独立式四轴可编程运动控制器研究

摘要

运动控制来源于伺服控制技术，是一种精确控制运动部件的速度、位置的技术。最初，运动控制技术主要应用在数控机床上，用于加工各种零部件所需，且通用性较差，多为单一类型机器定制开发。随着工业化的不断进步，运动控制器逐渐发展为可编程的运动控制板卡形式，在通用性上较之前有极大提高，适用范围也更加广泛，在印刷业、机械加工、工业机器人控制等各个领域都有广泛应用。随着微电子技术的不断进步，运动控制器也越来越向集成化发展。基于ARM+FPGA架构的运动控制器便是集成化发展的必然产物，ARM具有丰富的外设资源及高速的运行频率，可以简便地实现人机交互功能，FPGA由于其超强的逻辑运算能力，可以用于实现运动控制算法。
　　本系统设计实现了一款基于 ARM+FPGA架构的独立式四轴可编程运动控制器。所谓独立式是指，本系统可以独立地完成运动控制功能，而无需其他的CPU配合完成；四轴是指系统最多可以同时控制四个伺服系统一起运动；可编程是指用户可直接在本系统的CPU上编程以进行二次开发。
　　在硬件设计上，设计并实现了基于ARM和FPGA的双核运动控制电路，包含液晶显示及触摸模块、电机驱动模块等，制作样板并完成了调试及验证工作。
　　在算法设计上，实现了直线及曲线加减速，直线插补及圆弧插补，并经过试验测试验证其可行性。本论文设计的圆弧插补及三维直线插补算法是一个创新点，其中在圆弧插补上应用了 Bresenham算法，并设计了一种基于角度最小的三维直线插补算法，以保证插补精度。
　　在软件设计上，设计了人机交互界面及底层驱动程序、ARM和FPGA的串口通信程序、FPGA中步进电机直线及S曲线加减速算法、四轴插补运动控制算法。并设计了一整套的API控制接口，用户可在此基础上，基于自己的实际运动场合，使用 C语言直接在 ARM中进行程序开发，可极大地降低二次开发难度，并提高系统的可扩展性。
　　实验结果表明，此运动控制器可以保证运行过程不失步不过冲，加减速过程平滑，在插补运动上，可以实现二维的直线、曲线插补，三维直线插补，设计的人机交互界面可方便地实现部分简单的运动控制功能，提供的API接口可以方便地根据实际的应用场合进行开发定制。

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第一章 绪论

1.1 运动控制器概述

1.2运动控制器国内外研究现状与应用

1.3 运动控制器的关键技术

1.4 本文的主要贡献与创新

1.5 本论文的结构安排

第二章 四轴运动控制器总体设计

2.1 独立式四轴可编程运动控制器功能需求

2.2 独立式四轴可编程运动控制器的系统结构

2.3 独立式四轴可编程运动控制器硬件架构设计

2.4 独立式四轴可编程运动控制器软件架构设计

2.5 本章小结

第三章 独立式四轴可编程运动控制器硬件设计

3.1 核心芯片选型

3.2 四轴运动控制器主控电路设计

3.3 本章小结

第四章 四轴可编程运动控制器算法设计

4.1 加减速控制算法设计

4.2 插补控制算法设计

4.3 本章小结

第五章 系统软件设计及实现

5.1 运动控制算法的软件实现

5.2 CAN总线通信及控制方法设计

5.3 人机交互软件设计

5.4 可编程API接口设计

5.5 系统实现

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果