基于SERCOS总线的开放式CNC伺服系统的研究

论文摘要

金属针布是用于纺织业梳理机上的关键分梳元件。在针布齿条生产过程中,一般采用在线式高速旋转冲切模式,要求数千米长的齿条形状严格保持一致。这就要求针布冲齿机必须同时完成两个高精度运动:一是旋转冲切运动（主传动轴）,二是牵料运动（进给传动轴）;二者必须严格同步协调,以确保齿形的一致性。本课题的目的是以金属针布的伺服冲齿为工程背景,研究基于SERCOS总线的开放式交流伺服控制系统。在熟悉现场总线技术和伺服冲齿技术的基础上,通过学习交流伺服控制系统的原理和设计方法,认真探讨了基于SERCOS总线的开放式交流伺服控制系统的控制方案,对高精度位置伺服进行了较深层次的研究。首先,介绍了金属针布的冲齿工艺,分析了传统生产工艺的弊端,确定了新型伺服冲齿的方案。以工控机（IPC）为系统的主控平台,采用两台高精度永磁同步电机分别驱动冲齿刀盘和牵引轮,两台电机采用电气耦合通过对两台伺服电机的位置控制,实现两轴的数字化柔性连接。整个通讯采用SERCOS总线,确保数据传输的实时性。其次,对永磁同步电机（PMSM）进行数学建模,并确定了交流伺服的参数自整定PID控制方案。利用MATALAB中的Simulink对数字伺服系统进行仿真,通过大量的仿真和现场生产时的实际数据,优化了系统的控制方案。最后将工业计算机（IPC）、伺服系统、数据采集卡、智能通讯卡等部件一起构成CNC伺服系统的硬件,其控制结构采用位置、速度双闭环控制方式,在此基础上进行智能控制的研究。本课题软件控制的核心是利用Visual C++中的MFC进行编程,控制算法全部由IPC中的软件实现。在运行过程中IPC作为数控管理器,将用户设定的产品参数转化为伺服电机运行的位置给定,通过模糊PID控制器,转换为伺服电机的控制信号,经SERCOS总线以网络广播的方式传输给伺服驱动器,从而使伺服驱动系统对设定实现位置和速度的随动控制,达到精确的随动控制性能。从仿真和实验的结果来看,模糊PID控制具有很好的自适应性和鲁棒性。本控制系统与传统PID控制系统相比,具有PID参数自动进行整定和优化的特点。这种开放式数控体系实际应用于金属针布伺服冲齿控制系统中,得到满意的控制效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 数控系统概述
• 1.1.1 数控系统发展简史
• 1.1.2 开放式数控系统
• 1.2 开放式数控系统发展现状及趋势
• 1.2.1 国内外发展现状
• 1.2.2 数控未来发展的趋势
• 1.3 课题的研究背景及现实意义
• 1.3.1 课题的研究背景
• 1.3.2 课题的现实意义
• 1.4 课题研究内容
• 第二章 开放式伺服冲齿体系的介绍
• 2.1 金属针布冲齿体系介绍
• 2.1.1 传统冲齿机械机构
• 2.1.2 新型冲齿机械机构
• 2.2 系统硬件平台
• 2.2.1 伺服电机的选择
• 2.2.2 伺服驱动器的选择
• 2.2.3 SERCOS 接口在系统中的应用
• 2.3 系统软件平台
• 2.3.1 RTX 在系统中的应用
• 2.3.2 SoftSERCANS 在系统中的应用
• 2.4 本章小结
• 第三章 开放式伺服冲齿系统建模及其控制策略
• 3.1 伺服冲齿系统概述
• 3.1.1 伺服系统简介
• 3.1.2 三相PMSM 的矢量变换数学模型
• 3.2 位置随动系统的控制策略
• 3.2.1 位置随动系统概述
• 3.2.2 位置随动系统的动态校正
• 3.3 本章小结
• 第四章 开放式伺服冲齿系统的智能控制
• 4.1 参数自整定模糊PID 控制器
• 4.1.1 参数自整定模糊PID 控制器的原理
• 4.1.2 参数自整定原则
• 4.2 参数自整定模糊PID 控制器的设计
• 4.2.1 各变量的模糊化及其隶属函数的确定
• 4.2.2 建立模糊参数调整规则表
• 4.2.3 模糊推理和模糊运算
• 4.3 本章小结
• 第五章 开放式伺服冲齿系统的SIMULINK 实现
• 5.1 模糊PID 控制系统的数字化仿真
• 5.2 仿真结果与分析
• 第六章 开放式伺服冲齿系统的实际应用
• 6.1 实验方案及硬件组成
• 6.2 上位机软件编程
• 6.3 系统使用说明及性能指标
• 6.3.1 系统使用说明
• 6.3.2 系统性能指标分析
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录1：伺服冲齿系统部分电气图
• 附录2：模糊PID 实现的部分程序
• 附录3：现场图片
• 附录4：作者在攻读硕士学位期间发表的论文及从事的项目