硕士论文:基于FPGA的PCI接口运动控制卡的研究.doc
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1、 四川大学 硕士学位论文 题 目 基于FPGA的PCI接口运动控制卡的研究 作 者 覃 琴 完成日期 2006 年 5月 20日 四 川 大 学 雷勇 副教授 控制理论与控制工程 计算机控制与管理 年 月 日 培 养 单 位指 导 老 师专 业研 究 方 向授予学位日期 基于PCI的嵌入式运动控制系统的研究控制理论与控制工程专业研究生 覃琴 指导教师 雷勇制造业是一个国家工业的基础,而制造技术又是制造业的技术支柱,制造业水平的高低是衡量一个国家工业发达程度的重要标志。以传统机电工业为代表的制造业,正经历着深刻的变革。在这场革命中,大力发展先进的制造技术已成为各国最重要的几大技术战略之一,先进制
2、造技术已经是国际竞争与产品革新的一种重要手段。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术,是先进制造技术的基础,是发展新兴高新技术产业和尖端工业的最基本的装备,是制造业现代化的重要基础,这个基础牢固与否将直接影响到国家的经济发展和综合国力,关系到国家的战略地位。运动控制器是以中央逻辑单元为核心,以传感器为信号敏感元件,以电机/动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。对于数控系统来说,最重要的是控制各个电机轴的运动,这是运动控制器接收并依照数控装置的指令来控制各个电机轴运动从而实现数控加工的,数据加工中的定位控制精度、速度调节的性能等重要指标都与运动控制器直接相关。目前对数控系统
3、的研究都集中在插入PC的NC控制器的研究上,而其核心部分就是对步进、伺服电机进行控制的运动控制卡的研究。对PC-NC来说,运动控制卡的性能很大程度上决定了整个数控系统的性能,而微电子和数字信号处理技术的发展及其应用,使运动控制卡的性能得到了不断改进,集成度和可靠性大大提高。本课题通过对运动控制技术的深入研究,并针对国内运动控制技术的研究起步较晚的现状,结合当前嵌入式领域的具体需要,紧跟当前运动控制技术研究的发展趋势,吸收了数控技术和相关运动控制技术的最新成果,提出了基于PCI和FPGA的方案 ,研制了一款比较新颖的、功能强大的、具有很大柔性的四轴多功能运动控制卡。本课题的具体研究主要有以下几方
4、面:首先,通过对运动控制卡及嵌入式系统等行业现状的全面调研,和对运动控制技术的深入学习,在比较了几种常用的运动控制方案的基础上,提出了基于FPGA 的运动控制设计方案,并规划了板卡的总体设计。其次,根据总体设计,规划了板卡的结构,详细划分并实现了FPGA各部分的功能;利用光电隔离原理设计了数字输入/输出电路。再次,利用FPGA的资源实现了PCI从设备接口,达到跟控制卡通信的目的,针对运动控制中的一些具体问题,如运动平稳性、实时控制以及多轴联动等,在FPGA上设计了四轴运动控制电路,定义了各个寄存器的具体功能,设计了功能齐全的加/减速控制电路、变频分配电路、倍频分频电路和三个功能各异的计数器电路
5、等,自动降速点运动、A/B相编码器倍频计数电路等特殊功能。最后,进行了本运动控制卡的测试,实现了全数字测速在本运动控制卡中的应用,从测试和应用结果来看,该卡达到预期的要求。关键词:PCI 数控 运动控制卡 FPGAThe Research of Motion Control BoardBased on FPGACandidate:QinQin Supervisor: Lei YongMotion Controller (MC) is a control device that regards its central logic unit as the core, sensor as the s
6、ensitive component, and electromotor or executive unit as the controlled object. MC is very important in the ONCS, because it is the most important to control the movement of the motor of each axis in the NC system and the precision of position control and performance of velocity adjusting are direc
7、tly related to MC. In the present, all of the researches of ONCS focus on that of the PC-based NC control device, whose key is the research of Motion Control Board (MCB) which is used to control stepping or servo motor. To PC-NC, in some degree, the performance of MCB decides that of the whole NC sy
8、stem, further more, the development and application of technology of macroelectronics and Digital Signal Processing continuously improve the performance of MCB and greatly increase the level of integration and dependability.During the research, through the overall survey of ONCS and deep study of Mo
9、tion Control Technology (MCT), facing the behindhand actuality of research of domestic MCT, to meet the practical requirements of the laser carving field, following the developing trend of the present MCT, drawing on the new production of the present ONCS and relating MCT, bringing forward the solut
10、ion based on FPGA, we have developed a four-axis multifunctional MCB which is very original, powerful and flexible.In the paper, there are the following major contents:Firstly, through the overall survey of ONCS, embedded system and MCB, and deep study of MCT, after comparing the common solutions of
11、 motion control, we brought forward the solution of motion control based on FPGA, and made out the whole design solution of board.Secondly, according to the whole design solution, we figured out the whole architecture of board, and plotted out and implemented the respective function of FPGA in detai
