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EtherCAT网络及其伺服运动控制系统研究

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EtherCAT网络及其伺服运动控制系统研究

作者：谢香林大连理工大学

学位级别：硕士

随着微电子技术和电力电子技术的发展,伺服运动控制系统已经从模拟控制发展到全数字控制,其性能不断提高,在工业机器人、数控机床等设备中获得了广泛应用。基于现场总线网络的伺服运动控制系统以其高可靠性、快速性和稳定性成为伺服运... 详细信息

随着微电子技术和电力电子技术的发展,伺服运动控制系统已经从模拟控制发展到全数字控制,其性能不断提高,在工业机器人、数控机床等设备中获得了广泛应用。基于现场总线网络的伺服运动控制系统以其高可靠性、快速性和稳定性成为伺服运动控制系统的发展趋势。德国倍福公司提出的EtherCAT工业以太网技术在数据链路层采用了实时调度的软件核,并提供了过程数据传输的独立通道,提高了系统的实时性;该网络还具有灵活的拓扑结构,简单的系统配置,较低的构建成本等特点,适合应用于运动控制领域。目前,该网络受到了运动控制开发商的广泛关注。本文以海洋研究领域的造波机系统开发为背景,利用EtherCAT从站接口控制器ET1100和DSP芯片TMS320F28335开发了EtherCAT从站设备,构建了一主一从的EtherCAT网络结构实现了伺服系统精确的位置控制。论文首先对伺服运动控制系统的概念、特点进行了介绍,对其各个组成部分进行了详细分析,并结合实践经验给出了自己的观点,就目前广泛应用于网络运动控制中的两种总线网络进行了介绍。其次,详细分析了EtherCAT网络的原理、技术特点及主从站关键技术。结合本文的系统设计,介绍了TI公司最新推出的用于工业控制的DSP芯片——TMS320F28335,分析了系统设计中用到的几个运动控制模块与通讯模块,并给出了相应寄存器配置。最后在对EtherCAT网络和DSP芯片TMS320F28335研究基础上,开发了EtherCAT从站设备,避免了造波机系统中脉冲+方向位置控制方式长线传输的缺点,给出了开发系统的总体框架及主从站实现的关键细节,并给出了相应的实验结论。本设计充分发挥了EtherCAT工业以太网络实时数据传输的功能和TMS320F28335 DSP芯片运动控制功能,实现了运动系统高精度的位置控制。

关键词：伺服运动控制 EtherCAT TMS320F28335 DSP 造波机

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桥壳加工精度检测装置伺服运动控制

桥壳加工精度检测装置伺服运动控制

作者：高聪齐鲁工业大学

学位级别：硕士

重卡驱动桥壳是重型卡车底盘的关键结构部件,在整车性能的提升中具有不可替代的作用。随着桥壳的加工质量要求不断提高,其对桥壳加工误差的测量精度要求也越来越高。桥壳测量与普通工件的测量不同,桥壳尺寸大,需要测量的孔系、轴系和面... 详细信息

