基于POWERLINK總線的運動控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、伴隨著科學(xué)技術(shù)的進步，當(dāng)今制造業(yè)正轉(zhuǎn)型升級，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)與運動控制技術(shù)有著密切關(guān)系。傳統(tǒng)運動控制系統(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)場總線，存在網(wǎng)絡(luò)化程度低、同步特性較差、功能擴展不便等問題。因此，目前市場的急切需求是:研究出一種同步特性更強、實時性能更高、功能擴展更容易的運動控制系統(tǒng)。
　　本文在對嵌入式技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和運動控制技術(shù)深入學(xué)習(xí)與研究的基礎(chǔ)上，針對當(dāng)

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

3、軟件環(huán)境采取“宿主機+目標(biāo)機”的架構(gòu)，其中宿主機基于嵌入式Linux系統(tǒng)，目標(biāo)機基于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)軟件平臺的移植和定制。選擇用Xenomai內(nèi)核改進Linux系統(tǒng)的實時性，最終使其硬實時性能達到運動控制系統(tǒng)的要求。
　　其次，詳細闡述了帶POWERLINK總線接口的運動控制器主站的實現(xiàn)。在綜合Linux+Xenomai架構(gòu)實時層和內(nèi)核層特

4、點后，基于Zedboard開發(fā)板實現(xiàn)了運動控制系統(tǒng)的POWERLINK主站。主站的大部分功能模塊在ARM端實現(xiàn)，包括POWERLINK網(wǎng)絡(luò)通信模塊、運動控制模塊等。為了提高POWERLINK通訊周期，協(xié)議棧中網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)機、數(shù)據(jù)鏈路層和周期數(shù)據(jù)對象等部分在FPGA端實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)通信模塊主要完成了POWERLINK協(xié)議棧的移植，運動控制模塊主要根據(jù)CIA402和CIA401規(guī)范編程實現(xiàn)。整個系統(tǒng)通過POWERLINK總線進行實時傳輸和通信。

5、
　　然后，對POWERLINK網(wǎng)絡(luò)延時進行了分析并設(shè)計了前饋-反饋PID補償算法。為了改善網(wǎng)絡(luò)延時對系統(tǒng)實時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)計了一種前饋-反饋PID補償算法，進行數(shù)學(xué)建模與仿真分析，并編程實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)延時的補償算法。仿真結(jié)果表明，算法補償后的系統(tǒng)信號跟隨性能得到了很大的提高。
　　最后，本文搭建了Linux+Xenomai平臺下基于POWERLINK總線的運動控制系統(tǒng)實驗平