嵌入式运动控制器若干关键技术的研究与实现

发布时间：2020-02-24 05:33

【摘要】：运动控制器是数控系统的核心,是数控领域研究的热点。本文以开发一款功能丰富、性能稳定、可靠性高、符合开放性要求的运动控制器为目标,深入研究了嵌入式运动控制器的关键算法和技术。论文主要工作包括:首先,介绍了基于ARM+DSP+FPGA的嵌入式运动控制器总体硬件架构及各模块的功能。ARM作为主控单元,负责G代码解析、状态切换、与HMI交互;DSP负责实现插补、速度规划、动态前瞻等控制算法;FPGA一方面提供DPRAM作为ARM和DSP沟通的桥梁,另一方面负责控制脉冲输出和I/O管理。研究了ARM加载Linux操作系统的过程,解决了访问外部设备的问题;深入研究了DSP的硬件配置,实现了DSP从NOR FLASH启动;研究了FPGA的脉冲均匀化实现方案。其次,对运动控制卡的插补和速度规划算法进行了深入研究,实现了多轴直线插补和平面圆弧插补算法;通过几何变换,将椭圆插补和空间圆弧插补转化为平面圆弧插补加以实现;介绍了S/T形加减速算法的原理和实现过程;深入研究PVT算法,基于分段Hermite插值和三次样条拟合,推导出PVT/Complete/Percent/Continuous描述方式下的算法实现过程。通过对算法进行软件仿真,验证了算法的准确性和有效性。再次,对连续轨迹过渡算法进行了深入研究,提出连续轨迹处理框架,从插补离散化的角度分析了拐点过渡的必要性,建立了直线与直线、直线与圆弧等的拐点过渡模型,分析了拐点速度约束条件。由于拐点速度约束模型为递归不等式组,在工程上难以实现,通过引入比例系数和修正加速度,提出工程上可行的动态前瞻算法,实现了多段线和样条曲线的连续加工。最后,采用Matlab仿真与实际加工相结合的方案,验证算法的合理性。通过监控驱动器输入脉冲测试PVT算法;通过在点胶机平台上实际绘制多段线和样条曲线,测试连续轨迹过渡和动态前瞻算法。测试结果表明,本文设计开发的运动控制器具有良好的功能和性能。
【图文】：

曲线,开放式控制系统,运动控制卡

图 1-1 基于 PC 和运动控制卡的开放式控制系统随着对开放式体系运动控制器的研究不断深入，国外涌现出一批先进的控制器。 Delta Tau 公司的 PMAC 多轴运动控制器在行业内久负盛名，著名的哈勃望远镜的就是用 PMAC 控制卡控制研磨的。PMAC 内部采用 Motorola 公司生产的 56003 片，可完成直线、圆弧插补，S 曲线加减速，PVT 和三次样条插补算法，产品种类轴联动控制器到三十二轴控制器，支持 ISA 总线、PCI 总线、PC104 总线和 VME。美国 GALIL 公司的 DMC 系列运动控制器采用 32 位 RISC 结构高速 DSP，可实线/圆弧插补、螺旋线插补、切线跟踪、多主/多从电子齿轮同步控制、龙门同步控制子凸轮、轮廓控制、拐角过渡及多任务同时执行等功能；可采用带有速度前馈、加前馈、凹陷滤波、低通滤波、积分限制等高级控制算法的 PID 调节器。英国 Trio有独立型控制器和基于 PC 机的 PCI 总线方式控制器两大类产品。其中独立型控制有 RS232C，RS485、USB、Ethernet、CAN 总线等工业通讯接口，支持 EtherCAodbus、CANBus、SERCOS、Hostlink、DeviceNet、Profibus 等各种工业通讯协议。

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华南理工大学硕士学位论文第二章嵌入式运动控制器总体设计方案文所设计的运动控制器的主要应用平台是点胶机，采用独立式控制器器可以完全脱离计算机独立工作，，适用于结构紧凑，无须计算机直接合。独立式控制器的 HMI 一般为触摸屏或手持盒，其价位一般在 300于工控机 3000-5000 元的价位，其价格较为低廉。另一方面，PC 与络或 U 盘进行交互，实现较为复杂的轨迹规划，可以很好地补充手持盒制系统总体架构机控制系统主要由示教盒（手持盒）、控制卡、驱动器、电机和 IO 等体架构如图 2-1 所示。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG659

【参考文献】