重卡驱动桥壳是重型卡车底盘的关键结构部件,在整车性能的提升中具有不可替代的作用。随着桥壳的加工质量要求不断提高,其对桥壳加工误差的测量精度要求也越来越高。桥壳测量与普通工件的测量不同,桥壳尺寸大,需要测量的孔系、轴系和面系空间相互关系复杂,具有轴类和壳体类零件的综合特征的特点,实现桥壳的在位自动测量和保证测量精度难度大。这对桥壳加工精度检测装置控制系统设计、伺服运动控制、控制器算法均提出了极大的挑战。针对上述挑战,本文以桥壳加工精度检测控制系统为研究对象,围绕控制系统整体设计、伺服运动控制、控制器算法三个层次展开研究。从检测装置测量精度要求入手,深入分析了导致检测精度低的原因;确立了控制系统设计方案;面向工业现场应用需求,搭建了桥壳加工精度检测装置的伺服系统。为进一步提高检测精度,在设计的原型检测装置的基础上,研究了基于主导极点和相位裕度的并联PID控制算法,全面提高伺服系统的转速平稳性、位置跟踪性和鲁棒性能。具体研究内容如下:（1）针对桥壳加工精度检测装置中保证测量精度的测量终端,考虑不确定性外部扰动对测量精度的影响,提出了激光位移传感器和工业相机相结合的非接触式测量方案,并分析了方案的可行性。为满足测量精度,减少复杂的现场工作环境,非线性摩擦等因素的影响,本文以PLC控制器为核心,提出了基于PROFINET的伺服运动控制方案,包括控制系统的硬件选型、伺服控制、OPC通信、HMI人机交互、伺服电机调试等部分,并且设计控制软件架构和程序编写,从整体上对检测装置的控制方案进行设计。（2）由于西门子伺服驱动系统参数优化方法已经难以满足桥壳加工误差更高精度的检测要求,本文进一步研究了全面提升系统运动精度和鲁棒性能的改进控制算法。根据桥壳检测装置的结构和工作原理,基于重卡桥壳检测装置原型样机,搭建了重卡桥壳检测实验系统。依据检测装置机械结构和电学性质,建立了检测装置伺服运动平台的机电耦合动力学模型,为伺服运动性能的研究提供了模型基础。针对检测装置伺服运动对速度和位置控制要求,设计了基于主导极点和相位裕度的并联PID控制器,将产生的参考信号分别用于伺服系统速度环和位置环进行PID控制,保证系统的跟踪性能和快速性,消除非线性扰动的干扰,提高系统的鲁棒性。（3）为了进一步考虑不同扰动和检测速度对伺服系统性能的影响,基于自行搭建的桥壳在位检测实验装置,在不同扰动和速度下,对控制算法进行了实验,通过对结果分析,该算法有效实现了伺服电机匀速、平稳的高精度运动控制,系统表现出良好的跟随性能和鲁棒性,充分验证了本文提出的控制算法的有效性,对提高重卡桥壳检测装置的检测精度具有很好的指导意义。

关键词：重卡桥壳桥壳测量加工精度伺服运动控制并联PID控制器

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伺服运动控制技术在热钢坯喷标机上的应用

江西冶金 2010年第3期30卷 32-36页

作者：李志平杨辉新余钢铁有限责任公司江西新余338001

介绍了一种应用于连铸坯表面喷写编码的新型高效的冶金喷标技术,给出了控制喷写机构运动的伺服运动控制系统的方案设计,采用PLC和运动控制卡分工协作实现喷标系统的高速喷标。

关键词：喷标机伺服运动控制二轴运动控制卡

微细电火花线切割加工伺服运动控制卡设计及实现

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电加工与模具 2009年第1期 51-54页

作者：黄瑞宁李荣先杜如虚狄士春深圳清华大学研究院广东深圳518057

设计了一套精密伺服运动控制卡,该卡利用DSP作为控制系统的核心,采用了不完全微分PID控制器,并针对压电陶瓷电机低速运动时具有不固定死区特性,进行了自适应死区逆补偿,以实现对压电陶瓷电机进行精确控制。实验结果表明,此伺服运动控制... 详细信息

设计了一套精密伺服运动控制卡,该卡利用DSP作为控制系统的核心,采用了不完全微分PID控制器,并针对压电陶瓷电机低速运动时具有不固定死区特性,进行了自适应死区逆补偿,以实现对压电陶瓷电机进行精确控制。实验结果表明,此伺服运动控制卡能满足微细电火花线切割加工的伺服控制要求。

关键词：微细电火花线切割加工伺服运动控制不完全微分PID控制器

基于EtherCAT工业以太网的伺服运动控制系统设计

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基于EtherCAT工业以太网的伺服运动控制系统设计

作者：林思引华南理工大学

学位级别：硕士

随着微电子技术和以太网技术的发展，将以太网技术应用于工业控制领域，是当前工控现场总线技术的一个重要发展趋势。EtherCAT工业以太网是一种具有高实时性、高可靠性和灵活拓扑结构的工业以太网总线，适合应用于运动控制领域。目前，E... 详细信息

