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毕业设计(论文)基于FPGA+MCU的伺服电机控制器设计学院:信息科学技术学院专业:姓名:指导老师:电子科学与技术梁鸿宇学号:职称:0601511031赵慧元讲师中国·珠海二○一○年五月北京理工大学珠海学院毕业设计诚信承诺书本人郑重承诺:我所呈交的毕业设计《基于FPGA+MCU的伺服电机控制器设计》是在指导教师的指导下,独立开展研究取得的成果,文中引用他人的观点和材料,均在文后按顺序列出其参考文献,设计使用的数据真实可靠。承诺人签名:日期:年月日北京理工大学珠海学院2010届本科生毕业设计I基于FPGA+MCU的伺服电机控制器设计摘要本文首先对通用伺服控制平台项目做了整体的设计规划,并着重分析了基于FPGA的电机接口模块的设计和核心算法,给出相应的接口电路,并对等精度算法和设计思路在ALTERAQUARTUS9.0的环境下进行了仿真,在实验电路上进行了测试。主要目的在于研究出一款高性能的基于FPGA的伺服电机接口模块。关键词:伺服控制平台FPGA等精度算法电机接口模块北京理工大学珠海学院2010届本科生毕业设计IITHEDESIGNOFFPGA+MCUBASEDSERVOMOTORCONTROLLERABSTRACTThisfirstgeneral-purposeofthisdissertationistheoverallprojectdesignandplanningfortheservocontrolplatform,andalsoitanalyzedthecorealgorithmsfortheFPGAbasedinterfacedesign.Givenaappropriateinterfacecircuit,AnequalprecisionalgorithmsdesignedwithFPGAisintroduced.ItadoptsVerilogHardwareDescriptionLanguagetoimplementinservomotorinterfacemodules,andaddspulsewidthmeasurementonthebaseoftraditionalfrequencymeasurement,andtheHDLwassimulatedintheALTERAQUARTUS9.0environment.Intendedtodesignahigh-performanceFPGA-basedservomotorinterfacemodule.Keywords:servocontrolplatformFPGAequalprecisionalgorithmservomotorinterfacemodule北京理工大学珠海学院2010届本科生毕业设计III目录摘要ABSTRACT1引言……………………………………………………………………11.1项目背景……………………………………………………………11.2研究意义……………………………………………………………12系统组成………………………………………………………………22.1运动控制器…………………………………………………………22.1.1MCU功能…………………………………………………………22.1.2FPGA功能…………………………………………………………22.1.3光电隔离模块功能………………………………………………22.2伺服驱动器…………………………………………………………22.2.1常用伺服驱动器简介………………………………………………22.3伺服电机………………………………………………………………32.3.1伺服电机简介………………………………………………………32.3.2伺服电机工作原理…………………………………………………42.3.3伺服电机的控制……………………………………………………42.4HMI……………………………………………………………………42.5控制器上位机部分……………………………………………………42.5.1上位机功能…………………………………………………………42.6以太网模块……………………………………………………………42.6.1以太网模块功能……………………………………………………43FPGA接口模块详细介绍………………………………………………53.1实现功能………………………………………………………………53.1.1速度控制模块……………………………………………………53.1.2位置控制模块……………………………………………………53.1.3CPU接口模块…………………………………………………………6北京理工大学珠海学院2010届本科生毕业设计IV3.2速度与位置检测算法讨论………………………………………………63.2.1M法……………………………………………………………………63.2.2T法…………………………………………………………………63.2.3等精度测频算法……………………………………………………63.2.4高精度数字测速算法………………………………………………93.3速度与位置控制算法…………………………………………………203.4硬件部分…………………………………………………………………143.4.1ALTERAFPGA介绍……………………………………………………143.4.2FPGA硬件部分………………………………………………………143.4.2.1电源及晶振部分…………………………………………………143.4.2.2内存及FLASH……………………………………………………153.4.2.3主芯片……………………………………………………………153.4.2.4JTAG下载…………………………………………………………163.4.3输入输出光电隔离…………………………………………………173.4.3.1输入光电隔离模块………………………………………………173.4.3.2输出光电隔离模块………………………………………………183.5软件部分………………………………………………………………183.5.1verilogHDL编程语言介绍………………………………………183.5.2输入输出端子定义……………………………………………………183.5.3寄存器定义…………………………………………………………193.5.4FPGA架构………………………………………………………………203.5.5主要模块介绍……………………………………………………204仿真实验结果……………………………………………………………225应用案例…………………………………………………………………246结论………………………………………………………………………26谢辞参考文献附录北京理工大学珠海学院2010届本科生毕业设计11引言1.1项目背景此项目为待开发项目《基于RABBIT5700+FPGA的伺服电机控制器》的前期规划方案,目的在于帮助研发人员了解伺服电机控制器的有关知识和给出基于FPGA的接口模块的设计概要说明。1.2研究意义目前国内主力通用的伺服电机生产厂商主要有:众为兴、雷赛、固高、中达电通、摩森达等,趋于研发成本的考虑,大多数厂家在电机编码器接口芯片选择上,倾向于采用集成芯片如MX314,PCL6045等,但是随着控制要求的如见复杂,在一个ASIC上实现多轴的控制越来越吃力,这就刺激着我们回归基于MCU+FPGA的架构,把所有的多轴运算全都放到MCU里。本次设计着重对接口FPGA的架构和主要检测算法进行讨论,对接口FPGA的设计,具有一定参考意义。北京理工大学珠海学院2010届本科生毕业设计22系统组成2.1运动控制器主要实现对增量编码器信号的采集,以及对电机驱动器的控制,通过上位机发送过来的指令,在控制器里进行插补运算,再通过FPGA接口模块传递给驱动器。2.1.1MCU功能a.通过自身的以太网模块,接受上位控制机的指令b.多轴插补运算c.通过与FPGA的借口,控制FPGA发出控制脉冲2.1.2FPGA功能a.采集增量编码器的信号b.通过与MCU的接口,把速度,位置等信息传给MCUc.通过与MCU的接口,接受MCU命令,实现单轴操作。2.1.3光电隔离模块构成实现输入输出光电隔离2.2伺服驱动器应用于伺服电机的专用伺服驱动单元被称为伺服驱动器。2.2.1常用伺服驱动器简介运动控制器上位机运动控制器电机驱动器HMI终端M电机100M实时以太网以太网模块6M总线IO模块1IO模块2……北京理工大学珠海学院2010届本科生毕业设计3SIMODRIVE611U的简介:西门子SIMODRIVE611是一种模块化晶体管脉冲变频器,可以实现多轴及组合驱动的解决方案。基于其模块化的设计,使用SIMODRIVE可以根据具体的驱动任务来制定灵活多变的解决方案。驱动器的各模块从功能上分为6个部分:1)电源模块2)变频模块3)反馈模块4)监控模块5)功率模块6)控制模块611U伺服驱动器各模块组成示意图2.3伺服电机2.3.1伺服电机简介一个伺服电机内部一般包括一个直流电机、一组变速齿轮组、一个反馈可调电位器以及一块电子控制板。其中,高速转动的电机提供了原始动力,带动变速(减速)齿轮组,使之产生高扭力的输出。齿轮组的变速比越大,伺服电机的输出扭力也越大,也就是说越北京理工大学珠海学院2010届本科生毕业设计4能承受更高的负载,但转动的速度也相应越低。2.3.2伺服电机工作原理伺服电机是一个典型闭环反馈系统,减速齿轮组由电机驱动,其终端(输出端)带动一个线性的比例电位器作位置检测,该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板,控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较,产生纠正脉冲,并驱动电机正向或反向地转动,使齿轮组的输出位置与期望值相符,令纠正脉冲趋于为0,从而达到使伺服电机精确定位的目的。2.3.3伺服电机的控制标准的伺服电机有三条控制线,分别为电源线、地线及控制线。电源线与地线用于提供内部的电机及控制线路所需的能源,电压通常介于4V-6V之间,该电源应尽可能与处理系统的电源隔离(因为伺服电机会产生噪音)。甚至小伺服电机在重负载时也会拉低放大器的电压,所以整个系统的电源供应的比例必须合理。输入一个周期性的正向脉冲信号,这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms到2ms之间,而低电平时间应在5ms到20ms之间。2.4HMI远程显示控制器上位机的操作界面,实现交互控制。2.5控制器上位机部分2.5.1上位机功能a.参数配置b.逻辑控制c.运动控制d实时通信e.绘制实时曲线等功能2.6以太网模块2.6.1以太网模块功能完成系统数据的转发通讯工作与运动控制平台部分之间通过RT-TCP/IP协议进行通讯,而与伺服结构模块之间通过西门子标准总线背板总线进行通讯,通讯的数据主要包括系统的参数配置数据、实时运行数据和计算输出控制数据。北京理工大学珠海学院2010届本科生毕业设计53FPGA模块详细介绍光电隔离电平转换M伺服电机增量编码器电机驱动器FPGAMCU3.1实现功能3.1.1速度控制a.方向检测b.速度检测c.速度设定初始预置加减速度点设定实时改变d.加速减速方式规划线型S型e.脉冲发生3.1.2位置控制a.方向检测b位置检测c.绝对位置设定初始预置实时改变短距离运动优化d.相对位置设定北京理工大学珠海学院2010届本科生毕业设计6初始预置实时改变短距离运动优化e.脉冲发生3.1.3CPU接口模块可实现与16位8086、16位H8、16位6800的标准接口。3.2速度与位置检测算法讨论全数字交流伺服系统广泛采用增量式光栅编码器作为位置和速度传感器,编码器分辨率直接影响伺服系统的控制精度,为此,高性能伺服系统往往选用高分辨率或者对编码器信号进行倍频细分等,这样不可避免的增加了反馈环节的成本和复杂性。因而多数通用私服系统往往采用分辨率适中的编码器以寻求性能与成本的平衡,然而有限的分辨率就成为保证和提高伺服系统性能的主要瓶颈。幸运的是增
本文标题:基于FPGA+MCU的伺服电机控制器设计
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