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数控技术是利用数字信息技术使被控制对象具有自动工作的技术。随着我国制造业的迅猛发展和产业结构升级步伐的加快,数控技术正被应用到越来越多的领域。在传统的金属加工领域以外,人们正在大量的引进数字化设备,或者对原有的设备进行数字化改造,以增加生产过程的自动化程度,降低劳动成本,提高效益。在这一趋势的推动下,许多数控技术应用的非传统领域成为了数控市场的新兴增长点。数控技术的发展呈现出一些新特点,表现为应用领域广泛化,产品层次多级化,需求多样化,系统智能化。本课题正是在这一市场背景下开展的,目的是研制一套实现简单、性能强、通用性好的运动控制插补算法,为市场提供一种高性价比的运动控制解决方案。
论文结合应用背景,对插补算法进行了合理定位,并制定明确的需求。利用嵌入式系统的特点,提出一种基于ARM和FPGA的运动控制插补算法。算法由粗精两级插补构成,粗插补采用数据采样算法,在ARM上实现,精插补采用数字积分法(也称DDA法,DigitalDifferential Analyzer),在FPGA上实现。根据插补算法的结构,逐一介绍了粗插补中的插补预处理功能、前瞻控制功能、直线插补计算功能和精插补中的译码电路、时序发生电路、DDA积分电路的设计和实现。还将算法在PC机平台和嵌入式平台上进行了测试,并对测试结果进行了分析。论文的具体内容安排如下:
第一章:绪论。介绍了数控技术、嵌入式技术、插补算法、前瞻控制技术的现状和发展趋势,说明了课题的工作内容,阐述了课题的研究意义。
第二章:插补算法总体设计。根据插补算法的需求分析,对系统的软硬件结构进行总体设计。确定了硬件平台的架构和主要芯片的选型,介绍了ARM微处理器S3C2410和FPGA芯片EP1C3T144C8的资源特性。对插补算法的功能模块进行划分,并描述了各模块的功能和它们之间的关系。
第三章:粗插补功能研究与实现。对粗插补的功能和各个模块进行了研究和实现,包括插补预处理模块、前瞻控制模块、直线插补计算模块。在插补预处理模块中,对一些重要数据进行了说明,介绍了快速移动段、圆弧段、直线段的预处理过程,其中包括圆弧离散的原理和方法。在前瞻控制模块中,阐述了前瞻的作用、原理和实现流程。在直线插补计算模块中,说明了四种运动形式的判别和每种运动形式的进给增量的计算方法,重点分析了插补段总的插补时间在圆整以后,如何对插补段的加速段、匀速段、减速段的长度和插补时间进行调整,以保证插补路程不超差和插补速度的平滑过渡。
第四章:精插补功能研究与实现。介绍数字积分法的原理和用硬件来实现DDA法的原理,对精插补功能进行总体设计和模块划分,主要包括精插补译码电路、时序发生电路和DDA积分电路三部分。说明每个模块的功能和原理以及彼此的关系,并详细阐述了各模块电路的结构和实现,给出结构图,部分主要电路模块给出VHDL语言的源代码,最后给出时序仿真图。
第五章:插补算法验证分析。分两部分介绍基于ARM和FPGA的运动控制插补算法在PC机平台和在“ARM+FPGA”构建的嵌入式平台上的测试情况,其中嵌入式平台是与一套基于运动控制芯片MCX314的数控系统进行对比测试的。两部分分别测试前瞻功能对于插补性能的影响和论文提出的插补算法与现有运动控制方案的性能优劣。均给出测试结果,并对结果进行分析。
第六章:总结与展望。总结论文提出的基于ARM和FPGA的运动控制插补算法的几点优势,同时对算法的不足进行分析,对以后可以实施的改进工作进行了展望。
本论文设计的基于ARM和FPGA的运动控制插补算法具有兼容性好,通用性强,性价比高的特点,目前已经成功应用到自行研制的数控雕刻机上,效果良好。主要创新点在于:第一,基于“ARM+FPGA”的平台架构,使用粗精两级插补结构,充分利用ARM微处理器的信息处理能力和事物管理能力,以及FPGA的高速高精特点,使得粗精两级插补可以并行进行,大大提高插补速度,同时运动轴也可方便的根据需要增减。第二,引入前瞻功能,并在前瞻控制过程中使用时间离散的计算方法,可防止在插补计算时出现加速度无解,导致速度突跳的问题。第三,直线插补中运动量的计算以离散时间方式进行,对计算出的不符合要求的插补时间进行圆整,圆整后采用“削峰填谷”的方法对插补段的加速段、匀速段和减速段的长度和插补时间进行调整,保证加速度和进给速度不超过限定值的条件下,使进给路程不超差,进给速度平滑过渡。