基于Ethernet PowerLink的多轴运动控制器的设计与实现

发布时间：2017-08-30 17:22

  本文关键词：基于Ethernet PowerLink的多轴运动控制器的设计与实现

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【摘要】：随着工业自动化水平的不断提高,工业控制领域对运动控制系统的实时性、控制精度等性能都提出了越来越高的要求。运动控制器作为运动控制系统的核心组成部分,其发展水平将直接影响运动控制系统的性能。传统的基于现场总线技术的运动控制系统已经越来越无法满足当今工业控制领域的要求。工业以太网技术因其具有实时性强、通信速率高、开放性好等优点,使得其在工业控制领域中扮演着越来越重要的角色。Ethernet PowerLink作为工业以太网的典型代表,其协议开源且实现平台多样,不受专业芯片限制,因此在工业控制领域有着较强的应用前景。本课题在深入研究Ethernet PowerLink通信协议和传统运动控制器的基础上设计并实现了基于Ethernet PowerLink的多轴运动控制器。首先,采用Altera公司的FPGA芯片EP4CE22F17C8N设计实现了用于Ethernet PowerLink通信和多轴运动控制的硬件电路,包括一个PowerLink主站电路和三个多轴运动控制从站电路。其次,深入研究了PowerLink工业以太网的系统组成、协议规范、通信模式及实现方法,并在设计完成的硬件电路上实现了基于FPGA的PowerLink高速实时以太网通信,再次,在对传统多轴运动控制器和FPGA深入研究的基础上,用硬件描述语言VHDL在FPGA中实现了多轴运动控制逻辑模块。最后,为测试本课题所设计的运动控制器,在实验室条件下搭建了用于测试的多轴运动控制系统。并设计实验分别从网络通信、单轴伺服控制、两轴圆弧插补控制、多轴同步控制等方面对运动控制器进行了测试。测试结果表明,本课题所设计的基于Ethernet PowerLink的多轴运动控制器能够达到各项功能与性能的要求,验证了本设计方案的可行性。
【关键词】：实时工业以太网 POWERLINK FPGA 运动控制器
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP273
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 第一章 绪论13-17
• 1.1 课题来源13
• 1.2 课题的研究背景和意义13-14
• 1.3 运动控制技术发展现状14
• 1.4 主流实时工业以太网的比较14-15
• 1.5 本文研究内容和结构安排15-17
• 第二章 EPL通信协议的基本原理17-30
• 2.1 EPL的OSI模型17-19
• 2.2 EPL的物理层19
• 2.3 EPL的数据链路层19-27
• 2.3.1 EPL周期20-22
• 2.3.2 EPL的同步机制22
• 2.3.3 EPL的寻址方式22-23
• 2.3.4 EPL的数据帧结构23-27
• 2.4 EPL的应用层27-28
• 2.4.1 对象字典OD27-28
• 2.4.2 过程数据对象PDO28
• 2.4.3 服务数据对象SDO28
• 2.5 EPL的通信过程28-29
• 2.6 本章小结29-30
• 第三章 多轴运动控制器的硬件设计30-48
• 3.1 硬件电路结构30-31
• 3.2 运动控制器原理图设计31-39
• 3.2.1 FPGA最小系统设计32-34
• 3.2.2 EPL通信接口电路设计34-36
• 3.2.3 运动控制接口电路设计36-38
• 3.2.4 其它相关电路设计38-39
• 3.3 运动控制逻辑设计39-45
• 3.3.1 运动控制模式介绍40-41
• 3.3.2 运动控制逻辑实现41-45
• 3.4 SOPC片上系统的定制45-47
• 3.5 本章小结47-48
• 第四章 多轴运动控制器的软件设计48-60
• 4.1 EPL协议栈分析48-51
• 4.1.1 EPL协议栈软件构架48-50
• 4.1.2 EPL协议栈运行过程50-51
• 4.2 EPL协议栈的基本配置51-54
• 4.2.1 协议栈各模块参数配置51-52
• 4.2.2 协议栈初始化参数配置52-54
• 4.3 控制节点程序设计54-58
• 4.3.1 应用程序通信参数的配置54-56
• 4.3.2 EPL协议栈初始化56-57
• 4.3.3 控制节点应用程序设计57-58
• 4.4 受控节点程序设计58-59
• 4.5 本章小结59-60
• 第五章 系统测试与结果分析60-68
• 5.1 系统实验环境搭建60-61
• 5.2 实验过程描述及结果分析61-66
• 5.2.1 EPL基本通信测试61-62
• 5.2.2 EPL通信抖动测试62-63
• 5.2.3 运动控制逻辑模块测试63
• 5.2.4 运动控制器组网测试63-66
• 5.3 本章小结66-68
• 总结与展望68-69
• 参考文献69-72
• 攻读硕士学位期间发表的论文72-74
• 致谢74-75
• 附录75-77

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本文编号：760621