随着微电子技术和以太网技术的发展，将以太网技术应用于工业控制领域，是当前工控现场总线技术的一个重要发展趋势。EtherCAT工业以太网是一种具有高实时性、高可靠性和灵活拓扑结构的工业以太网总线，适合应用于运动控制领域。目前，EtherCAT技术受到了运动控制领域的广泛关注和研究。本文在对工业以太网和伺服运动控制系统阐述的基础上，将目前新型的实时工业以太网EtherCAT技术引入到伺服运动控制系统，重点研究和设计了系统从站的核心硬件并实现通信软件的开发，构建了主从式的具有EtherCAT网络通信功能的伺服运动控制系统。在从站硬件设计方面，重点设计了EtherCAT通信板和控制功能板。采用Beckhoff公司的从站控制器ET1100，实现系统网络的数据链路层;采用MICREL公司的PHY芯片KS8721，实现网络的物理层;采用TI公司的浮点型DSPTMS320F28335为核心处理器实现网络的应用层;对各芯片的外围接口电路和伺服接口电路等模块进行了详细分析和设计，构建了具有EtherCAT网络通信功能和运动控制功能的从站平台。在软件方面，采用Beckboff公司的实时工控软件TwinCAT，通过组态配置实现系统的主站功能;详细分析和设计了从站设备描述文件和从站网络接口程序，实现了系统主从站之间的EtherCAT通信和从站内部的SPI通信，为应用层控制任务的实施提供了通信功能。最后，在主从站软硬件设计的基础上，搭建了基于EtherCAT的伺服运动控制系统的实验平台，进行了主从站通信实验、伺服运动控制实验和编码器反馈实验，验证了系统设计的可行性。

关键词：工业以太网 EtherCAT 伺服运动控制从站主站 DSP

面向未来工匠培养的《伺服运动控制》课程改革

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芜湖职业技术学院学报 2020年第1期22卷 76-78,81页

作者：陈万顺王勇芜湖职业技术学院信息工程学院安徽芜湖241006

在产业升级和经济结构调整的过程中,高等职业院校承担着培养高素质技术技能型未来工匠的重任。在对未来工匠的必备素质和培养要求进行解析的基础上,高职院校相关部门制定了《伺服运动控制》课程的教学及培养目标,详细介绍了该课程的教... 详细信息

在产业升级和经济结构调整的过程中,高等职业院校承担着培养高素质技术技能型未来工匠的重任。在对未来工匠的必备素质和培养要求进行解析的基础上,高职院校相关部门制定了《伺服运动控制》课程的教学及培养目标,详细介绍了该课程的教学策略、实验策略及实施方式,并建立了评价体系以便对实施效果进行评估。

关键词：未来工匠伺服运动控制课程改革

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桌面式电火花加工机床数控系统硬件设计

轻工机械 2024年第3期42卷 74-79页

作者：张晨馨蒋毅聂子龙江晨松江南大学机械工程学院江苏无锡214122 江南大学江苏省食品先进制造装备技术重点实验室江苏无锡214122

针对桌面式电火花加工机床数控系统的兼容性和加工放电要求,课题组设计了一款基于ARM和现场可编辑门阵列(field programmable gate array, FPGA)的电火花加工机床数控系统硬件平台。该平台任务分配均匀合理,以ARM处理器为核心搭建上位机... 详细信息

针对桌面式电火花加工机床数控系统的兼容性和加工放电要求,课题组设计了一款基于ARM和现场可编辑门阵列(field programmable gate array, FPGA)的电火花加工机床数控系统硬件平台。该平台任务分配均匀合理,以ARM处理器为核心搭建上位机,移植Linux系统进行多任务处理、人机界面、插补运算等任务;以FPGA为核心搭建的下位机系统负责运动控制、放电脉冲控制、辅助模块控制等任务;硬件平台的搭建采用了核心板+基板的方式并采用以太网口进行通信。试验结果表明该硬件平台搭建的数控系统可以较好地完成电火花小孔加工。该研究提供了一种移植性好、迭代升级成本低、适配多种脉冲电源的电火花加工机床数控系统硬件平台设计方案。

关键词：电火花加工数控系统硬件架构伺服运动控制 ARM微处理器 Linux系统

基于机器视觉的槟榔自动切片轨迹确定与控制研究

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基于机器视觉的槟榔自动切片轨迹确定与控制研究

作者：何友缘湖南科技大学

学位级别：硕士

槟榔切片工序是整个食品槟榔加工过程的关键工序。由于槟榔果的外形各异、形状极不规则,传统机械切片机的定位效果不理想,容易产生切偏或者漏切等问题。所以该工序目前仍以人工切片为主,存在成本高、效率慢和员工安全性低等问题。为了... 详细信息

