EtherCAT总线式多轴运动控制器开发

发布时间：2017-08-25 13:27

  本文关键词：EtherCAT总线式多轴运动控制器开发

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【摘要】：运动控制器是数控系统实现精密运动控制的核心,是数控机床的关键设备。随着电子技术和网络通信技术的快速进步,具有开源性、开放性和快速性的运动控制系统将成为未来的发展趋势。因此,传统的运动控制器已不能满足现代化制造的发展需求。基于实时以太网的多轴运动控制系统是当前工业应用技术领域的主要研究方向之一。本文针对工业以太网技术进行了研究,以EtherCAT通信技术为基础,设计了一种基于ARM和FPGA双核的EtherCAT总线式多轴运动控制器,并提出了总体设计方案,重点设计运动控制器的硬件和软件。在硬件设计上,本文选用了ST公司推出的ARM芯片-STM32F407ZGT作为核心处理器,以Altera公司的CycloneⅣ系列FPGA芯片-EP4CE10E22C8为协处理器。采用倍福公司的ET1200芯片作为从站EtherCAT总线通信链路层,实现PC机主站与从站运动控制器的通信功能。此外,本文详细分析和设计了各个主芯片的外围接口电路、运动控制模块和电源模块等电路。基于本系统的硬件架构,设计了运动控制器的控制程序软件结构。采用C语言,在ARM芯片中嵌入了μ/OS-Ⅱ操作系统,开发了EtherCAT从站驱动,并设计了相应的指令解析程序。在QuartusⅡ开发环境下,使用Verilog HDL编程语言,对位置控制模块、S型速度规划模块和插补模块等运动控制技术进行了研究和开发。在硬件设计基础上,完成了PCB板的绘制和加工,制作了控制器样机。搭建多轴运动控制实验仿真平台,开发上位机硬件调试软件并验证了硬件各个模块功能。设计了PC机主站,完成了EtherCAT通信、点到点运动控制、多轴运动控制、S型速度规划和插补等实验。实验结果达到预期目标,为进一步的研究工作奠定了坚实的基础。
【关键词】：ARM EtherCAT 多轴 运动控制 FPGA 插补算法
【学位授予单位】：北方工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG659
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 课题研究背景9-10
• 1.2 运动控制器概述10-12
• 1.2.1 运动控制器概念10-11
• 1.2.2 运动控制器国内外发展现状11-12
• 1.3 工业以太网技术12-14
• 1.3.1 工业以太网技术发展现状12-13
• 1.3.2 EtherCAT技术研究现状13-14
• 1.4 课题来源以及研究内容14
• 1.5 本章小结14-15
• 第二章 运动控制器总体设计方案15-26
• 2.1 EtherCAT协议及相关理论15-19
• 2.1.1 EtherCAT简介15
• 2.1.2 EtherCAT拓扑结构15-16
• 2.1.3 EtherCAT数据帧结构16-17
• 2.1.4 EtherCAT主站寻址方式17-18
• 2.1.5 EtherCAT从站数据传输18-19
• 2.2 运动控制器工作原理以及总体方案19-21
• 2.2.1 运动控制器方案选型19-20
• 2.2.2 运动控制器的功能指标20-21
• 2.3 运动控制器架构设计21-24
• 2.3.1 EtherCAT从站控制器芯片选型21-22
• 2.3.2 主要芯片选型22-24
• 2.4 运动控制器设计流程24-25
• 2.5 本章小结25-26
• 第三章 运动控制器硬件设计26-44
• 3.1 EtherCAT通信电路设计26-30
• 3.1.1 数据链路层电路设计27-29
• 3.1.2 物理层电路设计29-30
• 3.2 ARM模块电路设计30-36
• 3.2.1 ARM芯片配置电路31-32
• 3.2.2 JTAG调试接口32-33
• 3.2.3 RS232串口33-34
• 3.2.4 存储模块电路34-35
• 3.2.5 EtherCAT接口电路35-36
• 3.3 FPGA模块电路设计36-40
• 3.3.1 配置电路36-37
• 3.3.2 JTAG调试与AS配置电路37-38
• 3.3.3 脉冲输出模块38-39
• 3.3.4 通用I/O接口电路39
• 3.3.5 编码器输入模块39-40
• 3.4 双核通信电路40-41
• 3.5 系统电源设计41-42
• 3.6 PCB板设计42-43
• 3.7 本章小结43-44
• 第四章 软件系统设计44-63
• 4.1 控制系统软件解决方案44-45
• 4.2 上位机软件设计45-47
• 4.2.1 EtherCAT主站设计45-47
• 4.2.2 测试软件设计47
• 4.3 ARM软件设计47-54
• 4.3.1 操作系统与主函数48-50
• 4.3.2 从站EtherCAT总线通信程序50-52
• 4.3.3 运动指令控制程序52-54
• 4.4 FPGA软件设计54-62
• 4.4.1 数字积分法基本原理54-56
• 4.4.2 DDA插补程序56-60
• 4.4.3 运动规划程序60-61
• 4.4.4 点位控制程序61-62
• 4.4.5 FPGA程序顶层设计62
• 4.5 本章小结62-63
• 第五章 运动控制器功能测试63-74
• 5.1 测试平台搭建63-65
• 5.1.1 电机和驱动器介绍63-64
• 5.1.2 平台搭建64-65
• 5.2 运动控制器功能测试与分析65-73
• 5.2.1 EtherCAT总线通信实验66-67
• 5.2.2 单轴点位控制实验67-69
• 5.2.3 四轴运动控制实验69-70
• 5.2.4 速度规划实验70-71
• 5.2.5 插补实验71-73
• 5.3 本章小结73-74
• 结论与展望74-76
• 结论74-75
• 展望75-76
• 参考文献76-79
• 在学期间的研究成果79-80
• 致谢80

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本文编号：737009