基于FPGA的PCI接口运动控制卡的研究论文.doc

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硕士学位论文

题目基于FPGA的PCI接口运动控制卡的研究

基于PCI的嵌入式运动控制系统的研究

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与其应用，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面：
首先，通过对运动控制卡与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、实时控制以与多轴联动等，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FPGA

TheResearchofMotionControlBoard
BasedonFPGA

Candidate：QinQinSupervisor：LeiYong

MotionController(MC)isacontroldevicethatregardsitscentrallogicunitasthecore,sensorasthesensitivecomponent,andelectromotororexecutiveunitasthecontrolledobject.MCisveryimportantintheONCS,becauseitisthemostimportanttocontrolthemovementofthemotorofeachaxisintheNCsystemandtheprecisionofpositioncontrolandperformanceofvelocityadjustingaredirectlyrelatedtoMC.Inthepresent,alloftheresearchesofONCSfocusonthatofthePC-basedNCcontroldevice,whosekeyistheresearchofMotionControlBoard(MCB)whichisusedtocontrolsteppingorservomotor.ToPC-NC,insomedegree,theperformanceofMCBdecidesthatofthewholeNCsystem,furthermore,thedevelopmentandapplicationoftechnologyofmacroelectronicsandDigitalSignalProcessingcontinuouslyi