槟榔切片工序是整个食品槟榔加工过程的关键工序。由于槟榔果的外形各异、形状极不规则,传统机械切片机的定位效果不理想,容易产生切偏或者漏切等问题。所以该工序目前仍以人工切片为主,存在成本高、效率慢和员工安全性低等问题。为了提高槟榔自动切片的切片质量和效率,本文以未切片的槟榔果为研究对象,利用机器视觉技术和伺服运动控制技术,完成了槟榔自动切片机的槟榔切片轨迹在线检测和运动控制系统设计。通过视觉技术对输送皮带上的槟榔果进行识别和自适应定位,根据设计的图像识别算法和切片轨迹计算方法选取出合适的切片轨迹,将轨迹坐标传输给运动控制卡,进而控制伺服运动系统,并结合模糊PID控制策略,高效地完成了对槟榔的夹持、运输及切片工作。分别针对切片机的机械结构进行设计并建立三维模型,对关键硬件设备进行分析和选型,设计图像识别算法和切片轨迹的计算和选取算法,开发槟榔图像识别软件,设计相应的模糊PID控制器模型并进行仿真分析和现场实验。相关的研究内容如下:(1)根据相应技术指标,完成切片机的总体方案设计,对切片机各部分的机械部件进行三维建模和装配,对机器视觉和伺服运动控制两个子系统涉及的关键硬件设备进行分析和选型,并详细阐述了切片机的整体工作流程。(2)完成了相机的标定和实时采集图像的畸变矫正,通过对校正后的槟榔果图像进行颜色空间转换处理,以S单通道分量图为基础,经过Otsu法图像阈值分割、漫水填充算法和形态学处理、Canny算子边缘检测、最小外接矩形算法计算等处理过程后,再运用切片轨迹算法得到合适的切片轨迹坐标。其中分别利用Canny算子、Sobel算子、Lo G算子进行特征边缘检测,利用全局阈值法和Otsu阈值法进行图像分割,并将所得结果进行对比分析,以VS软件为平台,采用Win Form框架和C#汇编语言,通过调用Open CV视觉库、相机的SDK和运动控制卡的函数库,联合开发槟榔图像识别软件。(3)设计了切片机的运动控制系统的整体方案,根据控制策略在Simulink环境中完成了系统的矢量控制模型、X-Y运动平台模型、永磁同步电机模型。同时设计了模糊PID控制器,并与其他子模型相结合,搭建出基于模糊PID控制的切片机运动控制系统模型。分别对机械丝杆的转速响应情况,系统空载和系统负载情况,位置跟踪精度三方面进行了仿真分析,并且与PID控制器的控制效果进行现场实验对比分析。结果表明:模糊PID控制器具有更好的响应速度和位置跟踪精度,并且无超调量,以此验证了将模糊PID控制器应用于切片机的运动控制系统的可行性。

关键词：机器视觉槟榔切片畸变矫正切片轨迹伺服运动控制

基于冗余PLC的废物桶无损检测仪控制系统设计

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自动化仪表 2022年第4期43卷 72-75页

作者：袁骏何志军张伟中国核电工程有限公司北京100840

废物桶无损检测(NDT)仪是核废物产生单位必须配备的重要设备之一。废物桶无损检测间处于高放射性环境,因此对于废物桶无损检测仪控制系统的可靠性和高效性设计就提出了更高的要求。针对以上要求,提出了采用冗余可编程逻辑控制器(PLC)方... 详细信息

废物桶无损检测(NDT)仪是核废物产生单位必须配备的重要设备之一。废物桶无损检测间处于高放射性环境,因此对于废物桶无损检测仪控制系统的可靠性和高效性设计就提出了更高的要求。针对以上要求,提出了采用冗余可编程逻辑控制器(PLC)方法和EtherCAT工业现场总线通信网络架构,对废物桶无损检测仪控制系统进行了设计和研究。重点设计了控制系统硬件、冗余PLC控制器、通信网络、下位机PLC软件和上位机画面软件等,同时设计了一系列测试试验对控制系统的要求进行验证。测试结果表明,该控制系统满足废物桶无损检测工艺流程要求,提升了废物桶无损检测仪的可靠性和高效性,具备广阔的应用前景。该研究对核废物后处理领域的废物桶无损检测仪设计有一定的启发和借鉴意义。

关键词：核废物废物桶无损检测控制系统工业现场总线冗余可编程逻辑控制器伺服运动控制