基于DSP+FPGA的模块式伺服控制器的设计及实现

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1、硕士学位论文基于DSP+FPGA的模块式伺服控制器的设计及实现DESIGNANDIMPLEMENTOFAMODULARSERVOCONTROLLERBASEDONDSPANDFPGA刘岩哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TP271学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学硕士学位论文基于DSP+FPGA的模块式伺服控制器的设计及实现硕士研究生：刘岩导师：陈松林申请学位：工学硕士学科：控制科学与工程所在单位：控制与仿真中心答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP271DissertationfortheMasterD

2、egreeinEngineeringDESIGNANDIMPLEMENTOFAMODULARSERVOCONTROLLERBASEDONDSPANDFPGACandidate：YanLiuSupervisor：SonglinChenAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ControlScienceandEngineeringAffiliation：ControlandSimulationCenterDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinIn

3、stituteofTechnology摘要摘要本文针对仿真测试转台发展需求，设计开发了一套以FPGA和DSP以及ARM作为核心器件、以实时以太网EtherCAT作为通信总线、集成了诸多接口和功能的主从模块式伺服控制器。首先全面的介绍了国内外在伺服控制器的研究现状，分析了伺服控制器的硬件构成和主要的伺服控制算法。根据转台控制系统的功能要求，提出了由轴控制器、主控制器和实时以太网总线组成的总体设计方案。其中，轴控制器以DSP和FPGA为核心器件，负责实现单个轴的闭环控制；主控制器以ARM和FPGA为核心器件，对所有的轴控制器进行配置和管理；而轴控制器和主控制器间的通信则采用实时以太网总线Eth

4、erCAT实现。然后，对轴控制器的功能需求进行了分析，考虑接口、尺寸以及电磁兼容性等要求，采用双层架构和四层PCB板结构，完成了核心控制器以及外围电路的硬件设计和制作。通过FPGA程序设计，实现了I/O读写、D/A和A/D信号转换、增量式和绝对式编码器信号处理等功能；通过DSP程序设计，实现了各种典型指令的规划、参数可灵活配置的，包含串联、前馈及限波等环节的控制算法。其次，根据主控制器配置和管理轴控制器的功能要求，设计了以ARM+FPGA为核心板，其它外围电路及接口为载板的架构方案，采用四层板实现硬件电路的设计。在硬件设计的基础上进一步开发了FPGA和ARM程序，利用ARM的FSMC实现了

5、与FPGA的数据交互，采用嵌uC/OS-II操作系统方案进行多任务开发，实现了轴控制器的管理以及与外围设备的通信。最后，对实时以太网总线EtherCAT的软硬件进行了详细设计。EtherCAT实时以太网工业总线采用主从式控制结构，主站发送以太网帧给各个从站，从站从数据帧中抽取数据或将数据插入。主站目前采用PC机以太网卡，通过Twincat实现主站功能；从站上采用ET1100作为从站控制器，ET1100通过并行总线的方式与轴控制器相连，轴控制器中的FPGA通过CFIController对ET1100进行读写控制，完成EtherCAT从站的开发，实现了主站和轴控制器间的通信。与原有基于工控机的

6、伺服控制器相比，本文实现的伺服控制器具有成本低、体积小、模块化程度高、扩展性好、实时性高，运算能力强等诸多优点，不仅可以更好的满足转台控制系统的发展和需求，也可以作为通用伺服控制器用于其它伺服系统。关键词：伺服系统；控制器；FPGA；DSP；EtherCAT-I-ABSTRACTAbstractAimatthedevelopmentneedofSimulationplatform,designedanddevelopedtheservocontrollerbasedonFPGA、DSPandARMwiththereal–timeEthernetEtherCATforcommunicatio

7、n,whichintegratedmanykindsofinterfacesandfunctions.First,introducedtheresearchabouttheservocontrollercomprehensively,andanalyzedthehardwareoftheservocontrollerandthebasicservocontrolalgorithm.Accordingtothefuncti