12、l. Further more, we designed digital input/output circuit according to the principle of photoelectricity isolation, four-channel analog output circuit by the priciple of DAC and put forward effective anti-jamming measures in allusion to common jamming phenomena.Thirdly, in allusion to some prcatical
13、 problems in the motion control, such as high speed, high precision, motion stabilization, real-time control and muti-axis contouring control, etc, we designed a four-axis MCB in the FPGA. We defined the functions of all of the registers in detail, designed perfect Acceleration/ Deceleration Control
14、 Circuit, Variable Frequency Divider Circuit, Multiplication Factor Frequency Divider Circuit and three different counter circuits, achieved special functions of the S-curve Acceleration/ Deceleration Control, Ramping-down Point Counter & Calculation Circuit and A/B encoder multi-frequency circuit,
15、etc.Finally, we made out the test of board and came true the application of full-digital measure on the board. The motion control board met anticipative demand according to the result of test and application.Keywords: FPGA, Numerical Control, Motion Control Board PCI目 录1 绪论11.1 开放式数控及其发展11.1.1 开放式数控
16、系统的基本特征21.1.2 国内外数控系统技术的发展21.1.3 现代数控技术的发展趋势41.2 运动控制器及其研究现状51.2.1 运动控制器的特点及发展现状51.2.2 常见运动控制系统上位控制方案61.2.3 基于PC机的运动控制卡常见解决方案71.2.4 基于单FPGA的方案111.3 本课题的意义及论文的主要内容112 系统总体方案设计132.1 运动系统的控制技术132.1.1 连续运动轨迹插补原理132.1.2 位置控制技术142.2 基于PCI的运动控制卡162.2.1 嵌入式系统概念163 运动控制卡硬件设计173.1 可编程逻辑器件简介17MPC07结构示意图18MPC07
17、转接卡结构示意图19功能模块分析19模块119模块2193.4 外围电路设计193.4.1 光电隔离原理193.4.2 数字I/O信号的接线方法20可编程器件的程序设计22程序(或功能)模块1(PCI模块)25功能说明25流程图(C等)/方框图(FPGA)26PCI接口配置空间的实现304 基于FPGA的运动控制模块(MCM)324.1 MCM总体结构324.2 寄存器模块344.2.1 寄存器寻址344.2.2 参数寄存器344.2.3 命令和状态缓冲器364.3 速度模式模块404.3.1 倍率因子参数414.3.2 脉冲频率、414.3.3 加速、减速参数寄存器R4、R5424.3.4
18、S-曲线加速部分寄存器R14424.3.5 S-曲线减速部分寄存器R15424.3.6 加/减速时间434.3.7 自动降速点434.4 输出脉冲产生电路模块464.4.1 加/减速控制电路474.4.2 变频分配电路494.4.3 倍率分频电路504.5 编码器模块设计504.6 计数器模块电路524.6.1 预置计数器524.6.2 自动降速点计数器524.6.3 当前位置计数器544.7 操作模式模块544.7.1 连续模式554.7.2 预置模式564.7.3 回零模式565 基于PCI的嵌入式运动控制卡的系统测试595.1 PCI与CPLD的数据交换595.1.1 运动控制芯片内的地
19、址空间595.1.2 PC机对寄存器的读写操作605.2 CPLD与FPGA的数据交换615.2.1 FPGA内运动控制模块的内部寄存器615.2.2 运动控制函数库615.2.3 运动控制卡功能测试645.3 全数字转速测量在本卡中的实现655.3.1 前言655.3.2 M/T转速测量法工作原理665.3.3 全数字转速测量电路675.3.4 运行结果与误差分析696 全文总结与展望706.1 全文总结706.2 研究展望70参考文献72声 明致 谢1 绪论制造业是国民经济的基础产业,其水平高低是衡量一个国家工业发达程度的重要标志1。大力发展先进的制造技术已成为世界各国最重要的几大技术战略
20、之一。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术,是发展新兴高新技术产业和尖端工业的最基本的装备,是制造业现代化的重要基础 1。要发展先进制造技术,首先必须重视制造单元技术(数控技术、加工单元、柔性制造单元等)。计算机数控技术14(Computer Numerical Control,简称CNC)集传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电于一体,是现代制造技术的基础。它的广泛使用给机械制造业生产方式、产业结构、管理方式带来深刻的变化。数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础,现代CAD/CAM
21、、FMS、CIMS等也都是以数控技术为基础。因此数控技术水平的高低已成为衡量一个国家工业自动化的重要标志。数控系统是数控技术的核心,也是数控发展的关键技术,其功能强弱、性能优劣直接影响着数控设备的加工质量和效能发挥,对整个制造系统的集成控制、高效运行、更新发展都具有至关重要的影响3-4。因此,数控系统技术不仅作为数控发展的先导技术,而且作为制造业的基础性战略技术,越来越受到世界各国的重视和发展。1.1 开放式数控及其发展数字控制技术5(Numerical Control,简称NC),是近代发展起来的一种自动控制技术,是使用数字信号对机床的运动及加工过程进行控制的一种方法。数控系统(Numeri
22、cal Control System)是一种控制系统,它能自动完成信息的输入、译码、运算,从而控制机床的运动和加工过程。数控系统一般包括数控装置、可编程控制器(Programmable Logic Controller,简称PLC)、伺服驱动系统及进给装置等部分。数控装置是数控机床的核心,它完成信息的输入、存储、变换、插补运算以及实现各种控制功能。伺服系统及进给装置接收数控装置的指令,驱动机床执行机构运动。1.1.1 开放式数控系统的基本特征根据国际电气和电子工程师协会(IEEE)关于开放式系统的定义:能够在多种不同的平台上运行,可以和其他系统的应用互操作,并能给用户提供一种一致风格的交互方式
23、。开放式体系结构普遍采用模块化、层次化的结构,并通过各种形式向外提供统一的应用程序接口,具有可移植性、可扩展性、互操作性和可缩放性等特点,即系统组成的内部开放化和系统组成各部件之间的开放化。开放式系统具有以下基本特征:1. 开放性。提供标准化环境的基础平台,允许不同功能和不同开发商的软硬件模块介入。2. 可互操作性。通过提供标准化接口、通信和交互机制,使不同的功能模块与标准的应用程序接口运行于系统平台之上,并获得平等的相互操作能力,协调工作。3. 可移植性。系统的功能软件与设备无关,即应用统一的数据格式、交互模型、控制机理,使构成系统的各个功能模块可来源于不同的开发商提供的硬件平台之上。4.
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