基于实时以太网的网络化数控系统通信协议关键技术研究

摘要

随着现代制造业的不断发展，基于实时以太网的网络化数控系统已经越来越多的应用到高精高速加工中，逐步取代基于特定现场总线的网络化数控系统。本文以基于实时以太网的网络化数控系统为研究对象，提出了一种新的通信协议——SKYLINK，并针对该协议深入研究了网络化数控系统中实时性和可靠性的优化设计、网络诱导延迟的精确控制、分布式时钟同步策略、运动同步控制算法等关键技术。
　　为了实现SKYLINK协议中实时性和可靠性的优化设计，本文首先提出了即时信息控制机制来提高协议的实时性，并将集总帧通信模式和点对点通信模式结合应用在一个通信周期内的通信规划，该规划根据通信模式不同将通信周期分为时钟同步过程和信息通信过程，并在这两个过程中分别传递对可靠性要求不同的数据来保证系统的高可靠性；然后，本文提出了将SKYLINK协议与基于集总帧通信模式的协议两者中实时处理通信异常所需的时间冗余进行比较，来证明SKYLINK协议的实时性和可靠性。
　　为了实现对网络诱导延迟的精确控制，需要将网络诱导延迟固定为小于一个周期，且固定值与实际值的差值抖动极小。本文首先对SKYLINK协议中的网络诱导延迟进行了模型分析，得出了该延迟与通信周期的关系，并提出了对该延迟根据硬件重新分类，并在硬件层面对分类细化后各个延迟进行固定的控制方法，该方法使网络诱导延迟完全由硬件来控制，实现了对该延迟的精确控制。
　　为了实现SKYLINK协议的高精度时钟同步，本文提出了将即时信息控制机制与IEEE1588协议结合的时钟同步策略，将减少测量误差作为提高时钟同步精度的主要方式，通过提高同步频率和减少被测量的数量来提高时钟同步精度。同时由于同步频率提升会对由晶振不稳定性形成的时钟频率漂移造成影响，本文提出了使用DPLL对时钟漂移和使用PI控制器对时钟偏移进行分离补偿的方法。为了验证提出的时钟同步策略具有稳定性和相当高的时钟同步精度，对时钟漂移动态补偿和时钟偏移动态补偿进行了算法分析，提出了时钟同步策略的硬件技术方案,并在基于该方案搭建的环型网络数控系统实验测试平台上进行了时钟偏差测量实验。
　　为了实现SKYLINK协议高精度运动同步控制的目标，本文提出了基于所有轴反馈信息的位置同步算法，通过将采样反馈信息的收集、计算过程和运动同步控制过程在周期通信的两个过程中相分离，具备了及时获取所有轴反馈信息和减少从站额外计算压力的能力，从而提高了位置同步算法的精度；并提出了基于固定且小于通信周期的网络诱导延迟来预估位置同步误差的运动消息预估算法，从而提升了位置同步误差的补偿精度，也进一步提高了位置同步算法的精度；然后对相应的位置同步控制器进行了稳定性证明，并用实验验证了新位置同步算法具有优异的运动同步性能。
　　最后，本文提出了相应的硬件逻辑结构来实现SKYLINK协议相关核心技术，同时，在根据这些硬件逻辑结构搭建的实验测试平台上进行相应的实验，整体验证了SKYLINK协议的相关性能。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 论文的研究背景和意义

1.2 国内外相关研究现状

1.3 论文研究内容与结构安排

第二章 SKYLINK协议实时性和可靠性研究

2.1 SKYLINK协议高实时性的实现

2.2 SKYLINK协议高可靠性的实现

2.3 实验结果及分析

2.4 本章小结

第三章 网络诱导延迟精确控制技术

3.1 网络诱导延迟组成

3.2 网络诱导延迟模型分析

3.3 网络诱导延迟精确控制

3.4 实验结果及分析

3.5 本章小结

第四章 SKYLINK协议时钟同步策略研究

4.1 分析和提出时钟同步策略

4.2 补偿模型的算法分析

4.3 时钟同步策略的硬件技术方案

4.4 实验结果及分析

4.5 本章小结

第五章 SKYLINK协议位置同步算法研究

5.1 位置同步算法

5.2 位置同步控制器稳定性分析

5.3 实验及结果分析

5.4 本章小结

第六章 SKYLINK协议的硬件实现

6.1 SKYLINK协议的硬件组成

6.2 站点任务模块的硬件逻辑

6.3 SKYLINK协议的实现和实验分析

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 论文主要工作总结

7.2 工作方向与展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文