多轴运动控制接口电路设计及其在FPGA中的实现

摘要

随着现代工业的飞速发展，运动控制已经成为数控领域的关键技术。数控领域对于多轴同步控制的需求逐渐增多，且要求运动控制具有高精度、高速度的特征。数字化技术的发展促使运动控制的设计方案多种多样，采用ARM与FPGA结合的方案，利用PLC控制器的优点将运动控制技术与 PLC控制技术相结合，设计出一款控制精度高、速度快、编程方便、通用性好、低成本的运动控制器。本文在着重介绍多轴运动控制接口电路在FPGA中的实现，并验证其功能的正确性。
　　首先，基于当前运动控制领域的背景和发展提出了运动控制接口电路的功能需求，对运动控制的整体结构做出分析，选择FPGA电路设计的流程和方法，将运动控制器系统化、模块化。
　　然后，对FPGA的最小系统做出设计，分别对系统的电源、晶振、调试下载做出设计说明，并在输入输出端使用光电隔离，避免工业噪声的干扰。在外围硬件设计完毕后，设计选择并行总线通信连接ARM与FPGA，在FPGA内部设计数据接口电路，并设计数据的缓存机制，对 FPGA的功能进行寄存器分配，设计通过操作功能寄存器来控制FPGA的数据读写。
　　接着，对FPGA内部的功能子模块进行详细的设计说明。设计从功能模块的设计需求出发，对功能模块进行寄存器分配，然后分析设计原理，使用Verilog HDL硬件语言设计模块电路，并对模块进行原理图封装和调用。设计包括时钟模块、轴脉冲输出模块、轴使能位选则模块和使能位控制模块、PLS模块、计数测频模块、中断模块、输入输出信号处理模块等。
　　最后，验证FPGA的接口电路在运动控制器中的实现，设计根据功能要求搭建硬件和软件验证平台，使用运动控制功能块指令对运动控制器编程，控制器结合下位机的ARM软件和FPGA硬件接口电路共同实现运动控制。采用逻辑分析仪和标准信号源对验证结果进行分析，并验证设计结果。

目录

声明

1 绪论

1.1 论文背景

1.2 研究目的和意义

1.3 国内外研究现状

1.4 主要研究目标与研究内容

1.5 论文结构安排

1.6 本章小结

2 多轴运动控制系统方案设计

2.1 系统功能需求

2.2 系统方案设计

2.3 FPGA设计方法

2.4 本章小结

3 FPGA外围电路及其数据接口设计

3.1 FPGA最小系统设计

3.2 输入输出信号处理电路

3.3 FPGA与ARM的数据接口设计

3.4 功能寄存器设定

3.5 本章小结

4 多轴运动控制电路设计

4.1 时钟模块设计

4.2 轴脉冲输出模块设计

4.3 多轴使能管理模块设计

4.4 PLS的PWM占空比可调输出

4.5 高速计数测频模块设计

4.6 中断模块设计

4.7 输入和输出信号处理模块设计

4.8 本章小结

5 实现与验证

5.1 验证平台的搭建

5.2 运动控制软件系统实现介绍

5.3 设计结果验证

5.4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