嵌入式数控系统及其功能模块的研究

论文摘要

与工控机的CPU相比,基于RISC技术的32位ARM9微处理器具有功耗小、成本低、可靠性高、主频可达200M以上等优点。ARM微处理器已广泛应用于消费电子、通信系统等各类产品。然而,在机床数控领域,ARM9微处理器的成熟应用至今还较少。实际上,由ARM微处理器构成的嵌入式系统以其优越性能,在机床数控领域有着广阔的应用前景。为此,本文在ARM9内核的微处理器S3C2410硬件平台的基础上,进行了嵌入式数控系统功能控制核心单元模块的研究。在分析数控系统体系结构和嵌入式PLC控制技术的基础上,提出了一种嵌入式PLC系统的开发方法。嵌入式PLC系统是嵌入式数控系统中功能控制系统的核心单元模块。根据PLC指令系统的结构特点,采用链表数据结构来存储PLC指令文件,逐行提取指令逐行解析来实现对PLC基本指令系统的解释。还设计了基于ARM9的CAN总线通讯系统并应用于数控系统中,实现数控系统的信息传输。论文最后对伺服驱动模块中的关键技术(PWM逆变)进行了研究,给出了SVPWM调制算法和高频调制方波的实现算法。系统最终采用了MATLAB仿真的方法得出了结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 国内外研究和发展趋势
• 1.2.1 数控系统的发展
• 1.2.2 国内外的研究状况及发展趋势
• 1.3 论文的研究背景
• 1.4 论文的组织结构
• 1.5 本章小结
• 第二章 嵌入式数控系统及其功能模块的结构分析
• 2.1 嵌入式数控系统的结构研究
• 2.1.1 单处理器硬件结构
• 2.1.2 多处理器硬件结构
• 2.2 嵌入式数控系统功能模块
• 2.2.1 PLC的硬件结构
• 2.2.2 PLC的软件组成
• 2.3 CAN总线技术
• 2.3.1 现场总线的介绍
• 2.3.2 CAN总线的特点
• 2.3.3 CAN总线与其他现场总线技术的比较
• 2.4 嵌入式操作系统的选择
• 2.5 嵌入式数控系统开发平台的选择
• 2.5.1 嵌入式微处理器的选择
• 2.5.2 嵌入式开发板的选择
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于ARM的嵌入式PLC的研究
• 3.1 PLC的工作过程
• 3.1.1 输入采样阶段
• 3.1.2 程序执行阶段
• 3.1.3 输出刷新阶段
• 3.2 指令解释原理
• 3.2.1 基本逻辑简单介绍
• 3.2.2 基本逻辑指令解释方法的实现
• 3.3 嵌入式PLC系统的基本指令和元件系统
• 3.3.1 基本的PLC元件
• 3.3.2 基本指令
• 3.4 嵌入式PLC的编译和运行系统
• 3.4.1 文本预处理过程
• 3.4.2 字处理过程
• 3.5 部分指令的解释流程和特殊的功能辅助继电器的列表
• 3.5.1 计数器解释流程
• 3.5.2 PLS指令解释流程
• 3.5.3 PLF指令解释流程
• 3.5.4 特殊的功能辅助继电器系统
• 3.6 系统程序的测试结果
• 3.7 本章小结
• 第四章 基于ARM的CAN总线通信模块
• 4.1 CAN总线
• 4.1.1 CAN总线报文帧结构
• 4.1.2 CAN总线的位仲裁技术
• 4.2 CAN总线的相关硬件电路
• 4.2.1 CAN控制器MCP2515内部结构
• 4.2.2 CAN控制器结构
• 4.2.3 CAN收发器
• 4.3 CAN总线的控制软件
• 4.3.1 CAN的报文滤波技术
• 4.3.2 CAN控制器驱动程序设计
• 4.3.3 CAN总线报文的发送和接收
• 4.4 CAN总线通信测试
• 4.4.1 CAN总线回环模式测试
• 4.4.2 CAN总线互相通信测试
• 4.5 本章小结
• 第五章 伺服驱动模块关键技术的研究
• 5.1 伺服驱动模块中的关键技术
• 5.2 脉宽调制（PWM）控制技术
• 5.2.1 SPWM调制技术
• 5.2.2 谐波注入法PWM技术
• 5.2.3 空间电压矢量法（SVPWM）
• 5.3 过调制理论
• 5.3.1 过调制问题的产生
• 5.3.2 过调制算法
• 5.3.3 简化的过调制算法
• 5.3.4 算法在80c196MC上的实现
• 5.4 高频调制方波的实现算法
• 5.4.1 问题的产生和基本原理
• 5.4.2 实现算法
• 5.5 仿真及实验结果
• 5.5.1 SVPWM算法仿真及实验结果
• 5.5.2 高频方波的实验结果
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 参考文献
• 附录一 嵌入式PLC的部分系统程序
• 附录二 嵌入式PLC模块的部分实物
• 致谢
• 攻读硕士期间的论文发表和科研情况