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

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 数控技术的现状、发展趋势与研究动态
• 1.2.1 数控技术及发展趋势
• 1.2.2 开放式数控技术研究进展
• 1.3 伺服控制技术研究概况
• 1.3.1 伺服系统发展过程
• 1.3.2 伺服系统国内外研究现状
• 1.3.3 伺服系统未来发展趋势
• 1.4 目前开放式数控系统的常见形式和不足
• 1.5 本课题的引出
• 1.6 课题研究的目的、意义及主要内容
• 本章参考文献
• 第二章 基于全分布式数控系统的自治式控制单元的提出
• 2.1 引言
• 2.2 插补技术概述
• 2.2.1 插补的基本概念
• 2.2.2 插补的分类
• 2.3 离线插补技术分析
• 2.3.1 粗精两级插补存在的问题
• 2.3.2 离线插补技术
• 2.4 一种新型全分布式数控系统
• 2.5 基于全分布式数控系统的自治式控制单元的提出
• 2.5.1 自治式控制单元定义
• 2.5.2 全分布式数控系统与自治式控制单元的优势
• 2.6 本章小结
• 本章参考文献
• 第三章 自治式控制单元内部模型与体系结构研究
• 3.1 引言
• 3.2 自治式控制单元需求分析
• 3.2.1 自治式控制单元的设计原则
• 3.2.2 自治式控制单元设计需要解决的问题
• 3.3 自治式控制单元模型及硬件结构
• 3.3.1 单元功能模型研究
• 3.3.2 控制单元硬件结构设计
• 3.4 自治式控制单元软件结构研究
• 3.4.1 传统软件设计的不足及嵌入式实时操作系统的引入
• 3.4.2 μC/OS-II 在自治式控制单元中应用的可行性论述
• 3.4.3 基于μC/OS-II 的自治式控制单元软件结构
• 3.5 自治式控制单元其它关键技术
• 3.6 本章小结
• 本章参考文献
• 第四章 自治式控制单元 CAN 总线通讯技术研究
• 4.1 引言
• 4.2 现场总线通信模型及简化
• 4.3 CAN 总线特点与分层结构
• 4.3.1 CAN 总线的特点
• 4.3.2 CAN 总线通信的层次结构
• 4.4 全分布式数控系统通讯系统结构和硬件方案设计
• 4.4.1 PC 机通讯解决方案
• 4.4.2 自治式控制单元方案
• 4.5 系统通讯过程研究和分析
• 4.5.1 基于CAN 总线的应用层通讯协议研究
• 4.5.2 PC 机CAN 通讯过程分析
• 4.5.3 自治式控制单元CAN 通讯过程分析及双缓冲区技术
• 4.5.4 基于53C4480 的自治式控制单元CAN 通讯软件开发
• 4.6 本章小结
• 本章参考文献
• 第五章 自治式控制单元位置伺服控制
• 5.1 引言
• 5.2 基于DMC 的伺服系统位置环控制
• 5.2.1 DMC 预测控制原理与分析
• 5.2.2 DMC 控制器参数设计步骤
• 5.2.3 控制单元DMC 控制器参数设计
• 5.2.4 控制单元DMC 控制器参数仿真
• 5.3 自校正控制原理和分析
• 5.3.1 自校正控制原理
• 5.3.2 递推最小二乘法辨识原理
• 5.4 STC-PID-DMC 复合控制
• 5.4.1 STC-PID-DMC 控制结构
• 5.4.2 仿真框图和参数
• 5.4.3 仿真结果及分析
• 5.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第六章 基于 ARM 的自治式控制单元软硬件实现
• 6.1 引言
• 6.2 嵌入式系统概述
• 6.2.1 嵌入式系统定义及特点
• 6.2.2 ARM 概述与嵌入式开发过程
• 6.3 自治式控制单元硬件电路开发
• 6.3.1 系统总体方案
• 6.3.2 最小系统（核心板）设计
• 6.3.3 接口板设计
• 6.3.4 电路板实物图
• 6.4 自治式控制单元软件开发
• 6.4.1 软件开发环境及开发流程
• 6.4.2 启动程序设计
• 6.4.3 驱动层设计
• 6.4.4 应用层设计
• 6.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第七章 原型系统开发与试验
• 7.1 引言
• 7.2 原型系统开发和平台构建
• 7.2.1 原型系统开发的主要内容
• 7.2.2 原型系统组成
• 7.3 试验研究
• 7.3.1 试验目的和试验内容
• 7.3.2 试验准备、配置
• 7.3.3 系统通讯试验研究
• 7.3.4 自治式控制单元时钟同步设计与试验
• 7.3.5 单轴运行试验
• 7.3.6 两轴联动圆轨迹运行试验
• 7.3.7 两轴联动NURBS 曲线轨迹运行试验
• 7.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第八章 结论与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 工作展望
• 作者在攻读博士学位期间完成的论文
• 作者在攻读博士学位期间参与完成的科研项目
• 致谢