基于以太网的分布式运动控制系统研究与实现

论文摘要

运动控制是自动控制领域的一个重要分支。随着工业现场总线技术的发展,网络化成为了运动控制系统发展的必然趋势。采用工业以太网构建分布式运动控制系统成为了当今运动控制系统研究的热点。为解决运动控制网络中存在的网络延时和网络同步问题,通常使用改变以太网物理结构或通信调度的方法对网络进行改进。该方法虽然使以太网满足了实时应用的要求,然而牺牲了以太网的通用性。针对运动控制网络中存在的网络延时和网络同步问题,提出了网络时钟同步与定时触发相结合的方法,在满足以太网通用性的前提下实现了对多轴电机的同步控制。所谓定时触发,是指在控制命令中指定命令执行时间,使各控制器按照指定时间定时执行命令。针对网络中插补命令的数据量大,而控制器缓存区小的问题,提出了基于滑动窗口协议的网络流量控制方法,保证了插补命令在网络中实时的传输。以可编程以太网控制器PEC8000为硬件平台,通过软件编程实现了运动控制器和伺服控制器,并采用交换式以太网组成了分布式运动控制系统。分析了控制器的晶振偏差,实现了网络时钟同步。采用微控制器提供的定时计数器实现了定时触发机制。以时钟同步和定时触发为基础,实现了直线插补、圆弧插补、电子齿轮等分布式运动控制功能。分析了插补运算中的舍入误差和控制器的晶振偏差对插补精度的影响,提出并实现了定时补偿的算法,提高了插补控制精度。针对圆弧插补运算耗时较长的问题,使用三次样条逼近正弦曲线的方法,实现了三角函数的快速算法,提高圆弧插补运算速度。组建了四轴同步运动控制平台,验证了网络时间同步和定时触发的可行性,测试了分布式运动控制系统的直线插补和圆弧插补等运动控制功能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 运动控制系统概述
• 1.1.1 运动控制系统的概念
• 1.1.2 通用运动控制器体系结构
• 1.1.3 国内外运动控制器的发展
• 1.2 网络化运动控制系统
• 1.2.1 网络化运动控制系统结构
• 1.2.2 运动控制网络发展现状
• 1.3 论文研究的意义
• 1.4 本文的主要工作
• 2 分布式运动控制策略
• 2.1 运动同步控制
• 2.2 网络时钟同步
• 2.2.1 晶振偏差
• 2.2.2 网络时钟同步算法
• 2.3 网络流量控制
• 3 分布式运动控制系统总体设计
• 3.1 系统硬件结构
• 3.1.1 系统总体结构设计
• 3.1.2 控制器硬件平台
• 3.1.3 控制器与执行机构的连接
• 3.2 系统软件总体设计
• 3.2.1 运动控制器软件流程
• 3.2.2 伺服控制器软件流程
• 3.3 网络通信总体设计
• 3.3.1 网络协议模型
• 3.3.2 滑动窗口协议实现
• 4 运动控制系统同步控制策略的实现
• 4.1 精确系统时钟的实现
• 4.1.1 LPC2378的定时计数器原理
• 4.1.2 精确系统时钟的软件实现
• 4.2 精确时钟同步的实现
• 4.3 定时触发机制的实现
• 4.3.1 普通定时器
• 4.3.2 精确定时器
• 5 分布式运动控制算法实现
• 5.1 单轴运动控制设计
• 5.1.1 单轴运动控制设计
• 5.1.2 单轴运动控制的实现
• 5.2 多轴运动控制算法设计
• 5.2.1 直线插补的实现
• 5.2.2 圆弧插补的实现
• 5.3 电子齿轮算法实现
• 6 分布式运动控制系统的验证
• 6.1 精确系统时钟测试
• 6.2 时钟同步测试
• 6.3 插补算法测试
• 6.4 同步运动平台的组建和测试
• 结论
• 参考文献
• 附录 正弦函数的三次样条插值函数系数
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