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基于EtherCAT的多轴运动控制器设计

作　者: 容爱琼
导　师: 李伟光; 陈育贵
学　校: 华南理工大学
专　业: 机械工程
关键词: ET1100 EtherCAT 多轴运动控制器 TMS320F28335 FPGA
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


运动控制器是数控系统的核心，其性能的优劣直接影响着数控设备的加工质量，并对整个制造系统的集成控制、高效运行和更新发展具有至关重要的影响。传统运动控制器的快速性、稳定性和开放性已远远不能满足现代制造业的发展需求。网络化的多轴运动控制系统已成为当前学术界和工业应用的多学科技术领域的研究热点。本文在系统地研究工业以太网技术，特别是EtherCAT通信技术的基础上，以DSP和FPGA作为处理器，设计开发具有基于EtherCAT的多轴伺服运动控制器。该运动控制器使用EtherCAT高速工业控制网络，保证了运动控制的实时性和数据传输的高速高效性。本文重点进行了伺服运动控制器的硬件和软件的设计。在控制器的硬件设计上，本文采用TI公司最新推出的、专用于工业控制的DSP芯片——TMS320F28335为核心处理器，以Altera公司的CycloneⅡ系列的EP2C8Q208C8NFPGA为协处理器；采用Beckhoff公司的ET1100芯片作为EtherCAT通信链路层，设计EtherCAT从站网络接口，从而实现了具有EtherCAT从站功能的运动控制器。根据硬件总体方案，本文对DSP+FPGA伺服控制模块和EtherCAT从站网络接口模块、电源模块等电路模块进行详细设计。在控制器的软件开发上，本文根据控制器功能要求，对控制器软件进行模块划分和设计，并着重进行EtherCAT从站驱动、信息采集、模拟输出、位置控制和轨迹插补等技术的研究。并设计了一种由DSP粗插补和FPGA精插补结合的两级插补算法。最后，在软硬件设计的基础上，本研究制作控制器样机；运用样机搭建测试实验平台，进行控制器的硬件测试和软件调试，验证硬件原理和实现预期的运动控制效果，为进一步研究奠定良好的基础。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-17
  1.1 课题研究背景及意义  10-11
  1.2 国内外研究现状及发展趋势  11-14
    1.2.1 运动控制器在开放式数控系统中的地位  11-12
    1.2.2 运动控制器的研究现状及发展趋势  12-14
  1.3 工业以太网技术  14-16
    1.3.1 工业以太网的发展现状  14-15
    1.3.2 EtherCAT 工业以太网技术  15-16
  1.4 论文主要研究内容及研究方法  16-17
第二章 控制器总体方案设计  17-27
  2.1 EtherCAT 工作原理  17-18
  2.2 EtherCAT 从站组成  18-20
  2.3 控制器的功能及控制原理  20
  2.4 设计指标  20-21
  2.5 控制器设计流程  21-23
  2.6 控制器硬件总体方案设计  23-25
  2.7 控制器软件总体方案设计  25-26
  2.8 本章小结  26-27
第三章 控制器硬件设计与实现  27-50
  3.1 DSP 模块硬件电路设计  27-37
    3.1.1 DSP 芯片概述  27-28
    3.1.2 DSP 电源设计  28-29
    3.1.3 系统复位及看门狗电路设计  29-30
    3.1.4 时钟电路设计  30
    3.1.5 JTAG 接口电路设计  30-31
    3.1.6 外部存储器 SRAM 和 FLASH 电路设计  31-32
    3.1.7 SPI 通信接口电路设计  32-33
    3.1.8 A/D 转换电路设计  33-34
    3.1.9 D/A 转换电路设计  34-35
    3.1.10 扩展串口电路设计  35-36
    3.1.11 手动脉冲信号输入电路设计  36
    3.1.12 通用数字输入和数字输出电路设计  36-37
  3.2 FPGA 模块电路设计  37-43
    3.2.1 FPGA 器件概述  37-38
    3.2.2 FPGA 电源设计  38-39
    3.2.3 FPGA 配置电路设计  39-40
    3.2.4 FPGA 与 DSP 通信电路设计  40-41
    3.2.5 伺服驱动电路设计  41
    3.2.6 编码器反馈信号接收模块电路设计  41-42
    3.2.7 伺服专用 I/O 接口电路设计  42-43
  3.3 EtherCAT 通信模块电路设计  43-47
    3.3.1 物理层电路设计  44
    3.3.2 数据链路层电路设计  44-47
  3.4 总电源模块设计  47
  3.5 多层 PCB 电路板设计及硬件实现  47-49
    3.5.1 六层 PCB 板设计  48
    3.5.2 控制器电磁兼容性分析与设计  48-49
  3.6 本章小结  49-50
第四章 DSP 底层功能软件设计与实现  50-57
  4.1 DSP 主控软件设计  50-51
  4.2 D/A 模拟量输出设计与实现  51-54
  4.3 A/D 模拟量输入采集设计与实现  54-56
  4.4 本章小结  56-57
第五章 FPGA 功能模块软件设计与实现  57-74
  5.1 FPGA 开发设计应用  57
  5.2 FPGA 内部功能模块规划  57-58
  5.3 FPGA 与 DSP 并行接口模块设计  58-59
  5.4 精插补模块设计与实现  59-71
    5.4.1 时序生成模块  60
    5.4.2 译码和配置寄存器模块  60-61
    5.4.3 DDA 精插补模块  61-71
  5.5 编码器差动接收软设计  71-72
    5.5.1 编码器四倍频及辨向设计  71-72
    5.5.2 计数器设计  72
  5.6 伺服专用 I/O 设计  72-73
  5.7 本章小结  73-74
第六章 控制器的调试及性能测试  74-83
  6.1 控制器样机调试内容  74
  6.2 实验平台搭建  74-76
  6.3 实验测试与结果分析  76-82
    6.3.1 DSP 和 FPGA 基本电路的调试  76-78
    6.3.2 数字脉冲输出电机驱动实验  78-79
    6.3.3 编码器反馈接收实验  79-81
    6.3.4 多轴控制器综合实验  81-82
  6.4 本章小结  82-83
结论与展望  83-85
参考文献  85-88
攻读硕士学位期间取得的研究成果  88-89
致谢  89-90
附件  90

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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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