL通信抖动测试

5．2．3 运动控制逻辑模块测试

5．2．4 运动控制器组网测试

5．3 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

声明

致谢

附录