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基于FPGA的步进电机多轴耦合同步运动控制器的设计

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第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2运动控制技术的发展及现状

1.3论文组织安排与结构

第二章 基于FPGA的同步运动控制器总设计

2.1运动控制系统

2.2 FPGA的并行结构

2.3本章小结

第三章 运动控制器关键算法研究

3.1控制算法整体分析

3.2步进电机仿真控制模型

3.3电机的加减速运动曲线

3.4插补算法实现梯形加减速曲线

3.5同步控制算法

3.6算法仿真

3.7本章小结

第四章 运动控制器的硬件设计

4.1控制器硬件总体结构

4.2芯片选择原则

4.3硬件模块设计

4.4硬件电路抗干扰设计

4.5主从运动控制器实物图

4.6本章小结

第五章 运动控制器程序设计及测试实验

5.1 Altera FPGA程序设计流程

5.2主控制器软件程序设计

5.3从控制器软件程序设计

5.4 quartus模块编译综合

5.5模块仿真

5.6 HMI程序设计

5.7实验结果

5.8本章小结

第六章 总结与展望

6.1论文工作总结

6.2研究展望

参考文献

致谢

作者简介

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摘要

在工业智能化逐步兴起的背景下,运动控制技术取得了极其广泛的应用,为国民经济的发展起着必不可少的支撑作用。运动控制技术包涵了多种学科,是一种综合性的技术。这些学科的快速发展也为运动控制技术提供了强大的技术支持,使得运动控制产品的性能得到提升,种类也越来越丰富。目前,国外已经开发并占据了运动控制市场的中高端市场,国内研究起步晚,只在中低端市场有一定的份额。
  论文首先从运动控制系统的背景出发,论述了运动控制技术和运动控制器的发展,对传统的运动控制器进行了研究,从柔板印刷调压项目的需求出发,设计了一种基于FPGA的主从多轴运动控制器,研究了运动控制器中的运动曲线和位置同步算法,完成了主从控制器的硬件设计、程序实现和最终的调试。论文的主要研究内容有以下几个方面。
  本文论述了运动控制器的重要研究意义,结合国内外运动控制器的研究现状,提出了本文研究多轴位置同步控制器的目的。阐述了HMI、运动控制器、步进电机驱动器、步进电机、光电位移传感器组合的运动控制系统,提出了以FPGA为设计基础的主运动控制器和从运动控制器互相配合的控制器方案,分析了以FPGA为核心的控制器并行控制的优势。
  本文讨论电机位置同步控制中影响同步的因素,指出单个电机的闭环跟踪误差和不同电机之间的运动性能差是影响同步的主要原因。分析了运动控制器中的加减速轨迹规划,在数据采样插补法实现曲线规划的基础上研究了多电机之间的闭环同步算法,以三个电机为例,进行了Simulink仿真实验,验证了算法的可行性。另外,本文介绍了基于FPGA的多轴步进电机运功控制器的各个硬件组成部分,按模块进行了电路的设计,完成原理图的绘制和PCB的制作。在FPGA的开发流程指导下,划分程序模块进行Verilog程序代码编写,并在Modelsim中对底层代码进行功能仿真。最后给出上层HMI的界面设计,并进行了最终的联调实验,实验结果验证了论文设计的运动控制器硬件和软件的可行性。

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