高速高精度运动控制技术的研究

摘要

机电一体化技术的发展状况是衡量一个国家机械工业发展水平的重要标志.同工业发达国家相比,我国的机电一体化技术还比较落后.运动控制技术是机电一体化技术的核心部分,提高运动控制技术水平对提高我国的机电一体化技术具有至关重要的意义.因此,对运动控制技术作深入细致的研究,把握国内外运动控制技术的最新发展动态,开发运动控制类产品是摆在我们面前的一个重大课题.随着科技的发展,传统的运动控制已不能满足各种机电一体化设备的需要.采用开放式的运动控制体系结构已成为机电设备的一种趋势.国内外运动控制发展迅速,这一现状迫切需要我们开发出真正适合我国应用需求的产品.本课题主要对运动控制的关键技术进行研究和开发,以满足各种工业和军事应用场合对机械设备控制的需要.本文给出了运动控制的概念,阐述了运动控制系统的组成和分类,综述了运动控制技术的国内外发展现状.研究了点位运动轨迹规划算法,在梯形速度曲线和S形速度曲线的基础上,提出了一种指数加减速曲线并给出了推导公式,通过实验对三种曲线进行了比较.在单轴规划的基础上,探讨了多轴直线插补和圆弧插补算法,分析了误差.综述了控制理论在运动控制领域的应用,分析了各种控制方法的特点和适用范围,比较了各自优缺点并选择了控制器所采用的算法.运动控制器的研制和开发是整个课题的核心,通过对实际应用系统的需求分析,提出了研制的主要功能和各项技术指标,在此基础上制定了具体的设计方案.接下来对硬件部分的结构和设计原理进行阐述,考虑到系统的可移植性和可扩展性,采用模块化的设计思想,重点介绍以数字信号处理器(DSP)和现场可编程逻辑阵列(FPGA)为核心的运动控制器的研制过程.软件设计部分给出了底层软件设计和上层库函数的编写,从而构成了控制系统的软件平台,在此基础上用户可以方便的编写所需的应用程序.最后,阐述研究结论并提出进一步研究的主要内容.

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题来源及目的和意义

1.2运动控制的产生与发展

1.3运动控制系统组成与分类

1.3.1运动控制系统的组成

1.3.2运动控制系统的分类

1.4运动控制技术的发展现状

1.4.1国外运动控制技术发展现状

1.4.2国内运动控制技术发展现状

1.5本文研究的主要内容

第2章运动轨迹规划的算法研究

2.1单轴轨迹规划

2.1.1梯形速度曲线

2.1.2 S形速度曲线

2.1.3指数形速度曲线

2.2多轴轨迹规划

2.2.1直线插补

2.2.2圆弧插补

2.2.3误差分析

2.3本章小结

第3章运动控制理论研究

3.1系统建模

3.2驱动控制理论分析

3.2.1力矩控制

3.2.2速度控制

3.2.3位置控制

3.3运动控制理论分析

3.3.1单轴运动控制

3.3.2多轴协调控制

3.4本章小结

第4章运动控制器硬件设计

4.1总体设计方案

4.1.1硬件设计指标

4.1.2设计方案调研

4.1.3系统总体架构

4.2 DSP模块设计

4.2.1处理器选择

4.2.2存储器扩展

4.2.3看门狗电路

4.3 FPGA模块设计

4.3.1 FPGA的主要特点

4.3.2 FPGA的结构原理

4.3.3 FPGA的开发流程

4.3.4 FPGA模块的实现

4.4数模转换模块设计

4.5主机通信模块设计

4.6本章小结

第5章运动控制器软件设计

5.1软件设计方案

5.1.1软件结构

5.1.2开发工具

5.2下位机软件开发

5.2.1硬件设置模块设计

5.2.2命令通信模块设计

5.2.3轨迹规划模块设计

5.2.4伺服控制模块设计

5.3上位机软件开发

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文

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致谢