嵌入式多轴运动控制器的研究与开发

摘要

运动控制器是运动控制系统的核心部件，在各行各业中都有着广泛的应用。当前市场上的运动控制器主要是基于PC总线的运动控制卡，需要插入计算机主机板的PCI或者ISA插槽，因此难以独立运行和小型化。本论文以“带电作业机器人”控制系统为背景，提出以“ARM+DSP运动控制器”的模式取代传统的“PC机+运动控制卡”的模式，采用嵌入式CPU和高性能DSP运动控制芯片，设计了一种高性能、高可靠性、低成本、体积小、可独立运行的基于分布式结构的嵌入式多轴运动控制器，并详细介绍了该控制器的软硬件平台设计。
　　嵌入式多轴运动控制器的硬件包括两个部分：ARM主控板和DSP运动控制板，它们之间通过CAN总线实现通信连接。每块DSP运动控制板可以同步控制四个运动轴，并且多块DSP运动控制板可作为CAN节点方便的添加到系统中，以实现更多轴控制。DSP运动控制板以运动控制芯片TMS320F2812为核心，以MAXII系列CPLD为辅，实现对伺服电机的直接控制。ARM主控板以高性能低功耗的32位嵌入式ARM处理器S3C44B0X为核心，并嵌入实时操作系统VxWorks，负责完成任务的管理、数据接收及处理、人机界面管理、多路电机的协调控制等工作。本文中对运动控制板的各功能模块如DSP最小系统、驱动器接口电路、编码器信号处理电路、CAN总线接口电路等的实现方法进行了详细讨论。并简要介绍了ARM主控板的主要功能模块和外部扩展CAN通信模块的实现方法。
　　本文通过对运动控制器关键技术的研究，在对位置伺服控制算法、加减速控制、编码器信号处理方法等分析的基础上，开发了运动控制器的软件系统。采用模块化的程序设计方法，完成了DSP主程序及各中断服务程序设计，实现了梯形加减速控制、位置闭环控制、指令接收与处理等底层控制功能。同时，论文详细讨论了VxWorks下CAN模块驱动程序的开发及运动控制API函数的实现方法，为嵌入式多轴运动控制系统的后续应用开发提供了一个良好的应用接口。
　　最后，论文简述了系统调试平台的建立，包括电机试运行软件和伺服监控软件的设计，并且在此基础上，完成了系统的调试和PID控制参数的整定，系统的功能和性能均达到预期设计目标。

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Contents

1 绪 论

1.1 运动控制技术概述

1.2 运动控制器发展及研究现状

1.3 嵌入式系统概述

1.4 课题提出及其研究意义

1.5 本论文主要内容

2 运动控制系统关键技术研究

2.1 运动控制系统中的关键技术概述

2.2 位置伺服控制算法的研究

2.3 加减速控制方法研究

2.4 编码器信号处理方法研究

2.5 本章小结

3 嵌入式多轴运动控制系统的总体设计

3.1 控制系统需求分析

3.2 系统总体方案设计

3.3 硬件平台的构建

3.4 软件平台的确立

3.5 本章小结

4 运动控制系统硬件电路设计

4.1 DSP运动控制板硬件总体规划

4.2 DSP最小系统

4.3 驱动器接口电路

4.4 码盘信号处理电路

4.5 其它接口电路

4.6 ARM硬件系统

4.7 本章小结

5 运动控制器软件系统开发

5.1底层软件总体设计

5.2 主程序主要功能实现

5.3 定时中断及位置伺服程序设计

5.4 指令接收与处理程序设计

5.5 ARM主控板软件设计

5.6 本章小结

6 实验与结论

6.1 系统调试平台的建立

6.2 控制器参数整定

6.3 结论与展望

致谢

参考文献