● 摘要
以处理器和可编程器件为核心的运动控制器是构成现代制造装备的重要组成部分，尤其是数控机床和工业机器人。随着制造装备对运动控制器性能、功能要求的不断提高，传统的基于通用处理器、独立可编程器件和各种外围接口器件的硬件体系结构变得越来越复杂，随之而来的是可靠性的降低和性能提升的困难。片上系统技术的出现为解决该问题提供了新的途径，它将处理器和各种外围器件集成在一个芯片中，在提高可靠性的同时，降低了成本和应用难度。但是由于专用芯片的昂贵开发费用和运动控制器产量规模有限，目前尚没有成熟的、专门为数控机床和工业机器人应用环境设计的片上系统芯片。近年来，随着可编程器件，特别是FPGA的发展，可编程器件的逻辑资源规模和速度都有了显著提高，器件成本明显降低。随之出现了可编程片上系统，即以可编程器件为载体的片上系统。可编程片上系统兼具片上系统功能，同时还具有用户可编程逻辑资源，从而可以进一步提高制造装备控制系统硬件的集成度、性能和可靠性。本文将可编程片上系统技术引入运动控制器设计，使用可编程器件来实现运动控制器中关键的插补、位置控制、PLC、运动控制总线等功能，提出一种面向运动控制器应用环境的片上系统体系结构，同时给出了配置和设计工具。该体系结构和设计工具不但简化了运动控制器核心芯片的设计，而且基于开源的软核处理器和片上总线标准，摆脱了对国外可编程片上系统设计环境的依赖，为自主知识产权的高性能片上运动控制器芯片产业化奠定了一定的基础。由于插补、位置控制、PLC、运动控制总线和片上总线互连模块也决定了运动控制的性能，以此为基础，本文还对插补、运动控制总线和片上总线互连模块进行深入研究。实验证明上述体系结构是合理的，关键IP的设计是正确的。在精插补过程中，通常的做法是使用匀速直线插补代替实际曲线，这种做法不但会造成速度波动，最终产生机械震动，同时降低驱动系统的加速能力，限制工作效率。本文针对该问题，首先提出一种保证匀速直线轨迹脉冲输出均匀的精插补算法，降低机械震动，提高数控机床加工的光洁度。然后提出一种保证速度和加速度连续的精插补算法，有效降低速度和加速度波动，提高工作效率。最后提出使用圆弧DDA插补来实现圆弧精插补，并针对圆弧DDA插补的误差和结束条件等问题进行研究，给出可行的解决方法。实验证明了上述算法的正确性，在数控系统和工业机器人控制器上的产业化应用表明，上述算法有较大的实用价值。以太网物理层的运动控制总线是高性能运动控制系统的重要技术特征。本文针对以太网物理层的运动控制总线的同步性、实时性和可靠性，提出以下三个机制：1、到达预测机制，以较低的软硬件成本，实现大规模网络中从站同步抖动小于160纳秒；2、提前重发机制，降低重发情况下的通信周期，提高通信效率，进而提高实时性；3、数据段独立校验机制，使重发条件下的可靠性得到显著提高。实验证明了上述机制的有效性，基于上述机制的基本通信协议是可以正确工作的。为了保证高性能片上系统内各模块之间的通信带宽需求，通常采用交叉结构的片上总线互连模块，但是交叉结构互连模块面积消耗非常巨大。针对该问题，本文首先提出了一种新的互连结构——交叉共享互连结构，与交叉结构相比，可以有效降低面积需求，从而降低片上系统成本。然后，本文证明了交叉共享结构中共享部分的划分方法问题——ISP问题，是一个NP完全问题。最后，对装箱问题中的FFD近似算法进行了优化，提出一种变形的FFD算法——BCD近似算法，并且使用BCD近似算法给出了共享部分的划分方法。上述的交叉互连结构及其设计方法在片上运动控制器的片上互连结构设计中得到应用，大大降低了片上互连结构的面积消耗。最后，本文描述了片上运动控制器和运动控制总线优化机制等在实验平台上进行验证的过程，证明了体系结构的合理性和实用性，总线优化机制的有效性。其中，精插补算法的对比测试证明，该算法可以显著提高数控机床和工业机器人的轨迹精度及工作效率，具有重要的实用意义。