基于SoC的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其同步控制研究.pdf

1、在數(shù)控機(jī)床和多機(jī)器人系統(tǒng)中，多軸同步/協(xié)同控制是其中重要的功能特性。各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸間控制時(shí)序不同步、系統(tǒng)的外部擾動(dòng)和參數(shù)攝動(dòng)都會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行精度和執(zhí)行效率，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)失去穩(wěn)定。因此研究多軸運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)方法，提高系統(tǒng)同步/協(xié)同控制性能，可以提升數(shù)控機(jī)床的加工精度和多機(jī)器人系統(tǒng)的執(zhí)行效率，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。本文以多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的同步/協(xié)同控制要求，從系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)和控制策略兩個(gè)方面進(jìn)行深入研究，探討實(shí)現(xiàn)多軸

2、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)序同步性和運(yùn)動(dòng)同步性的方法，以提升系統(tǒng)的多軸同步控制性能。
　　本文首先通過(guò)介紹多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)的研究現(xiàn)狀，分析了多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中存在的時(shí)序不同步和延遲對(duì)多軸同步控制性能造成的影響，闡明了控制反饋信號(hào)的同步采樣、控制算法的同步運(yùn)算和輸出模塊的同步執(zhí)行對(duì)提升多軸同步控制性能的重要性；為了確保各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸采樣、運(yùn)算和執(zhí)行的同步，采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法，提出了基于片上系統(tǒng)（System-on-Chip，SoC）的多

3、軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)和系統(tǒng)調(diào)度規(guī)劃時(shí)序；由此，采用所提出的基于SoC的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于最新一代通用SoC平臺(tái)Zynq-7000的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的時(shí)序同步性和功能完整性，同時(shí)提升了系統(tǒng)的計(jì)算性能和集成度。SoC是一種集成處理器核心和可編程硬件的復(fù)雜軟硬件系統(tǒng)?；赟oC的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的高效設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是設(shè)計(jì)方案能否應(yīng)用于實(shí)際的關(guān)鍵。通過(guò)分析高層次綜合（High-Level Synthesis，HLS）技術(shù)

4、的設(shè)計(jì)流程，本文提出了基于HLS的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，以降低基于SoC的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度；在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了基于Zynq SoC的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，通過(guò)資源開(kāi)銷與時(shí)序特性分析，驗(yàn)證了基于HLS的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的合理性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了基于Zynq SoC的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和有效性。于SoC的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為多軸同步控制策略的研究提供了高性能的硬件平臺(tái)。通過(guò)進(jìn)一步分析多軸同步控制的通常

5、解決方案，本文提出了針對(duì)多軸同步跟蹤控制系統(tǒng)和雙軸串聯(lián)傳動(dòng)控制系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵設(shè)計(jì)問(wèn)題，其中如何提升多軸同步動(dòng)態(tài)性能和抗擾動(dòng)性能是難點(diǎn)；針對(duì)各運(yùn)動(dòng)軸的參數(shù)攝動(dòng)和外部擾動(dòng)，建立了多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，應(yīng)用混合H2/H∞控制可以同時(shí)兼顧單軸控制性能和多軸控制性能，保障多軸同步動(dòng)態(tài)性能和抗擾動(dòng)性能；針對(duì)具體的三軸同步跟蹤和雙軸串聯(lián)傳動(dòng)控制問(wèn)題，提出了混合 H2/H∞三軸同步控制、具有交叉耦合的混合H2/H∞三軸同步控制和混合H2/

6、H∞雙軸串聯(lián)傳動(dòng)控制3種控制方案。最后，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)分析，探討了多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)混合H2/H∞控制的參數(shù)設(shè)定方法，全面分析比較了串聯(lián)控制、主從控制、交叉耦合控制、混合H2/H∞多軸同步控制、具有交叉耦合的混合H2/H∞多軸同步控制5種多軸同步跟蹤控制方案，總結(jié)了多軸同步控制方案的性能特點(diǎn)；同時(shí)，針對(duì)所提出的混合H2/H∞雙軸串聯(lián)傳動(dòng)控制方案進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了混合H2/H∞雙軸串聯(lián)傳動(dòng)控制方案對(duì)同步消隙和轉(zhuǎn)矩分配