专用高速运动控制网络(从节点运动控制逻辑设计)毕业设计论文(编辑修改稿)

专用高速运动控制网络(从节点运动控制逻辑设计)毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

运动控制网络由德国率先发起，并于 1995年获得通过正式成为 IEC61491国际标准。 SERCOS主南京工程学院康尼学院本科毕业设计（论文） 5 要应用在分散式多轴运动控制上，并明确定义了伺服电机位置、速度及转矩等控制命令的通信协议，提供使用者一个实时、抗干扰力强、高解析度、可完全以软件方式规划的串行传输网路。 在使用塑料光纤为传输介质时，每节点间的传输距离为 40m； 若使用玻璃光纤， 传输距离可长达 200m，整个环状网路的长度可达（ 15） m。 每个环状网络理论上最多可连接 256个辅节点，而实际可连接的节点数取决于传输周期、数据长度及传输速率。 SERCOS是目前国际上惟一成为 IEC国际标准的运动控制专用网络，特点如下： ① SERCOS是全数字化网路； ② SERCOS是开放式架构； ③ SERCOS具有良好的扩充性；④ SERCOS具有即插即用（ Plugamp。 Piay）的特性； ⑤ SERCOS 具有跨厂商相容的特性。 目前市场上使用的产品规格为 SERCOSⅡ ，最近已推出 SERCOSⅢ 的 demo 版，其网络拓扑架构采用双环形（ double ring）方式。 当有 任何断点发生时，通信仍然能正常运作。 SERCOSⅢ 同时整合了 IP通信协议，可通过以太网实时或非实时地传送数据。 通过以太网， SERCOSⅢ 可支持 SlavetoSlave通信，允许 Slave端直接从另一个 Slave端读取资料，而不必通过 Master端转接。 3） IEEE 1394 IEEE 1394接口标准始于 1986年，是由 IEEE 1394专业委员会主持制订的。 从 1988年开始，苹果（ Apple）公司的 Michael Teener着手研究 IEEE 1394的基本技术， 1992年该公司的提案被采纳为 IEEE 1394标准规范， 1994 年 9月正式成立 IEEE 1394 Trade Association，以普及 IEEE 1394为标准的家庭网络规格，并推出用于保证高质量和兼容性的规范。 IEEE 1394具有高速通信及同步传输能力，可以实现运动控制系统的新思维 软件运动（ Softmotion）。 这样便将原本属于运动控制卡负责的工作，如运动轨迹规划及伺服控制，分散到 PC及各个轴的智能型驱动器上。 当然，这有赖于驱动器之间的高速通讯能力。 软件运动的出现，将使运动控制卡扮演的角色逐渐减弱。 作为一种数据传输的 开放式技术标准， IEEE 1394被应用在众多领域。 当然，目前该技术使用最广的还是数字成像领域，支持的产品包括数字相机或摄像机等。 IEEE 1394具有以下特点： ①廉价； ② 占用空间小； ③ 速度快； ④ 开放式标准； ⑤ 支持热插拔； ⑥ 可扩展的数据传输速率； ⑦ 拓扑结构灵活多样； ⑧ 完全数字兼容； ⑨ 可建立对等网络； ⑩支持同步和异步两种数据传输模式。 目前，致力于推广 IEEE 1394网络技术发展的主要是欧洲的 1394 Automation和1394 Trade Association两个组织，这两个组织已经合并。 此次合并 的目的是“形成一个世界范围的组织，从而更好地推广这个惟一能将运动控制、视觉和 I/O系统 南京工程学院康尼学院本科毕业设计（论文） 6 的信号通过一条线缆进行传输的标准”。 合并后， 1394 Automation将作为 1394 Trade Association内部的一个技术工作组继续开发和推广 IEEE 1394标准。 1394 Automation的原有成员将成为 1394 Trade Association的当然会员。 1394 TradeAssociation在下一阶段的工作重点是运动控制，相信通过双方资源的整 合和共同努力， IEEE 1394标准将很快在 运动控制领域取得巨大进展。 4） Synq Synq是 Motion Engineering Inc.（ MEI）公司设计的一个架构在 100BaseT物理层的运动控制网路，它采用一种实时、同步数字网络专利技术，代替（运动控制器与伺服驱动装置之间的）标准177。 