基于DSP和FPGA的运动控制技术的研究

摘要

该课题通过对开放式数控技术的全面调研和对运动控制技术的深入研究,并针对国内运动控制技术的研究起步较晚的现状,结合激光雕刻领域的具体需要,紧跟当前运动控制技术研究的发展趋势,吸收了世界开放式数控技术和相关运动控制技术的最新成果,采纳了基于DSP和FPGA的方案,研制了一款比较新颖的、功能强大的、具有很大柔性的四轴多功能运动控制卡.该论文主要内容如下:首先,通过对制造业、开放式数控系统、运动控制卡等行业现状的全面调研,基于对运动系统控制技术的深入学习,在比较了几种常用的运动控制方案的基础上,确定了基于DSP和FPGA的运动控制设计方案,并规划了板卡的总体结构.其次,针对运动控制中的一些具体问题,如高速、高精度、运动平稳性、实时控制以及多轴联动等,在FPGA上设计了功能相互独立的四轴运动控制电路,仔细规划并定义了各个寄存器的具体功能,设计了功能完善的加/减速控制电路、变频分配电路、倍频分频电路和三个功能各异的计数器电路等,完全实现了S-曲线升降速运动、自动降速点运动、A/B相编码器倍频计数电路等特殊功能.再次,介绍了DSP在运动控制中的作用,合理规划了DSP指令的形成过程,并对DSP软件的具体实现进行了框架性的设计.然后,根据光电隔离原理设计了数字输入/输出电路;结合DAC原理设计了四路模拟输出电路;实现了PCI接口电路的设计;并针对常见的干扰现象,提出了有效的抗干扰措施.最后,利用运动控制卡强大的运动控制功能,并针对激光雕刻行业进行大幅图形扫描时需要实时处理大量的图形数据的特别需要,在板卡第四轴完全实现了激光控制功能,并基于FPGA内部的16KBit块RAM,开辟了大量数据区以便进行大幅图形的实时处理.

目录

文摘

英文文摘

1概述

1.1引言

1.2开放式数控系统及其研究现状

1.2.1开放式数控系统概述

1.2.2开放式数控系统研究现状

1.3运动控制卡及其研究现状

1.3.1运动控制卡在开放式控制系统中的地位

1.3.2运动控制卡的研究现状

1.4本课题的意义及论文的主要内容

2运动系统的控制技术和控制方案

2.1运动系统的控制技术

2.1.1连续运动轨迹插补原理

2.1.2位置控制技术

2.2运动控制方案

2.2.1常用运动控制方案的比较

2.2.2基于DSP和FPGA的方案

2.3本章小节

3基于FPGA运动控制电路的设计

3.1 FPGA在运动控制中的应用及意义

3.1.1EDA和ASIC的含义

3.1.2使用FPGA进行电路设计的意义

3.2 FPGA内部电路的具体实现

3.2.1MCC总体结构规划

3.2.2寄存器模块

3.2.3速度模式模块设计

3.2.4输出脉冲生成电路模块

3.2.5编码器模块设计

3.2.6计数器模块设计

3.2.7操作模式模块设计

3.3本章小节

4 DSP在板卡中的具体运用

4.1 DSP的特点和应用

4.1.1使用DSP的意义

4.1.2 DSP的特点

4.1.3 DSP在运动控制中的应用

4.2 DSP在控制系统中的设计

4.2.1运动指令的规划

4.2.2 DSP软件的框架设计

4.2.3速度控制算法的实现

4.3本章小节

5板卡外围电路设计

5.1数字信号输入和输出电路

5.1.1光电隔离原理

5.1.2数字输入/输出信号接线方法

5.2模拟信号输出电路

5.2.1方案确定

5.2.2电路设计

5.3 PCI接口

5.3.1 PCI总线的特点

5.3.2 PCI接口电路的设计

5.4本章小节

6干扰分析与抗干扰措施

6.1常见干扰分析

6.2抗干扰措施

6.2.1硬件抗干扰

6.2.2软件抗干扰

6.3本章小节

7板卡在激光雕刻领域的应用

7.1应用方案确定

7.2具体的解决方案

7.2.1激光数据区和参数设置寄存器

7.2.2保证同步扫描和扫描精度的方案

7.2.3实现高速平稳运动和快速推进的措施

7.3本章小节

8总结与展望

8.1总结

8.2展望

参考文献

作者在读期间发表论文简介

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致谢