基于时钟同步的网络化运动控制方法与实现

论文摘要

网络化运动控制系统具有降低布线成本、便于诊断和维护、以及提高系统柔性等优点,运动控制网络是其关键组成部分。网络化运动控制系统需要通过控制网络在控制器和各个运动轴驱动器之间高频率、低延迟、低抖动地交换控制和传感数据,以保证运动的高速度和高精度。而串行控制网络本质上是有限带宽和异步的,这是网络化运动控制应用所面临的主要障碍,因此对这一问题的研究具有重要意义。本文提出了基于预测控制和网络时钟同步的解决方法。首先,本文讨论了网络同步在多轴协调运动控制中的作用,提出了一种基于网络时钟同步的分布式插补方法。分析了网络延迟对单轴跟踪控制性能的影响,提出了基于时间戳和预测控制的补偿方法。对固定网络延迟,采用Smith预估器加以补偿,并应用零相位误差跟踪控制和Youla参数化改善其动态特性和鲁棒性。对随机时变网络延迟,采用广义预测控制算法和报文缓冲机制加以补偿。仿真和实验结果证明了上述算法的有效性。采用同步的时钟,网络延迟可从每个报文中的时间戳信息获得。本文讨论了三种控制网络的时钟同步机制,提出了适用于多种网络的从时钟的调整算法,给出了基于ARM7系统的IEEE 1588协议的实现。控制网络的最大允许延迟界限对实现预测控制算法非常重要。本文提出了基于时间自动机的控制网络最大延迟分析方法,通过建立网络调度的时间自动机模型,用模型检查方法分析网络的最大延迟,并给出了三种控制网络的时间自动机模型。提高运动控制网络通信的可靠性可有效地降低网络延迟,本文分析了电磁干扰对通信的影响,提出了一种CAN总线的光纤双环冗余网络方法。最后,基于上述方法,完成了基于PROFIBUS的网络化运动控制原型系统和基于CANopen的剪板机网络化多轴同步控制系统的开发。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题来源与研究背景
• 1.1.1 课题的来源
• 1.1.2 课题的研究背景
• 1.2 网络化运动控制系统的产生与发展
• 1.2.1 网络化控制系统的产生与发展
• 1.2.2 网络化运动控制系统和运动控制网络
• 1.3 国内外理论研究现状及分析
• 1.3.1 网络化控制理论的研究
• 1.3.2 控制网络建模与性能分析
• 1.3.3 网络化运动控制的研究
• 1.4 存在的问题
• 1.5 本文的主要工作内容
• 2 网络化运动控制策略
• 2.1 引言
• 2.2 基于网络的多轴协调运动控制策略
• 2.2.1 采样同步的影响
• 2.2.2 基于时钟同步的分布式PVT 插补算法
• 2.3 基于网络的单轴跟踪运动控制策略
• 2.3.1 网络延迟的影响
• 2.3.2 固定延迟的补偿
• 2.3.3 时变网络延迟的补偿
• 2.3.4 仿真和实验研究
• 2.4 小结
• 3 运动控制网络的时钟同步
• 3.1 引言
• 3.2 控制网络时钟同步机制概述
• 3.2.1 基本概念
• 3.2.2 CAN 总线的时钟同步机制
• 3.2.3 PROFIBUS 的时钟同步机制
• 3.2.4 工业以太网的时钟同步机制
• 3.3 控制网络节点的时钟调整算法
• 3.4 IEEE 1588 协议的实现
• 3.4.1 频率可调时钟及调整机制
• 3.4.2 报文时间戳机制
• 3.4.3 支持PTP 协议的嵌入式网络节点设计
• 3.5 小结
• 4 运动控制网络的最大延迟分析
• 4.1 引言
• 4.2 时间自动机的语法与语义
• 4.3 基于时间自动机的CAN 总线最大延迟分析
• 4.3.1 CAN 总线链路层机制
• 4.3.2 Tindell 的近似分析方法
• 4.3.3 CAN 总线的时间自动机模型及延迟分析
• 4.4 基于时间自动机的PROFIBUS-DP 最大延迟分析
• 4.4.1 PROFIBUS-DP 链路层机制
• 4.4.2 PROFIBUS-DP 的时间自动机模型及延迟分析
• 4.5 基于时间自动机的交换以太网的最大延迟分析
• 4.5.1 支持优先级的以太网交换机机制
• 4.5.2 交换以太网的时间自动机模型及延迟分析
• 4.6 故障条件下的网络最大延迟分析
• 4.7 小结
• 5 运动控制网络的抗干扰设计
• 5.1 引言
• 5.2 电磁干扰对运动控制网络的影响
• 5.3 CAN 总线的光纤接口设计
• 5.3.1 CAN 总线光纤网络的拓扑结构
• 5.3.2 光纤和光纤收发器的选择
• 5.3.3 CAN 总线光纤环型网络接口的设计与实现
• 5.4 CAN 总线双环冗余网络
• 5.5 小结
• 6 应用系统设计
• 6.1 引言
• 6.2 基于PROFIBUS-DP 的运动控制原型系统
• 6.2.1 原型系统的硬件接口设计
• 6.2.2 电子凸轮功能的实现
• 6.3 基于CANOPEN 的剪板机多轴同步控制系统
• 6.4 小结
• 7 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文目录
• 附录2 专利和科研成果