本文關(guān)鍵詞： 虛機(jī)實(shí)控 HIL xPC 實(shí)時(shí)仿真 Linux CNC EtherCAT　出處：《天津大學(xué)》2016年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著多體動(dòng)力學(xué)、有限元分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等技術(shù)的發(fā)展,虛擬樣機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于機(jī)電產(chǎn)品的開發(fā),它能極大減少實(shí)體樣機(jī)修改工作,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,降低產(chǎn)品研發(fā)成本,提高產(chǎn)品性能。但目前的大部分虛擬樣機(jī)技術(shù)主要面向樣機(jī)設(shè)計(jì)階段的性能預(yù)估和優(yōu)化,信息采集與反饋滯后,具有非實(shí)時(shí)性,無法有效評(píng)估樣機(jī)測(cè)試與運(yùn)行等產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)階段的性能。虛擬樣機(jī)的實(shí)時(shí)仿真與測(cè)試技術(shù)能夠有效解決上述問題,它通過硬件在環(huán)(HIL,Hardware in the Loop)等半物理仿真實(shí)驗(yàn),獲得所測(cè)試的機(jī)電產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)的性能數(shù)據(jù),從而指導(dǎo)產(chǎn)品的優(yōu)化和升級(jí)�；趪�(guó)內(nèi)外研究控制系統(tǒng)在環(huán)仿真的現(xiàn)狀,本文提出了一種基于xPC的實(shí)時(shí)仿真及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。重點(diǎn)研究了多體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模、xPC實(shí)時(shí)仿真技術(shù)、EtherCAT主從站開發(fā)、EtherCAT周期性過程通信等內(nèi)容。該方案利用Robotran等構(gòu)建多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,使模型能夠在xPC實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)實(shí)時(shí)運(yùn)行,并通過EtherCAT實(shí)時(shí)通信技術(shù),使仿真模型能夠與真實(shí)數(shù)控系統(tǒng)LinuxCNC之間完成實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的在環(huán)仿真。本文提出的方案是一套完備的 虛機(jī)實(shí)控‖解決方案。首先,利用Robotran的動(dòng)力學(xué)建模特性,構(gòu)建出真實(shí)度較高的仿真模型,并與Simulink一起進(jìn)行協(xié)同實(shí)時(shí)仿真,實(shí)現(xiàn) 虛機(jī)‖的要求。其次,利用EtherCAT技術(shù)的特點(diǎn),構(gòu)建出實(shí)時(shí)通信的主從站。在運(yùn)行x PC的目標(biāo)機(jī)上添加帶有ESC的KPA卡,使目標(biāo)機(jī)成為從站;在運(yùn)行Linux CNC的工控機(jī)上安裝EtherCAT主站軟件,使工控機(jī)成為主站。再次,開發(fā)EtherCAT主從站程序。在LinuxCNC中利用comp工具構(gòu)建EtherCAT的HAL(Hardware Abstract Layer)通信模塊,模擬主站;在Simulink中編寫C語言的S函數(shù),驅(qū)動(dòng)從站工作。最后,編寫PDO(Process Data Obeject)通信代碼,實(shí)現(xiàn)了EtherCAT主從站之間的周期性PDO通信,符合數(shù)控系統(tǒng)與伺服驅(qū)動(dòng)之間的通信要求。同時(shí),本文還成功地進(jìn)行了多體系統(tǒng)單軸的位置環(huán)控制試驗(yàn)。研究結(jié)果表明,本文開發(fā)的基于xPC的實(shí)時(shí)仿真及控制系統(tǒng),能夠用于多體系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的開發(fā)與測(cè)試,實(shí)現(xiàn)了“虛機(jī)實(shí)控”。
[Abstract]:With the development of multi-body dynamics, finite element analysis, computer graphics and other technologies, virtual prototyping technology is widely used in the development of mechanical and electrical products. However, most of the virtual prototyping technologies are mainly oriented to the performance prediction and optimization of the prototype design stage, the information collection and feedback lag behind, and the virtual prototyping technology is non-real-time. The real-time simulation and test technology of virtual prototyping can effectively solve the above problems, and it can be solved effectively by semi-physical simulation experiments such as hardware in the Loop. etc. The performance data of the tested electromechanical products are obtained to guide the optimization and upgrading of the products. In this paper, a design scheme of real-time simulation and control system based on xPC is proposed. The dynamic modeling of multi-body system and the real-time simulation technology of EtherCAT are emphatically studied. The main and slave stations of EtherCAT develop the periodic process communication of EtherCAT. The dynamic model of multi-body system is constructed by using Robotran and so on. The model can run in real time on the xPC real-time simulation platform, and through the EtherCAT real-time communication technology, the simulation model can complete the real-time data exchange between the simulation model and the real NC system LinuxCNC. In order to realize in loop simulation of NC system, the scheme proposed in this paper is a set of complete solution of virtual machine real control. Firstly, the simulation model with high fidelity is constructed by using the dynamic modeling characteristics of Robotran. And with Simulink to carry out collaborative real-time simulation to meet the requirements of the virtual machine. Secondly, using the characteristics of EtherCAT technology, the master and slave station of real-time communication is constructed. The KPA card with ESC is added to the target computer running x PC to make the target machine become slave station. The software of EtherCAT master station is installed on the industrial control computer running LinuxCNC, so that the industrial control computer becomes the master station. Thirdly, the EtherCAT master station program is developed. In LinuxCNC, the HAL(Hardware Abstract layer communication module of EtherCAT is constructed by using the comp tool, and the main station is simulated, and the S function of C language is written in Simulink. Finally, the PDO(Process Data object) communication code is written to realize the periodic PDO communication between the master and slave stations of EtherCAT, which conforms to the communication requirements between CNC system and servo drive. The research results show that the real-time simulation and control system based on xPC can be used in the development and test of multi-body system and control system. Realized "virtual machine real control".
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP391.9;TP273

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