面向开放式数控系统的位置控制技术的研究

摘要

高速高精度位置控制是现代制造工业的重要研究之一，对提高生产效率和产品质量具有十分重要的作用。要实现高性能控制，高性能的控制器设计是关键技术之一。新一代微控制器的进步，使嵌入式处理器更加适合数控领域的开发。鉴于DSP高速运算能力与高效控制能力，使其对电机进行位置控制成为当今控制领域研究的热点之一。传统PID控制由于结构本身以及算法设计依赖对象的局限性，对复杂的动态过程控制不够理想。传统PID控制和智能控制的结合研究成为了解决这一问题的有效途径。
　　 本课题的研究是TDNC-SX开放式数控系统开发中的一部分，文中首先基于TDNC-SX数控系统的设计理念：嵌入式、模块化、可移植、开放式、网络化，简要介绍了基于ARM和DSP的嵌入式数控系统的总体结构。
　　 其次，对传统PID控制、模糊PID控制、前馈控制等控制算法作了深入的分析和研究。基于理论分析，研究设计了前馈控制+模糊PID控制的组合控制器，并借助MATLAB/SIMULINK进行了仿真和分析，得到了较理想的控制效果。
　　 再次，研究设计了位置控制卡的软件结构，并详细给出了驱动程序和控制算法程序的编写流程。为保证信号的正确输入，还给出了输入信号的滤波算法。
　　 最后，作为软件和控制算法的载体，设计了一款基于DSP的位置控制卡。文中详细给出了位置控制卡的硬件结构设计，以及各部分硬件电路设计。同时，还对在硬件电路设计中的电磁兼容性问题进行了考虑。
　　 论文结尾对本文研究内容进行了总结和展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1课题研究的背景

1.2课题研究的现状和发展方向

1.3课题研究的意义和课题来源

1.4论文主要完成的工作

第二章 TDNC-SX数控系统总体架构概述

2.1数控系统结构

2.1.1典型的数控系统结构

2.1.2数控系统控制方式

2.2基于ARM+DSP的嵌入式数控系统(TDNC-SX)结构

2.2.1 TDNC-SX系统结构

2.2.2基于FPGA的可重构电路结构

2.2.3开放式系统和嵌入式系统

2.2.4 ARM主控板硬件资源

2.3本章小结

第三章 控制理论分析与控制器的设计

3.1传统PID控制理论

3.1.1位置式和增量式PID控制算法

3.1.2数字PID控制的改进算法

3.2模糊控制理论

3.2.3模糊控制基本原理

3.2.4模糊PID控制器设计原理和步骤

3.3前馈控制理论

3.3.1模型前馈控制

3.3.2 Stribeck摩擦模型

3.4组合控制器设计及仿真

3.4.1模糊PID+前馈控制的组合控制器的设计

3.4.2仿真及其结果分析

3.5本章小结

第四章 基于DSP位置控制卡结构和驱动程序设计

4.1基于DSP位置控制卡结构设计

4.1.1基于DSP控制卡硬件模块设计

4.1.2 基于DSP位置控制卡的软件模块设计

4.2 基于DSP位置控制卡的驱动程序设计

4.2.1 DSP驱动程序主程序

4.2.2 双口RAM模块驱动程序

4.2.3 D/A模块驱动程序

4.2.4控制算法部分程序

4.3数字滤波

4.4本章小结

第五章 基于DSP位置控制卡硬件设计和实现

5.1 基于DSP位置控制卡硬件电路设计

5.1.1 DSP硬件电路

5.1.2 D/A输出电路

5.1.3基于CPLD的脉冲计数电路

5.1.4 片外存储器的扩展

5.1.5串口通信电路及相关协议

5.1.6上下位机(ARM、DSP)的通讯

5.1.7电源设计和光电隔离设计

5.2系统的电磁兼容性和PCB设计

5.2.1合理的元器件选择与布局

5.2.2耦合串扰消除

5.2.3 PCB走线设计

5.2.4端口保护和I/O引脚设计

5.2.5 PCB其他干扰设计

5.3本章小结

第六章 总结和展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致 谢