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运动控制器系统软件设计及运动平滑处理研究

作　者: 胡文莉
导　师: 周亚军
学　校: 杭州电子科技大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: DSP FPGA 运动控制器加减速控制 PID NURBS
分类号: TG659
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 116次
引　用: 1次
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内容摘要

近年来,随着市场对运动控制器需求的不断扩大,用户对运动控制器功能要求多样化。研究和开发具有开放式结构运动控制器,具有重要的实用价值和意义。鉴于DSP强大的高速实时处理能力和丰富的外设功能以及FPGA的硬件逻辑控制性能,采用DSP+FPGA相结合的运动控制器已成为开放式运动控制器的主流,并被广泛应用。论文以基于DSP+FPGA的运动控制器为硬件平台。简单介绍了运动控制器的硬件结构和主要寄存器,并在运动控制器硬件资源基础上设计和开发系统软件。采用层次化和模块化设计思想,把系统软件分为三层:应用层、功能层和硬件驱动层。其中应用层属于上位软件,功能层和硬件驱动层为下位软件。并详细设计系统主程序,上位机和下位机通讯以及库函数。论文实现了运动控制器的关键技术,包括速度控制、插补算法和位置伺服控制。在速度控制中,论文详细分析比较了梯形和S形加减速控制曲线的原理和特点,并编程实现了这两种加减速控制曲线。插补算法研究中,系统主要采用数据采样插补算法,并详细研究了直线和圆弧插补算法且编程实现。在圆弧终点判断实现过程中,采用一种新的终点判断方法—角度终点判断。位置伺服算法中采用典型的PID算法,实现系统平稳运行。由于运动控制器功能需求越来越大,除了具有基本的直线和圆弧插补功能外,复杂曲线插补也必不可少。论文详细叙述了复杂曲线(NURBS)基本理论,介绍了NURBS曲线插补算法,并对NURBS曲线插补过程中误差进行计算,减少插补误差,编程实现NURBS曲线插补算法。论文从提高软件可靠性和代码运行速度角度,介绍了软件开发平台和代码优化方法。对各个模块和系统整体进行调试,使系统的功能和性能达到预期标准。应用于数控系统的运动控制器一般采用位置伺服控制,为了使运动控制器应用范围广泛,论文在位置伺服控制的基础上加入了速度环控制,提高了运动控制器的插补精度和运行速度。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-18
  1.1 开放式运动控制器及插补技术发展状况  11-14
    1.1.1 开放式运动控制器的研究现状  11-12
    1.1.2 运动平滑处理技术以及插补技术的研究现状  12-14
  1.2 运动控制器解决方案和分类  14-16
  1.3 运动控制器软件设计思想  16-17
  1.4 本文研究意义及主要内容  17-18
第2章运动控制器硬件结构和系统软件设计  18-33
  2.1 运动控制器硬件结构  18-22
    2.1.1 运动控制器硬件总体结构图  18-19
    2.1.2 FPGA（现场可编程门阵列）控制逻辑  19-21
    2.1.3 内存分配  21-22
  2.2 运动控制器软件设计总体方案  22-23
  2.3 运动控制器系统通信  23-25
  2.4 主程序设计  25-28
  2.5 库函数设计  28-32
    2.5.1 库函数设计思想  28-32
  2.6 本章小结  32-33
第3章下位机软件功能实现  33-54
  3.1 运动平滑处理技术  33-41
    3.1.1 梯形加减速算法  33-36
    3.1.2 S 形加减速曲线  36-39
    3.1.3 实验仿真结果  39-41
  3.2 基本插补算法实现  41-50
    3.2.1 时间分割法直线插补  42-43
    3.2.2 时间分割法圆弧插补  43-46
    3.2.3 终点判断  46-49
    3.2.4 相关函数及插补举例  49-50
  3.3 位置控制算法实现  50-54
    3.3.1 数字PID 控制理论  50-53
    3.3.2 数字PID 控制实现及相关函数  53-54
第4章非均匀有理B样条（NURBS）曲线插补  54-75
  4.1 NURBS 曲线理论  54-65
    4.1.1 NURBS 曲线定义  54-56
    4.1.2 参数化节点矢量确定  56-58
    4.1.3 基函数确定  58-60
    4.1.4 NURBS 曲线矩阵表示方法  60-62
    4.1.5 反算控制点  62-64
    4.1.6 NURBS 曲线生成  64-65
  4.2 NURBS 曲线插补算法  65-71
    4.2.1 插补预处理  65-66
    4.2.2 插补算法实现  66-69
    4.2.3 弦高误差和进给步长计算  69-71
    4.2.4 NURBS 曲线插补流程  71
  4.3 NURBS 曲线插补实例仿真  71-75
    4.3.1 规则  72-73
    4.3.2 不规则三维曲线  73-75
第5章系统调试  75-82
  5.1 软件开发平台和开发语言  75-77
    5.1.1 开发平台介绍  75-76
    5.1.2 开发语言  76-77
  5.2 软件调试和代码优化  77-80
    5.2.1 代码优化  78-80
    5.2.2 软件模块调试  80
  5.3 系统联调  80-82
第6章总结和展望  82-84
  6.1 全文总结  82
  6.2 后续工作  82-84
致谢  84-85
参考文献  85-88
附录：作者在读期间发表的学术论文及参加的科研项目  88

运动控制器系统软件设计及运动平滑处理研究

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