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《山东大学》 2014年
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网络化运动控制系统的关键技术研究

姬帅  
【摘要】:运动控制技术是制造业自动化的核心技术。当今制造业的发展对运动控制系统的精度、效率以及柔性等都提出了更高的要求。为实现这些目标,运动控制系统首先需要一个开放、柔性的体系结构,于是网络化控制系统应运而生。近年来随着实时以太网技术的应用和推广,网络化运动控制系统开始迸发出强大的活力。本文以提高运动控制系统的性能和开放程度为目标,对网络化控制系统的模型、以太网的实时同步机制等网络化运动控制系统中的关键技术进行了研究。 对网络化控制系统控制模型的研究。分析了网络节点在不同驱动方式下产生的诱导延时,并对延时大小进行了比较。建立了延时网络控制模型,并根据运动控制系统实时同步的特点进行了简化。在简化模型的基础上就网络通信周期和网络诱导延时对控制系统的稳定性、稳态误差以及动态性能的影响进行了研究。确定了以减小通信周期和网络诱导延时为准则的网络系统设计方法。 根据网络化控制系统模型分析得到的设计准则,研究了以太网实时同步机制。从系统的角度出发,针对基于PC的开放式运动控制提出一种实时以太网通信协议EtherMAC(Ethernet for Manufacture Automation Control)。 EtherMAC采用主从结构的线型级联网络,结合集总帧的数据传输方式实现了节点间的确定性通讯;通过基于FPGA(Field Programmable Gate Array)的从节点来管理网络通讯和节点同步,实现了通讯周期的精确控制。这些设计方法使主节点摆脱了对专用硬件和硬实时操作系统的依赖,从而提高了系统的开放程度。提出了基于分布时钟的节点同步方案,并通过对从节点晶振误差进行周期补偿实现了从节点时间的精确同步。 在以上工作的基础上,研究了以太网可靠性和功能安全。分析了通信网络的故障原因,针对不同应用提出了末节点自动仲裁机制、自动检错重发机制、网络纠错机制和环形网络冗余设计来保障EtherMAC正常工作。引入黑通道技术来简化安全相关系统的设计,简化后的系统使用CRC校验、流水号、时间戳、期望时间等安全措施来诊断通信过程中可能发生的误码、顺序错误帧、超时及连接断开等故障。提出了EtherMAC功能安全的实施方法,并对其功能安全响应时间进行了分析。 在以上方案的基础上,对基于EtherMAC的网络化运动控制系统实施方法进行了研究。提出了基于FPGA的从节点实施方案,开发了支持EtherMAC链路层协议的知识产权(Intellectual Property, IP)核,利用数据帧并行处理和在线填充的方式获得了小于520ns的从节点转发延时,提高了数据传输的实时性能。研究了主节点的协议驱动框架,提出了基于标准PC的软件化运动控制系统,并分别提出了基于通用开发环境和第三方开发工具CoDeSys的控制系统开发方法,从而支持用户使用高级语言或IEC61131-3中的PLC语言实现控制系统的开发,以满足对不同层次用户的开发需求。通过充分结合主节点PC的运算能力和从节点FPGA的硬件特性,提出了高速精插补算法、控制系统加减速的优化算法和提高多轴联动控制系统合成轮廓精度的误差控制算法,为提高网络化控制系统性能提供了一种思路,同时也证明了EtherMAC在应用于运动控制系统时的优势。 最后,搭建了EtherMAC网络控制测试系统,对系统的实时同步性能进行了测试,并通过实际生产加工验证了系统性能。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TP273

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【参考文献】
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