10v模拟量接口，从而可在各种复杂应用中显示出非凡的运动性能。 该技术特别适合半导体、电子组合装置、工业机器人、 FPD、包装以及医疗等 OEM设备市场中的高性能运动控制应用。 Synq是以以太网为基础的运动网络， 所使用的 100BasedT物理层与 一般商用以太网相同，是完全根据 IEEE ，它可以同步连接 32个轴。 其传输方式也由以太网的半双工改为全双工，网络拓扑也由对等网络改为环形。 现行以太网通信协议的设计适用于数据量大、传输频率低、甚至是远距离的传输模式，这一点与实时运动控制网络所需的数据量不大、传输频率高、短距离传输有所不同。 即一个符合 IEEE Ether数据帧， 由 28个控制位和至少 46个数据位组成。 就一般工业运动应用而言，这种协议是特大型协议。 通常，一个节点的数据需要量是很小的（小于 46位）。 为了 降低周期时间和等待时间， Synq已经在第 2层（数据链路层）对数据帧进行了优化。 一个数据帧由至少 24位组成，而不是至少 74位。 这是 Synq胜过以太网的一个主要优点，可提供更快速、更具预测性的性能。 Synq网络的设计消除了 CSMA/CD机制固有的不确定性问题。 它采用一种同步方法，以一种规则的预定时间方式，将数据传送到每一台设备中。 使用独立的接收与发送导线对（全双工），可避免数据冲突，并可达到 2 100 Mbit的确定性数据传输速率。 其结果是周期时间最短为 25μ s（ 4根轴）。 此外， Synq具有一种周期时间最短可达 10μ s的可组态包结构。 Synq采用一种以双冗余数据通道为特色的独特容错设计，从而可实现机器运行的高可靠性。 通过一根次级数据电缆，以新路线发送数据，可自动对一次数据电缆中的间歇断路或短路进行实时检测、隔离和维修。 这一特性对于提高任何运动应用的安全性和可靠性来说都是十分关键的，可实现机器可用性的最大化，并降低昂贵的崩溃风险。 Synq运动控制网络还具有以下特点： ① 适合控制复杂机器的中央控制体系结构； ② 更新至 amp。 J STU 的高转矩带宽，最多可支持 $K 根协同轴； ③ 针对噪 声抗扰度和电缆短路的电气隔离； ④ 适合机器可用南京工程学院康尼学院本科毕业设计（论文） 7 性最大化的双数据通道容错操作； ⑤ 真正的即插即用型多卖方互操作性； ⑥ 电机驱动性能的远程故障诊断； ⑦ 远程驱动组态及设置； ⑧ 驱动固件功能的远程更新； ⑨自动网络组态和完整性检验； ⑩ 每个节点之间电缆布线长度超过 100m。 5） Profi Profi是 Profibus国际组织推出的基于工业以太网的自动化解决方案。 该技术为当前用户提供了一套完整、高性能、可伸缩的升级至工业以太网平台的解决方案。 它能为 Profibus及其他现场总线网络系统提供以太网移植服务。 在 Profi标准中， 根据不同的应用场合， Profi支持以下三种通信方式： ① 使用 TCP/IP的标准通信 Profi使用以太网和 TCP/IP协议作为通信基础。 TCP/IP是 IT领域关于通信协议方面事实上的标准。 但 TCP/IP只提供了基础，用于以太网设备通过传输通道在本地和分布式网络中进行数据交换。 在较高层上则需要其他的规范和协议（亦称为应用层协议），而不是 TCP或 UDP。 典型的应用层协议有： SNMP，DHCP和 HTTP。 ② 实时（ RT）通信绝大多数的工厂自动化应用场合，对响应时间的要求最少在 510 ms。 为了满足自动控制中的实时要求，在 Profi中规定了优化的实时通信（ RT）通道，它基于以太网的 Layer2（数据链路层）。 这一解决方案极大地减少了通信栈上占用的时间，从而提高了自动化数据的刷新率等性能。 ③ 同步实时（ RT）通信 Profi被设计成可用于高性能的同步运动控制应用。 然而，对上述响应时间在 510 ms的实时通信不足以满足伺服运动控制场合的需求。 伺服运动控制是指在 100个节点下，响应时间低于 1 ms，同步传送和抖动小于 1 μ s的情况。 Profi的同步实时 IRT功能是在 Layer2上由内嵌的同步实时交换 ASIC芯片提供的。 Prifi在同步实时（ IRT）通信方式下应用在同步运动控制场合。 IRT的通信特点是，在一个周期内通过分隔时间域来传输实时和非实时数据。 