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《上海交通大学》 2008年
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基于全分布式数控系统的自治式控制单元及关键技术研究

郭伟  
【摘要】: 数控技术是先进制造技术的关键与核心技术,其水平高低已成为衡量一个国家工业现代化的重要标志。随着PC技术的飞速发展,基于PC的开放式数控系统已经得到快速发展和广泛的应用,针对目前开放式数控系统的不足,本文提出了基于全分布式数控系统的自治式控制单元概念,并对其中的关键技术进行了研究: (1)在分析离线插补和全分布式数控系统的基础上,提出并定义了基于全分布式数控系统的自治式控制单元新思想:在PC中一次完成加工轨迹的数据插补,通过现场总线将数据传送至多个自治式控制单元,每个自治式控制单元只负责一个电机的检测和控制,并实现位置环,速度环和电流环三环控制,各单元间采用时种同步方式实现多电机的实时同步连续控制。本文从自治式控制单元需求分析出发,提出并研究了自治式控制单元内部功能模型和软硬体系结构。提出的基于全分布式数控系统的自治式控制单元结构开放清晰,模块化,具有灵活的组态功能。 (2)对全分布式数控系统中PC与自治式控制单元的数据通讯问题进行了研究,分析了现场总线通信模型和CAN总线特性,提出了基于CAN总线的自治式控制单元通讯解决方案,设计了全分布式系统CAN总线应用层通讯协议,并重点研究了PC与自治式控制单元的通讯过程,在保证PC端发送数据比自治式控制单元使用数据速度快的条件下,分析了八个时间段控制单元缓冲区状态,采用双缓冲技术解决了系统通讯问题。 (3)针对自治式控制单元的新特点,将动态矩阵控制理论(DMC)应用于自治式控制单元位置伺服控制,分析了控制单元DMC控制器参数设计步骤并进行了参数仿真。针对数控系统加工中模型参数和动态特性的变化的特点,将自校正思想引入到动态矩阵控制中,对DMC的参数变化进行实时调整,并提出了STC-PID-DMC复合控制方案,并进行了仿真验证。 (4)根据以上研究结果,结合自治式控制单元内部功能模型、硬件软件结构,以嵌入式系统开发为基础,开发了以ARM处理器为核心的嵌入式系统,开发了核心板和接口板双层结构硬件电路,设计了系统启动程序、驱动层软件、应用层软件,分析了定时、中断和通讯程序流程。 (5)作者开发了两块自治式控制卡及相关控制程序,并应用美国Parker公司生产的两轴直线永磁同步电动机平台构建了全分布式数控原型系统。介绍了原型系统研制过程,重点测试了系统通讯和同步控制,并进行了直线电机单轴控制和两轴同步圆轨迹和NURBS曲线轨迹运行试验,对不同中断周期和进给速度对控制精度的影响进行了试验研究。试验结果证明了这种新的控制结构和自治式控制单元的可行性。
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