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基于DSP的多轴运动控制器研究

作　者: 周国成
导　师: 刘士荣
学　校: 杭州电子科技大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 运动控制器 数字信号处理器 复杂可编程逻辑器件 现场可编程门阵列 模糊小脑模型关节控制器 补偿控制
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 222次
引　用: 2次
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内容摘要


运动控制器作为开放式数控系统的核心,在开放式数控系统中具有非常重要的地位,并得到越来越多的关注,已经被广泛应用到机器人、航空宇宙、医疗设备、测试测量、半导体制造以及材料处理等诸多领域。与欧美、日本等发达国家相比,我国在运动控制器领域还有较大差距。因此,研究一款开放式运动控制器具有现实意义。本文结合两自由度移动机器人运动控制需求,对基于DSP的多轴运动控制器进行了研究,主要研究内容如下:在对目前市场上主流运动控制器的体系结构进行充分调研的基础上,提出了基于DSP的两轴运动控制器的总体设计方案,并从硬件、软件两个方面对运动控制器进行了详细的设计。运动控制器硬件部分包括DSP硬件电路和复杂可编程逻辑器件(CPLD)扩展模块两个部分。其中芯片DSP采用TI公司的TMS320LF2407A,ALTERA公司的MAX系列CPLD EMP7128对运动控制器的功能进行扩展,文中给出了硬件电路各模块的详细的电路图。运动控制器软件部分包括DSP系统初始化程序和控制算法两个部分,文中给出了DSP初始化函数以及各控制算法的软件设计流程图。最后还在两自由度机器人MTR平台上,对两轴运动控制器进行了试验。为使运动控制器能够适应更复杂的领域,实现更多自由度机器人、机械臂等场合的应用,提出了基于FPGA的四轴运动控制器,给出了四轴运动控制器的体系结构,软硬件解决方案,并对FPGA内部各逻辑模块在Quartus II平台上进行了详细的设计与仿真。该四轴运动控制器采用TI公司的TMS320F2812和ALTERA公司的Cyclone II系列FPGA EP2C5Q为控制核心。这种结构将DSP数字信号处理能力与FPGA逻辑处理能力都得到充分的发挥。为解决PID控制算法在面对非线性问题时无法得到高精度的控制性能的问题,提出了基于模糊小脑模型(Fuzzy Cerebellar Model Articulation Controller,简称FCMAC)的补偿控制策略,该控制策略将FCMAC作为补偿控制器引入伺服系统的速度环当中,与模型参考控制相结合。FCMAC补偿控制器能够实时在线学习系统的非线性,对参数变化及扰动等因素进行实时补偿。仿真研究表明该控制策略能显著减小系统速度、位移跟踪误差,即使在持续正弦信号干扰下也具有良好的动静态性能。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章 绪论  11-18
  1.1 引言  11
  1.2 开放式数控系统及其研究现状  11-13
    1.2.1 开放式数控系统的概念  11-12
    1.2.2 开放式数控系统的研究现状  12-13
  1.3 运动控制器的研究现状  13-16
    1.3.1 运动控制器概述  13-14
    1.3.2 运动控制器的研究现状  14
    1.3.3 运动控制器的分类  14-15
    1.3.4 运动控制技术的发展趋势  15-16
  1.4 本文的研究内容及结构安排  16-18
第2章 运动控制器的硬件设计及实现  18-34
  2.1 两轴运动控制器的设计需求  18
  2.2 运动控制器的总体方案  18-22
    2.2.1 运动控制系统设计流程  18-19
    2.2.2 运动控制系统总体方案  19-20
    2.2.3 运动控制器的总体规划  20-22
  2.3 DSP 硬件电路设计  22-28
    2.3.1 最小系统设计  22-25
    2.3.2 扩展部分设计  25-28
  2.4 CPLD 功能模块设计  28-31
    2.4.1 地址译码模块  28-29
    2.4.2 电机控制接口模块  29-30
    2.4.3 通用I/O 扩展模块  30-31
  2.5 硬件电路抗干扰设计  31-32
  2.6 小结  32-34
第3章 运动控制器的软件设计  34-46
  3.1 运动控制器软件架构  34
  3.2 DSP 程序  34-36
    3.2.1 时钟控制  35
    3.2.2 看门口控制  35
    3.2.3 中断控制  35-36
    3.2.4 串行通信模块  36
  3.3 控制算法的实现  36-43
    3.3.1 PID 控制  36-38
    3.3.2 插补算法  38-43
  3.4 运动控制器试验  43-44
  3.5 小结  44-46
第4章 基于FPGA 的四轴运动控制器  46-57
  4.1 四轴运动控制器的设计方案  46-47
  4.2 FGPA 总体设计  47-49
    4.2.1 VHDL 介绍及FPGA 开发流程  47-49
    4.2.2 FPGA 总体设计  49
  4.3 FPGA 各模块设计  49-56
    4.3.1 直线插补模块  49-50
    4.3.2 圆弧插补模块  50-51
    4.3.3 连续插补模块  51-54
    4.3.4 编码器信号反馈模块  54-56
  4.4 小结  56-57
第5章 FCMAC 补偿控制策略  57-68
  5.1 FCMAC 理论基础  57-62
    5.1.1 人工神经网络基本概念  57-59
    5.1.2 FCMAC 基本原理和结构  59-62
  5.2 系统模型  62
  5.3 补偿控制策略  62-65
    5.3.1 补偿控制策略  62-63
    5.3.2 FCMAC 训练算法  63-65
  5.4 仿真研究  65-67
    5.4.1 具有FCMAC 补偿器的跟踪性能  66
    5.4.2 抗扰动性能  66-67
    5.4.3 动态跟踪性能  67
  5.5 小结  67-68
第6章 总结与展望  68-70
  6.1 本文工作总结  68
  6.2 待进一步研究的问题  68-70
参考文献  70-74
致谢  74-75
附录  75-76
  作者在读期间发表的学术论文及参加的科研项目  75-76
    一、学术论文  75
    二、科研项目  75-76
详细摘要  76-79

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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