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基于EtherCAT的分布式运动控制系统设计

作　者: 许阳钊
导　师: 李伟光
学　校: 华南理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 分布式运动控制系统 EtherCAT 运动控制器两级插补前馈
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 296次
引　用: 4次
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内容摘要

随着现场总线技术和工业以太网技术的快速发展,传统的运动控制系统由于本身结构的封闭性、系统兼容性差以及缺乏网络通信功能等条件限制,远远不能满足现代制造业的发展需求。网络化运动控制系统已经成为工业自动化领域的一种发展趋势和研究热点。本文在系统、全面地对工业以太网技术和网络化运动控制系统进行研究的基础上,以DSP和FPGA为基础,引入目前工控领域的主流工业以太网技术——EtherCAT网络技术,设计开发了具有EtherCAT网络接口功能的运动控制器,构建基于EtherCAT主从站通信的分布式运动控制系统,并重点研究和实现了系统从站单元的硬件设计和软件开发。在从站单元的硬件结构方面,采用TI公司浮点型DSP TMS320F28335作为其核心处理器,以Altera公司的CycloneII EP2C8 FPGA为协处理器,通过德国Beckhoff公司的ET1100芯片设计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。在硬件总体方案指导下,对DSP模块、FPGA模块、EtherCAT从站网络接口模块和伺服接口模块等电路模块进行详细设计。在从站单元的软件开发方面,根据系统功能要求对从站软件进行模块划分和设计,并着重对EtherCAT从站驱动、轨迹规划和位置控制技术进行了研究,设计了一种由DSP粗插补和FPGA精插补结合的两级插补算法,并初步探讨了一种基于“PID控制+速度前馈+加速度前馈”的位置伺服控制方法。最后,在软硬件设计的基础上,搭建了分布式运动控制系统的实验平台,进行了系统调试实验。实验结果达到了预期目标,为下一步的研究工作奠定了良好的基础。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-18
  1.1 课题的提出及研究意义  10-11
  1.2 课题研究的背景  11-16
    1.2.1 工业以太网  11-14
    1.2.2 网络化运动控制系统  14-16
  1.3 论文的主要研究内容与方法  16-18
第二章 EtherCAT 网络通信技术  18-24
  2.1 EtherCAT 概述  18
  2.2 EtherCAT 总体架构和工作原理  18-22
    2.2.1 EtherCAT 系统组成  18-20
    2.2.2 EtherCAT 工作原理  20-21
    2.2.3 EtherCAT 协议规范  21-22
  2.3 EtherCAT 通信模式  22
  2.4 EtherCAT 状态机  22-23
  2.5 本章小结  23-24
第三章基于EtherCAT 的分布式运动控制系统的总体方案设计  24-32
  3.1 分布式运动控制系统的功能要求  24
  3.2 基于EtherCAT 的主从站分布式控制模式整体方案  24-28
    3.2.1 主站单元  25-26
    3.2.2 从站单元  26-28
  3.3 基于EtherCAT 的分布式运动控制系统硬件设计方案  28-29
  3.4 基于EtherCAT 的分布式运动控制系统软件规划  29-30
  3.5 本章小结  30-32
第四章 EtherCAT 从站单元的硬件设计  32-48
  4.1 主控制模块设计  32-41
    4.1.1 DSP 模块设计  32-37
    4.1.2 FPGA 模块设计  37-41
  4.2 通信接口模块设计  41-44
    4.2.1 EtherCAT 接口模块  41-43
    4.2.2 扩展串口模块  43-44
  4.3 伺服接口模块设计  44-46
    4.3.1 电机驱动模块  44-45
    4.3.2 编码器反馈模块  45-46
    4.3.3 输入输出接口模块  46
  4.4 从站单元的硬件抗干扰设计  46-47
  4.5 本章小结  47-48
第五章 EtherCAT 从站单元的软件设计  48-81
  5.1 功能模块的划分  48-49
  5.2 网络接口程序  49-55
    5.2.1 初始化程序  50-51
    5.2.2 状态机处理程序  51-53
    5.2.3 IO 数据处理程序  53-55
  5.3 DSP 主控程序设计  55-70
    5.3.1 DSP 软件开发流程及开发工具介绍  55-56
    5.3.2 DSP 主控程序  56
    5.3.3 并行通信模块  56-57
    5.3.4 轨迹规划模块  57-68
    5.3.5 位置控制模块设计  68-70
  5.4 FPGA 接口模块功能设计  70-79
    5.4.1 FPGA 软件开发流程  70-71
    5.4.2 FPGA 内部电路总体规划  71-72
    5.4.3 精插补模块设计  72-75
    5.4.4 DAC 接口模块设计  75-78
    5.4.5 编码器反馈处理模块设计  78-79
  5.5 本章小结  79-81
第六章系统测试与实验分析  81-88
  6.1 实验平台的搭建  81-82
  6.2 实验及结果分析  82-87
    6.2.1 主从站网络通信实验  82-84
    6.2.2 电机控制信号输出实验  84-86
    6.2.3 编码器反馈实验  86-87
  6.3 本章小结  87-88
总结与展望  88-90
参考文献  90-93
攻读硕士学位期间取得的研究成果  93-94
致谢  94-95
附件  95

基于EtherCAT的分布式运动控制系统设计

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