基于ARM+CPLD的高速运动控制器的开发和应用

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：一是由于它们儿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。

目录

文摘

英文文摘

声明

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数掘处理和通信控制

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.μC／OS-Ⅱ操作系统简介

5.1.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

5.3.3编写OS_ CPIJ.H等与CPU相关的文件

5.3.4编写Os.cpu_c.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