基于FPGA的运动控制卡的研究与开发

论文摘要

伴随现代微电子技术的进步,运动控制系统正向着开放化、智能化、集成化的方向发展。如今,方便以插卡形式嵌入PC机的运动控制器,结合PC机强大的信息处理能力和良好的开放性,被广泛应用于各种运动控制领域。本文在深入研究了运动控制技术的基础上,设计开发了一款基于PCI总线以FPGA为主控单元的运动控制卡。首先根据功能目标,规划设计了运动控制卡总体方案,对运动控制过程涉及的加减速算法、插补算法和位置伺服控制等核心算法进行了深入分析并加以改进,采用大规模可编程逻辑器件FPGA并以硬件语言VHDL/Verilog HDL编程完成了核心控制算法的硬件实现,以充分发挥硬件运算并行处理速度快的优势,并使算法拥有一定的柔性。同时,为提高控制卡的硬件集成度和可靠性,还在FPGA中实现了PCI接口、数据缓冲模块、编码器接口、数/模转换接口、输入/输出开关量接口等功能。其次,设计了运动控制卡的硬件电路,对控制卡的FPGA外围电路、PCI总线接口电路、模拟量输出电路、编码器信号输入电路、通用I/O接口电路等实现方法进行了详细讨论。分析了驱动开发工具Windriver的功能特点,讨论了将其用于PCI总线驱动程序开发的方法与步骤。在全面完成运动控制算法和硬件电路设计、调试的基础上,建立了相应的实验环境,进行了运动控制卡的功能测试,验证了本运动控制卡的可行性和有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图表清单
• 注释表
• 第一章 绪论
• 1.1 运动控制器的研究背景
• 1.2 运动控制器概念及分类
• 1.3 国内外运动控制器的现状
• 1.3.1 国外运动控制器的现状
• 1.3.2 国内运动控制器的现状
• 1.4 本文的研究目的及内容
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 本文内容
• 第二章 运动控制卡总体方案
• 2.1 运动控制卡总体方案
• 2.1.1 运动控制卡的功能目标
• 2.1.2 运动控制卡的方案分析
• 2.1.3 运动控制卡的方案设计
• 2.2 运动控制卡的开发平台与开发方法
• 2.2.1 FPGA 开发平台与开发流程
• 2.2.2 PCI 驱动开发工具
• 2.3 本章小结
• 第三章 运动控制算法的FPGA 设计及其仿真
• 3.1 加减速算法研究
• 3.1.1 梯形加减速算法
• 3.1.1.1 梯形加减速算法原理
• 3.1.1.2 梯形加减速算法实现
• 3.1.1.3 梯形加减速的FPGA 设计及其仿真
• 3.1.2 仿S 形加减速算法
• 3.1.2.1 仿S 形加减速算法的原理
• 3.1.2.2 仿S 形加减速的FPGA 设计及其仿真
• 3.2 插补算法研究
• 3.2.1 直线插补
• 3.2.1.1 直线插补原理
• 3.2.1.2 直线插补的FPGA 设计及其仿真
• 3.2.2 圆弧插补
• 3.2.2.1 圆弧插补原理
• 3.2.2.2 圆弧插补的FPGA 设计及其仿真
• 3.3 位置伺服控制算法研究
• 3.3.1 PID 控制原理
• 3.3.2 数字PID 控制原理
• 3.3.3 前馈+PID 控制原理
• 3.3.4 位置伺服控制算法的FPGA 设计及其仿真
• 3.4 本章小结
• 第四章 运动控制卡接口设计与FPGA 实现
• 4.1 PCI 总线接口设计
• 4.1.1 PCI 总线研究
• 4.1.2 PCI 总线接口的FPGA 实现
• 4.1.3 PCI 总线接口时序仿真
• 4.2 数据缓冲模块设计
• 4.3 编码器接口
• 4.4 数/模转换接口
• 4.5 输入/输出开关量接口
• 4.6 本章小结
• 第五章 运动控制卡的硬件电路设计与驱动开发
• 5.1 运动控制卡硬件电路设计
• 5.1.1 FPGA 电路设计
• 5.1.2 通信接口电路设计
• 5.1.3 电机驱动接口电路设计
• 5.1.4 编码器接口电路设计
• 5.1.5 开关量输入/输出接口电路设计
• 5.2 驱动程序开发
• 5.3 本章小结
• 第六章 运动控制卡测试与分析
• 6.1 实验环境
• 6.2 运动控制卡的功能测试与分析
• 6.2.1 加减速算法实验
• 6.2.2 插补算法实验
• 6.2.3 位置控制算法实验
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文