基于arm+fpga的运动控制系统架构的研究与设计word格式论文.docxVIP

摘要无论在机器人、数控技术领域，还是工业自动化领域，运动控制系统都发挥着不 可或缺的作用。就目前发展现状而言，运动控制系统主要有三种形式：CNC 运动控制 系统、基于计算机标准总线的运动控制系统、嵌入式运动控制系统及 PLC 运动控制系 统。不可否认，上述 3 种控制系统以其各自在精确度、稳定性、开放性等方面上优点，都为运动控制技术的发展与进步做出了很大的贡献。然而上述 3 种方式都没能够较为 理想地实现低成本、高性能、高稳定性的有机融合。本文在基于 ARM 和 FPGA 的硬 件基础上，设计了一种高性能、低成本的嵌入式 PLC(ePLC)运动控制系统。基于 ARM 和 FPGA 的 ePLC 运动控制系统是集成了计算机数字控制技术、ARM、 FPGA、嵌入式 PLC 和可重构等技术的系统，主要目的是设计一种受计算机控制的、 具有一定柔性和开放性的运动控制器，是对低成本、高性能的多轴运动控制系统的新 的尝试。ePLC 运动控制系统的软硬件部分的设计与实现是本设计的主要任务。该运 动控制系统采用了软硬件协同设计的理念，提出了逻辑控制与运动控制分别由基于 ARM 的 PLC 和 FPGA 实现，并实现 PLC 梯形图编程平台，为运动控制系统提供了一 个性能稳定的硬件平台和便利的开发环境。ePLC 是用户开发的嵌入式控制系统专用 系统不仅具有 PLC 开发功能，并具有比 PLC 功能更强大的软件功能和硬件扩展能力。系统硬件部分由主控单元、通信单元、运动驱动单元、基本 I/O 单元等模块组成， 系统针对单片嵌入式处理器在处理逻辑任务的同时，无法较好地胜任复杂的运动控制 这一缺陷，提出了一种 ARM+FPGA 的多路同步控制与 32 路 I/O 控制相结合的控制专 用系统，弥补了单处理器处理能力的不足。在软件设计部分，本论文首先在对整个系 统分析论证的前提下，建立了一个嵌入式 PLC 软件模型，并在梯形图中嵌入运动控制 指令；FPGA 上使用 VHDL 采用模块化的方法设计运动控制的运动控制功能，实现包 括 ARM 与 FPGA 的通信模块、运动控制命令解析处理模块、速度控制模块、PWM 信号发生模块、光栅尺反馈信号处理模块和指令模式选择模块等。使用 Quartus II 等 软件完成 FPGA 设计的综合、仿真以及布局布线，把配置文件烧写到专用的配置芯片 后即可实现 FPGA 的运动控制功能；本文在 ARM+FPGA 的硬件框架上实现了系统的 重构（在线升级）功能，以满足运动控制系统对控制功能变化的适应性。关键词：运动控制，ARM，FPGA，嵌入式 PLC，可重构ABSTRACTNo matter in the field of robotics, numerical control technology, or in industrial automation, the motion control system plays an indispensable role. In terms of current development situation, the motion control system has four main forms: CNC motion control system, motion control system based on computer standard bus, embedded motion control system and PLC motion control system. There is no denying that these types of control system which have been greatly improved of their accuracy, stability, openness and other aspects have made outstanding contributions to the technology development and progress. However, these systems failed to achieve the integration of low-cost, high performance, and high stability. This paper proposed to design a high performance and low-cost embedded PLC motion control system (ePLC motion control system) based on ARM and FPGA.The ePLC motion control syst