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基于MCU的运动控制板卡的设计与实现

作　者: 邱伟新
导　师: 唐飞龙；苏崇德
学　校: 上海交通大学
专　业: 计算机技术
关键词: MCU 实时插补运算原点复归处理柔性加减速 RTEX总线
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,随着计算机技术、微电子技术和数控技术的发展,开放式数控系统已成为一个重要的发展方向。作为开放式数控系统的重要组成部分,运动控制卡的研究和开发也日渐受到重视。从发展趋势来看,基于PC总线的,以MCU和FPGA作为核心处理器的开放式运动控制器正成为主流。这类开放式运动控制器以MCU或FPGA芯片作为运动控制器的核心处理器,以PC机作为信息处理平台,运动控制器以插卡形式嵌入PC机,也就是采用“PC+运动控制器”的模式,这样的模式将PC机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合在一起,具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点。因此,本文正是基于这样的背景,通过对运动控制技术的深入研究,开发了一款基于PCI总线的以MCU为主控单元的运动控制卡。本论文完成的主要工作有以下几点:(1)在分析和借鉴国内外商用运动控制卡的基础上,提出了运动控制卡的PC+NC总体架构,并按照结构化和模块化的设计方法,确定了系统的各子模块组成,包括上位机、运动控制卡、外部总线、交流伺服电机、I/O模块等,以及各个子模块的功能。(2)结合当下电机控制网络化的趋势,以RTEX总线为基础,依托新型的网络式的伺服电机松下A4N,设计全新的运动控制体系结构,大大提高了通讯速度,降低了连线的复杂度。(3)结合系统架构和运动控制本身的特点,选择满足功能要求的MCU、PCI总线通讯芯片、双端口MEMORY、RTEX总线芯片、串行芯片等主要元器件。并由此设计运动控制卡的电路,包括双端口RAM的仲裁处理和串口的通道选择等。(4)以中断和定时器为基础,构建嵌入式系统的软件架构,包括主控模块、中断处理模块和算法及功能模块。(5)根据运动控制卡的应用场合,设计点位控制、多轴直线插补、多轴圆弧插补、原点复归、点动控制等功能。并采用S形加减速控制算法,提高运动控制卡的柔性加工能力。(6)开发相应的测试界面,以此来验证系统的功能和算法的正确性。本文研究工作的意义在于:(1)结合运动控制技术的发展趋势,采用开放式数控的架构,使系统的功能升级更便捷,扩展性、维护性也得到了很好的提高。(2)采用RTEX网络总线的方式,解决了传统脉冲控制方式中接线复杂、易受干扰、脉冲频率限制的问题。使运动控制可以速度更高,定位更精确。(3)采用高性能的MCU芯片,结合实时插补算法和柔性加减速算法,使得运动控制在功能、速度、性能上都有了大大地提高。总的来说,本文的研究工作是希望结合运动控制技术的发展趋势,探索出一套结合最新系统架构和先进控制算法的运动控制板卡。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
符号说明  9-12
第一章引言  12-23
  1.1 背景及问题的提出  12-13
  1.2 运动控制卡的发展及研究现状  13-20
    1.2.1 国外发展及研究现状  14-18
    1.2.2 国内发展及研究现状  18-20
  1.3 研究的内容及其意义  20-21
    1.3.1 本课题的研究内容  20-21
    1.3.2 本课题研究的意义  21
  1.4 本文的组织结构  21-23
第二章运动控制卡的总体系统设计  23-32
  2.1 运动控制系统总体架构的选取  23-24
  2.2 运动控制系统总体方案设计  24-25
  2.3 各模块的功能  25-31
    2.3.1 上位机  25-26
    2.3.2 运动控制卡  26
    2.3.3 总线  26-30
    2.3.4 交流伺服电机  30-31
    2.3.5 I/O 模块  31
  2.4 本章小结  31-32
第三章运动控制卡的硬件设计  32-39
  3.1 MCU 芯片的选择  32-34
  3.2 PCI 总线通讯芯片  34
  3.3 通用双端口MEMORY  34-36
  3.4 外部总线通讯芯片  36-37
  3.5 串口通讯芯片  37-38
  3.6 本章小结  38-39
第四章运动控制卡的软件设计  39-78
  4.1 软件架构  39-40
  4.2 主控模块  40-45
    4.2.1 NC 启动时的初始化  40-41
    4.2.2 Work RAM 初始化  41
    4.2.3 启动后 2portRAM 初始化设定  41-42
    4.2.4 初始化串行通信  42
    4.2.5 接收MMC 中断  42
    4.2.6 功能参数初始化  42-43
    4.2.7 清错和系统复位  43
    4.2.8 轴命令处理  43-45
  4.3 中断处理  45-48
    4.3.1 来自MMC 的中断  46-47
    4.3.2 AMP 通信定时中断  47
    4.3.3 波形生成定时中断  47-48
  4.4 算法处理  48-76
    4.4.1 PTP 定位算法  48-51
    4.4.2 加减速算法  51-56
    4.4.3 CP 插补算法  56-58
    4.4.4 圆弧插补算法  58-67
    4.4.5 原点复归算法  67-74
    4.4.6 JOG 动作  74-76
  4.5 本章小结  76-78
第五章验证方法  78-84
  5.1 通过测试界面检测数据  78-81
  5.2 实际效果分析  81-83
  5.3 本章小结  83-84
第六章总结与展望  84-86
  6.1 总结  84-85
  6.2 展望  85-86
参考文献  86-90
附录1 符号与标记  90-91
致谢  91-92
作者攻读学位期间发表的论文  92

基于MCU的运动控制板卡的设计与实现

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