基于ARM-FPGA的EtherCAT总线多轴运动控制系统设计

摘要

当前，新一轮科技革命和产业变革正在发生，制造业正在向以设备互联通信为基础的智能制造发展。多轴运动控制系统作为工业自动化设备的重要组成部分，在各行业都有广泛的应用，EtherCAT总线具有实时性好、速度快、同步性高、开放性好、拓扑灵活、成本低等优点，特别适合网络化多轴运动控制系统的通信，因此，研究发展EtherCAT总线多轴运动控制技术对于提升自动化设备的性能，乃至于提高制造业的生产力水平具有重要意义。
　　本文设计了一种基于ARM-FPGA的EtherCAT总线多轴运动控制系统。首先进行了方案设计，该系统主要由EtherCAT主站和从站运动控制板组成，运动控制板采用ARM+FPGA架构，可以控制6个运动轴，有32路数字量输入，16路数字量输出，带有EtherCAT总线和RS485总线接口。其次，选择了ARM和FPGA芯片，采用Altum Designer软件设计了ARM和FPGA的核心电路、供电电路以及外部接口电路的原理图，并据此设计了PCB版图，制作了运动控制板样板。然后，采用Verilog硬件描述语言设计了FPGA与ARM通信的FSMC模块、I/O控制模块及轴控制模块，在轴控制模块的设计中分析了目前常用的加减速算法的性能及硬件实现的可行性，在FPGA中硬件实现了直线和S形两种加减速算法，并进行了ModeSim仿真实验。最后，选择CoDeSys作为EtherCAT主站，并编写了运动控制板EtherCAT从站描述文件;对触摸屏进行了组态开发，设计了触摸屏界面，分配了Modbus协议通道;以及开发了运动控制板上ARM中运行的EtherCAT从站程序和Modbus通信程序，完成了系统软件设计。
　　在上述软硬件设计开发的基础上，采用装有CoDeSys运行时系统的树莓派做主站搭建了一套EtherCAT总线运动控制系统，采用昆仑通态触摸屏搭建了一套RS485总线运动控制系统，并分别进行了功能实验。实验结果表明两套运动控制系统均可实现定位，点动等基本控制功能。此外，还将该系统做了应用测试，结果表明可以满足控制需求。本文设计的运动控制系统开放性好、网络化扩展性强、性能优越、成本低，在工业自动化设备中具有广阔的应用前景。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状

1．2．1 传统运动控制系统

1．2．2 现场总线与工业以太网

1．2．3 EtherCAT总线及其运动控制系统

1．3 主要研究内容及结构安排

第2章 系统总体方案设计

2．1 系统整体结构设计

2．1．1 EtherCAT总线多轴运动控制系统结构设计

2．1．2 RS485总线多轴运动控制系统结构设计

2．2 运动控制板方案设计

2．2．1 功能目标制定

2．2．2 架构设计

2．2．3 主芯片选型

2．2．4 通信方案设计

2．3 总线协议介绍

2．3．1 EtherCAT总线与CiA402协议

2．3．2 RS485总线与Modbus协议

2．4 本章小结

第3章 控制板硬件设计

3．1 硬件设计方法与开发平台

3．2 控制板顶层原理图设计

3．3 ARM模块电路设计

3．4 FPGA模块电路设计

3．5 通信接口设计

3．5．1 FSMC接口设计

3．5．2 EtherCAT接口设计

3．5．3 485总线接口电路设计

3．6 伺服接口设计

3．6．1 脉冲输出接口设计

3．6．2 编码器输入接口设计

3．6．3 伺服I／O接口设计

3．7 通用I／O接口设计

3．7．1 I／O输入接口设计

3．7．2 扩展LED电路设计

3．7．3 MOS管高速输出接口设计

3．7．4 固态继电器输出接口设计

3．8 供电电路设计

3．9 PCB设计及电路板实物调试

3．10 本章小结

第4章 FPGA内部模块设计及其仿真

4．1 设计方法与开发平台

4．2 FPGA顶层设计

4．2．1 顶层结构设计

4．2．2 时钟网络设计

4．2．3 顶层寄存器映射

4．3 FSMC通信模块设计

4．4 轴控制模块设计

4．4．1 加减速算法分析

4．4．2 减速点计算模块

4．4．3 PP模式控制模块

4．4．4 CSP模式控制模块

4．4．5 DDS脉冲发送模块

4．4．6 逻辑位置计数模块

4．4．7 编码器反馈模块

4．4．8 轴控制模块仿真

4．5 I／O输入及LED扩展模块

4．5．1 I／O输入滤波模块

4．5．2 外部扩展LED控制模块

4．6 Tcl引脚分配脚本编写

4．7 本章小节

第5章 系统软件开发

5．1 EtherCAT主站平台搭建

5．1．1 主站平台选择

5．1．2 在CoDeSys中添加EtherCAT主站

5．2 设备描述文件编写

5．3 触摸屏组态开发

5．3．1 创建Modbus RTU通道

5．3．2 触摸屏界面开发

5．4 ARM程序开发

5．4．1 FSMC通信程序开发

5．4．2 EtherCAT从站程序开发

5．4．3 Modbus通信程序开发

5．5 本章小结

第6章 实验测试

6．1 实验平台

6．1．1 EtherCAT总线运动控制系统实验平台

6．1．2 RS485总线运动控制系统实验平台

6．2 功能实验测试

6．2．1 运动控制板FSMC通信可靠性测试

6．2．3 EtherCAT总线运动控制系统功能实验

6．2．2 RS485总线运动控制系统功能实验

6．3 运动控制系统应用测试

6．4 本章小节

第7章 结论与展望

7．1 论文工作总结

7．2 展望

附录

参考文献

攻读硕士学位期间研究成果

致谢