循环实时报文通过确定性通道（ IRT channel）来传递； 而 TCP/IP报文则通过标准通道（ OPEN channel）来传递。 就如同在高速公路上，预留左车道用于实时通信传递，并且禁止其它使用者（ TCP/IP 通信）切换到这个车道。 这样一来即使右车道发生通信堵塞，也不会影响到左车道的实时通信传递。 Profi采 用“以太网 +TCP/IP”作为低层的通信模型， 采用 !TCP/IP协议上应用层的 ,RPC/DCOM来完成节点之间的通信和网络寻址。 它可以同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现场设备。 现有的 Profibus网段可以通过一个代理设备连接到 Profi网络当中，使整套 Profibus设备和协议能够原封不动地在 Profi中使用。 本文的结构 本文以专用高速运动控制网络的研发工程项目作为应用背景，对轮廓插补技术进南京工程学院康尼学院本科毕业设计（论文） 8 行了研究。 全文共分为七章，各章的主要内容如下： 第一章扼要地介绍了运动控制网络 的概念、特点与相关研究背景； 第二章研究了运动控制网络的整体结构； 第三章重点对从节点逻辑设计进行了研究； 第四章进行了直线插补算法； 第五章进行了圆弧插补算法 ； 第六 章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。 南京工程学院康尼学院本科毕业设计（论文） 9 第二章 网络整体结构 需求分析 1） 多轴运动控制。 机器设备因自动化程度提高而使得单一机器上所需要的轴数增多 , 一台设备上十几轴是常见的事情。 在轴数变多后 , 如何协调各轴动作就是一个重要的课题。 2）体积要小。 由于厂房空间的限制 , 机器的体积要求越小越好 , 机器内控 制器的体积也就被要求愈来愈小 , 相对的走线空间也愈来愈小。 3）要更精确。 随着半导体制程已经精密到 100nm 一下 , 在制程及检测相关设备所要求的运动精度也要更精确 , 其它如 LCD 设备 , SMD 制程设备也有相同要求。 4）要更稳定。 因为所有设备的投资经费庞大 , 系统停机的成本就更显的突出 , 因此所有机器设备制造商都必须追求系统的稳定性。 同时也必须考虑在组件损坏要维修时 , 必须能快速替换且不出差错。 综合以上几点的需求分析可以看到 , 既要在一个控制器内进行多轴运动控制 , 又 要控制器的体积更小 , 配线和维修要更容易 , 这些条件看来是相冲突的。 可以这样说 , 现场总线技术便是应这些新机器设备的需求而产生的。 基于VHDL 插补 芯片 实现各象限的 直线和圆弧 插补， 能够区分四象限直线的坐标并做不同的算法处理，对外输出 X 轴和 Y 轴的脉冲，结合时序，配合 CLK 进行插补。 插补芯片不仅能区别四象限的直线还能处理四象限的圆弧插补问题，在处理圆弧问题是要区分逆圆弧插补和顺圆弧插补的问题。 系统整体结构 系统整体包括：电源模块， USB 模块， TFT 液晶模块，键盘模块， SDRAM 模块和FLASH 模块等，如 图 所示。 南京工程学院康尼学院本科毕业设计（论文） 10 图 系统整体结构图 主控 CPU 是整个系统的核心，软件的运行平台都要靠它搭建，许多复杂的控制算法都靠它实现，这次的控制对象是工业级的，所以要选择一款高性能的微处理器才能达到设计要求。 主（ HOST)、从（ SLAVE）节点模块是高速网络最重要的组成部分，它们起着构建网络的重要作用，所有的通讯协议逻辑，以及数据的交换都要在这里进行，主从节点的性能直接决定整个网络的性能。 人机交互模块是整个系统的一个窗口，它将系统中每个节点的状态，节点的插补轨迹，当前执行的程序段显示在液晶界面内，清晰的 反应出整个网络的工作情况，以便监督控制。 根据上述的简化 Synq 运动控制网络结构，本项目研究中的运动控制芯片有两种：主控（ host）芯片与运动控制（ slave）芯片。 主控芯片接收 CPU 送来的并行数据，根据网络介质的要求将其转换为四位数据，同时响应数据传送时钟 TXC，在 TXC的升沿将数据发送到简化 Synq 网络上，供运动控制芯片接收。 运动控制芯片芯片接收来自主控芯片的四位数据，转化为 16 位数据后进行 16为循环冗余码校验，如果数据出错，则通过自带的发送功能向主控芯片发出重发请求。 反之，根。