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运动控制器设计与B样条曲线拟合研究

作　者: 范德和
导　师: 皮佑国
学　校: 华南理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 运动控制器数控系统 DSP FPGA B样条曲线拟合
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

运动控制器作为数控机床的核心部件，广泛应用于数控装备、机器人控制和自动化检测等领域。随着微电子及DSP（数字信号处理）技术的发展，以DSP和FPGA(现场可编程逻辑门阵列)为主控单元的嵌入式运动控制器正成为当前发展的重要方向。因此，研究基于DSP和FPGA的运动控制器对数控加工高速、高精度的实现及我国数控加工水平提高有着重要的意义。本文首先在比较了各种运动控制器设计方案的基础上，设计开发了一款以DSP6713和FPGA-A3P400为核心的多轴运动控制器；并详细讨论了DSP最小系统电路、FPGA模块电路、脉冲输出电路、编码器接口电路、HMI通信接口电路等硬件电路的设计。利用VHDL语言通过对FPGA的编程设计，在A3P400芯片中完成了地址译码电路、脉冲发生器、编码器反馈信号处理电路、串口通信等功能模块的设计，并重点讨论了串口通信方案设计、各子模块电路设计及仿真。详细分析了当前运动控制系统常用插补算法的研究现状及特点，针对数控系统在进行连续微线段加工时加减速频繁、运动速度缓慢、加工路径不连续等问题，提出了最小二乘3次B样条曲线逼近拟合算法。并通过拟合预处理选择满足条件的可拟合微直线段，保证拟合误差在限制范围内。仿真实例分析表明，该算法能将大量的小直线段用少量的B样条曲线段逼近，在保证拟合精度的同时，提高了路径的光滑性。最后基于上述硬件电路及控制算法，完成了DSP与HMI通信处理程序、DSP的运动控制测试程序及B样条曲线拟合程序等软件设计。并完成了相关功能的软硬件联调及测试。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-19
  1.1 数控加工技术及其发展趋势  11-12
  1.2 CAD/CAM/CNC 系统概述  12-13
  1.3 运动控制器的研究现状  13-14
  1.4 数控插补技术概况  14-17
    1.4.1 传统数控插补现状及问题  14-15
    1.4.2 曲线插补技术研究现状  15-17
  1.5 课题研究目的及意义  17
  1.6 本课题的研究任务  17-19
第二章系统方案设计  19-23
  2.1 运动控制器硬件设计方案选择  19-21
    2.1.1 运动控制芯片选择  19-20
    2.1.2 HMI 通信接口方案选择  20-21
  2.2 运动控制器方案总体结构  21-22
  2.3 运动控制器软件方案设计  22
  2.4 本章小结  22-23
第三章系统硬件电路设计与实现  23-35
  3.1 DSP 模块设计  23-28
    3.1.1 DSP 的电源电路设计  23-25
    3.1.2 DSP 电源监控与复位电路设计  25-26
    3.1.3 时钟电路设计  26
    3.1.4 JTAG 接口电路  26-27
    3.1.5 DSP 的外部存储器扩展电路设计  27-28
  3.2 FPGA 模块设计  28-29
    3.2.1 FPGA 电源模块设计  28-29
    3.2.2 FPGA 配置模块设计  29
  3.3 FPGA 与 DSP 的连接  29-30
  3.4 通信模块接口电路设计  30
  3.5 脉冲输出电路设计  30-31
  3.6 编码器接口电路设计  31-32
  3.7 I/O 接口电路设计  32-33
  3.8 抗干扰处理和硬件调试  33-34
  3.9 本章小结  34-35
第四章 FPGA 内部各功能模块设计  35-44
  4.1 FPGA 简介  35-37
    4.1.1 FPGA 结构原理  35
    4.1.2 FPGA 设计流程  35-37
  4.2 地址译码模块电路设计  37
  4.3 串行通信模块电路设计  37-42
    4.3.1 串行通信具体方案  37-38
    4.3.2 通信模块与 DSP 接口电路设计  38
    4.3.3 通信模块具体电路设计  38-42
    4.3.4 串行通信模块电路仿真  42
  4.4 输出脉冲发生器模块设计  42-43
  4.5 FPGA 内编码器模块设计  43
  4.6 本章小结  43-44
第五章加工路径的 B 样条曲线拟合  44-51
  5.1 传统数控加工的不足  44
  5.2 B 样条曲线  44-46
    5.2.1 B 样条曲线定义  45
    5.2.2 CNC 中三次 B 样条曲线特点  45-46
  5.3 最小二乘 B 样条曲线拟合  46-47
  5.4 拟合数据点的选取准则  47-48
  5.5 B 样条曲线拟合流程  48-49
  5.6 实例分析  49-50
  5.7 本章总结  50-51
第六章运动控制器软件设计与实现  51-61
  6.1 软件开发环境简介  51-53
    6.1.1 CCS 集成开发环境  51
    6.1.2 DSP/BIOS 实时内核  51-53
  6.2 软件整体方案设计  53-54
  6.3 DSP 与 HMI 通信程序设计及实验验证  54-57
    6.3.1 DSP 通信程序设计  54-55
    6.3.2 主从控制器通信联机实验验证  55-57
  6.4 B 样条曲线拟合程序设计及仿真  57-60
    6.4.1 B 样条拟合程序设计  57-58
    6.4.2 仿真实验  58-60
  6.5 本章小结  60-61
总结与展望  61-63
参考文献  63-66
攻读硕士学位期间取得的研究成果  66-67
致谢  67-68
附件  68

运动控制器设计与B样条曲线拟合研究

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