基于POWERLINK總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、伴隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)今制造業(yè)正轉(zhuǎn)型升級(jí)，向著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、大數(shù)據(jù)方向發(fā)展。而制造業(yè)與運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)有著密切關(guān)系。傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是制造業(yè)中很重要的環(huán)節(jié)，它們大都采用集中式控制或者傳統(tǒng)的低速現(xiàn)場(chǎng)總線，存在網(wǎng)絡(luò)化程度低、同步特性較差、功能擴(kuò)展不便等問題。因此，目前市場(chǎng)的急切需求是:研究出一種同步特性更強(qiáng)、實(shí)時(shí)性能更高、功能擴(kuò)展更容易的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。
　　本文在對(duì)嵌入式技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)深入學(xué)習(xí)與研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)當(dāng)

2、前大多數(shù)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化程度低、同步特性較差、功能擴(kuò)展不便等問題，提出了一種Linux+Xenomai平臺(tái)下基于Ethernet POWERLINK（本文中簡稱為POWERLINK）總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的解決方案。該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由帶POWERLINK總線接口的運(yùn)動(dòng)控制器主站、帶POWERLINK總線接口的伺服驅(qū)動(dòng)器以及伺服電機(jī)等組成，主要實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信功能以及運(yùn)動(dòng)控制功能。
　　首先，本文搭建了可靠又高效的實(shí)時(shí)嵌入式運(yùn)行環(huán)境。本文

3、軟件環(huán)境采取“宿主機(jī)+目標(biāo)機(jī)”的架構(gòu)，其中宿主機(jī)基于嵌入式Linux系統(tǒng)，目標(biāo)機(jī)基于Zedboard開發(fā)板。結(jié)合嵌入式技術(shù)、ARM技術(shù)和FPGA技術(shù)，完成了交叉編譯環(huán)境的搭建以及Linux系統(tǒng)軟件平臺(tái)的移植和定制。選擇用Xenomai內(nèi)核改進(jìn)Linux系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，最終使其硬實(shí)時(shí)性能達(dá)到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的要求。
　　其次，詳細(xì)闡述了帶POWERLINK總線接口的運(yùn)動(dòng)控制器主站的實(shí)現(xiàn)。在綜合Linux+Xenomai架構(gòu)實(shí)時(shí)層和內(nèi)核層特

4、點(diǎn)后，基于Zedboard開發(fā)板實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的POWERLINK主站。主站的大部分功能模塊在ARM端實(shí)現(xiàn)，包括POWERLINK網(wǎng)絡(luò)通信模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊等。為了提高POWERLINK通訊周期，協(xié)議棧中網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)機(jī)、數(shù)據(jù)鏈路層和周期數(shù)據(jù)對(duì)象等部分在FPGA端實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)通信模塊主要完成了POWERLINK協(xié)議棧的移植，運(yùn)動(dòng)控制模塊主要根據(jù)CIA402和CIA401規(guī)范編程實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)通過POWERLINK總線進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸和通信。

5、
　　然后，對(duì)POWERLINK網(wǎng)絡(luò)延時(shí)進(jìn)行了分析并設(shè)計(jì)了前饋-反饋PID補(bǔ)償算法。為了改善網(wǎng)絡(luò)延時(shí)對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能造成的不良影響，在簡化系統(tǒng)速度環(huán)和位置環(huán)控制器數(shù)學(xué)模型的條件下，設(shè)計(jì)了一種前饋-反饋PID補(bǔ)償算法，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模與仿真分析，并編程實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的補(bǔ)償算法。仿真結(jié)果表明，算法補(bǔ)償后的系統(tǒng)信號(hào)跟隨性能得到了很大的提高。
　　最后，本文搭建了Linux+Xenomai平臺(tái)下基于POWERLINK總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平