基于softMC数字运动控制器的研究与设计

论文摘要

由于实验室原有的采用全软件实现的数控系统,其处理速度受到软件指令执行速度的限制,特别是在现代高速加工场合下就很难满足高速和高精度的要求,另外系统的可靠性问题,尤其是实时调度问题,无法做到硬实时。因此,随着电子技术和大规模可编程逻辑器件FPGA技术的飞速发展,许多主流运动控制卡采用以数字信号处理器(DSP)加现场可编程门阵列(FPGA)为核心的设计方案。本文提出了全新的SoftDMC运动控制器概念,即采用VHDL描述一个软的DSP核,然后将其嵌入进FPGA中作为运动控制器的核心。在此基础上,将运动控制算法移到softDMC中实现。本文在阐述插补算法的基本原理后提出了一种基于空间矢量的插补优化算法,优化算法采用全硬件实现方案,即将数控系统的插补算法(速度控制和精插补)全部在Mesa5I20运动控制卡的SoftDMC中实现,而在工业控制计算机中只需实现命令解析、任务处理、数据预处理、硬件状态的检测及处理(行程/回零开关,轴驱动器,各类IO等等)等一些功能,这样可以充分利用软硬件的资源,缩短插补周期,进而减小由插补算法的近似逼近造成的轮廓轨迹误差,有利于提高插补运算的输出精度,实现高速、高精度加工。由于工业控制计算机要与运动控制卡进行数据的通信,本论文在最后介绍了Linux系统下基于PCI总线的Mesa5I20运动控制卡驱动程序的开发。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 开放式数控系统概述
• 1.2.1 开放式数控系统的基本特点
• 1.2.2 开放式数控系统的研究现状
• 1.2.3 开放式数控系统的发展趋
• 1.3 运动控制器的概述
• 1.3.1 运动控制器的特点及研究现状
• 1.3.2 运动控制器的实现方案
• 1.4 本论文的研究目的和主要内容
• 1.4.1 本论文的研究目的
• 1.4.2 本论文的主要内容
• 第二章 softDMC 系统总体方案的设计
• 2.1 softDMC 的性能分析
• 2.2 基于SoftDMC 的数控系统硬件结构
• 2.3 数控系统软件架构
• 2.4 Mesa5I20 运动控制卡介绍
• 2.5 本章小结
• 第三章 数控插补算法的研究及优化
• 3.1 数字积分插补法
• 3.1.1 数字积分基本原理
• 3.1.2 数字积分法直线插补
• 3.1.3 空间直线插补
• 3.1.4 数字积分法圆弧插补
• 3.2 步进电机加减速控制
• 3.3 算法的优化
• 3.3.1 脉冲当量
• 3.3.2 空间矢量调速
• 3.3.3 速度控制
• 3.4 优化算法的实现
• 3.4.1 工业控制计算机中完成数据预处理和划分
• 3.4.2 工业控制计算机和Mesa 运动控制卡之间的数据传送
• 3.4.3 在softDMC 中实现速度控制和插补算法
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于softDMC 运动控制器功能模块的设计
• 4.1 softDMC 总体功能结构
• 4.2 softDMC 内部各功能模块的设计
• 4.2.1 工业控制计算机数据通信模块的设计
• 4.2.2 数据缓冲双口RAM 模块的设计
• 4.2.3 速度控制模块设计
• 4.2.4 DDA 数字积分插补电路设计
• 4.2.5 编码器信号处理电路设计
• 4.3 本章小结
• 第五章 RTAILinux 下运动控制卡驱动程序的设计
• 5.1 PCI 总线介绍
• 5.1.1 PCI 总线信号
• 5.1.2 PCI 总线命令
• 5.1.3 PCI 总线的寻址
• 5.1.4 PCI 总线的配置
• 5.1.5 PCI 总线操作时序
• 5.2 Linux 驱动程序开发相关介绍
• 5.2.1 核心态和用户态
• 5.2.2 设备的分类
• 5.2.3 设备驱动程序的编译方式
• 5.2.4 内存操作
• 5.3 PCI 运动控制卡驱动程序的具体实现
• 5.3.1 主要的数据结构
• 5.3.2 驱动程序流程
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