本文選題：網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制 + 開放式結(jié)構(gòu)��； 參考：《山東大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：運(yùn)動控制技術(shù)是制造業(yè)自動化的核心技術(shù)。當(dāng)今制造業(yè)的發(fā)展對運(yùn)動控制系統(tǒng)的精度、效率以及柔性等都提出了更高的要求。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),運(yùn)動控制系統(tǒng)首先需要一個開放、柔性的體系結(jié)構(gòu),于是網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。近年來隨著實(shí)時以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和推廣,網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制系統(tǒng)開始迸發(fā)出強(qiáng)大的活力。本文以提高運(yùn)動控制系統(tǒng)的性能和開放程度為目標(biāo),對網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的模型、以太網(wǎng)的實(shí)時同步機(jī)制等網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。 對網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)控制模型的研究。分析了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在不同驅(qū)動方式下產(chǎn)生的誘導(dǎo)延時,并對延時大小進(jìn)行了比較。建立了延時網(wǎng)絡(luò)控制模型,并根據(jù)運(yùn)動控制系統(tǒng)實(shí)時同步的特點(diǎn)進(jìn)行了簡化。在簡化模型的基礎(chǔ)上就網(wǎng)絡(luò)通信周期和網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延時對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)誤差以及動態(tài)性能的影響進(jìn)行了研究。確定了以減小通信周期和網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延時為準(zhǔn)則的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計方法。 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)模型分析得到的設(shè)計準(zhǔn)則,研究了以太網(wǎng)實(shí)時同步機(jī)制。從系統(tǒng)的角度出發(fā),針對基于PC的開放式運(yùn)動控制提出一種實(shí)時以太網(wǎng)通信協(xié)議EtherMAC(Ethernet for Manufacture Automation Control)。 EtherMAC采用主從結(jié)構(gòu)的線型級聯(lián)網(wǎng)絡(luò),結(jié)合集總幀的數(shù)據(jù)傳輸方式實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)間的確定性通訊；通過基于FPGA(Field Programmable Gate Array)的從節(jié)點(diǎn)來管理網(wǎng)絡(luò)通訊和節(jié)點(diǎn)同步,實(shí)現(xiàn)了通訊周期的精確控制。這些設(shè)計方法使主節(jié)點(diǎn)擺脫了對專用硬件和硬實(shí)時操作系統(tǒng)的依賴,從而提高了系統(tǒng)的開放程度。提出了基于分布時鐘的節(jié)點(diǎn)同步方案,并通過對從節(jié)點(diǎn)晶振誤差進(jìn)行周期補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)了從節(jié)點(diǎn)時間的精確同步。 在以上工作的基礎(chǔ)上,研究了以太網(wǎng)可靠性和功能安全。分析了通信網(wǎng)絡(luò)的故障原因,針對不同應(yīng)用提出了末節(jié)點(diǎn)自動仲裁機(jī)制、自動檢錯重發(fā)機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)糾錯機(jī)制和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計來保障EtherMAC正常工作。引入黑通道技術(shù)來簡化安全相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計,簡化后的系統(tǒng)使用CRC校驗(yàn)、流水號、時間戳、期望時間等安全措施來診斷通信過程中可能發(fā)生的誤碼、順序錯誤幀、超時及連接斷開等故障。提出了EtherMAC功能安全的實(shí)施方法,并對其功能安全響應(yīng)時間進(jìn)行了分析。 在以上方案的基礎(chǔ)上,對基于EtherMAC的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制系統(tǒng)實(shí)施方法進(jìn)行了研究。提出了基于FPGA的從節(jié)點(diǎn)實(shí)施方案,開發(fā)了支持EtherMAC鏈路層協(xié)議的知識產(chǎn)權(quán)(Intellectual Property, IP)核,利用數(shù)據(jù)幀并行處理和在線填充的方式獲得了小于520ns的從節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)延時,提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性能。研究了主節(jié)點(diǎn)的協(xié)議驅(qū)動框架,提出了基于標(biāo)準(zhǔn)PC的軟件化運(yùn)動控制系統(tǒng),并分別提出了基于通用開發(fā)環(huán)境和第三方開發(fā)工具CoDeSys的控制系統(tǒng)開發(fā)方法,從而支持用戶使用高級語言或IEC61131-3中的PLC語言實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的開發(fā),以滿足對不同層次用戶的開發(fā)需求。通過充分結(jié)合主節(jié)點(diǎn)PC的運(yùn)算能力和從節(jié)點(diǎn)FPGA的硬件特性,提出了高速精插補(bǔ)算法、控制系統(tǒng)加減速的優(yōu)化算法和提高多軸聯(lián)動控制系統(tǒng)合成輪廓精度的誤差控制算法,為提高網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)性能提供了一種思路,同時也證明了EtherMAC在應(yīng)用于運(yùn)動控制系統(tǒng)時的優(yōu)勢。 最后,搭建了EtherMAC網(wǎng)絡(luò)控制測試系統(tǒng),對系統(tǒng)的實(shí)時同步性能進(jìn)行了測試,并通過實(shí)際生產(chǎn)加工驗(yàn)證了系統(tǒng)性能。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TP273

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1897926