基于SoC的多轴运动控制系统及其同步控制研究

发布时间：2017-08-29 23:47

  本文关键词：基于SoC的多轴运动控制系统及其同步控制研究

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【摘要】：在数控机床和多机器人系统中,多轴同步/协同控制是其中重要的功能特性。各个运动轴间控制时序不同步、系统的外部扰动和参数摄动都会影响系统的运行精度和执行效率,甚至会导致系统失去稳定。因此研究多轴运动控制设计方法,提高系统同步/协同控制性能,可以提升数控机床的加工精度和多机器人系统的执行效率,保障系统稳定运行。本文以多轴运动控制系统为研究对象,针对多轴运动控制系统的同步/协同控制要求,从系统平台设计和控制策略两个方面进行深入研究,探讨实现多轴运动控制系统时序同步性和运动同步性的方法,以提升系统的多轴同步控制性能。 本文首先通过介绍多轴运动控制系统基础架构的研究现状,分析了多轴运动控制系统中存在的时序不同步和延迟对多轴同步控制性能造成的影响,阐明了控制反馈信号的同步采样、控制算法的同步运算和输出模块的同步执行对提升多轴同步控制性能的重要性；为了确保各个运动轴采样、运算和执行的同步,采用软硬件协同设计方法,提出了基于片上系统(System-on-Chip, SoC)的多轴运动控制系统架构和系统调度规划时序；由此,采用所提出的基于SoC的多轴运动控制系统方案,设计实现了基于最新一代通用SoC平台Zynq-7000的多轴运动控制系统,保证了系统的时序同步性和功能完整性,同时提升了系统的计算性能和集成度。 SoC是一种集成处理器核心和可编程硬件的复杂软硬件系统。基于SoC的多轴运动控制系统的高效设计与实现是设计方案能否应用于实际的关键。通过分析高层次综合(High-Level Synthesis, HLS)技术的设计流程,本文提出了基于HLS的多轴运动控制系统设计方法,以降低基于SoC的多轴运动控制系统的设计难度；在此基础上,详细介绍了基于Zynq SoC的多轴运动控制系统的设计与实现,通过资源开销与时序特性分析,验证了基于HLS的多轴运动控制系统设计方法的合理性,实验结果证明了基于Zynq SoC的多轴运动控制系统设计的可行性和有效性。 基于SoC的多轴运动控制系统为多轴同步控制策略的研究提供了高性能的硬件平台。通过进一步分析多轴同步控制的通常解决方案,本文提出了针对多轴同步跟踪控制系统和双轴串联传动控制系统需要解决的关键设计问题,其中如何提升多轴同步动态性能和抗扰动性能是难点；针对各运动轴的参数摄动和外部扰动,建立了多轴运动控制系统的状态空间模型,应用混合H2/H∞控制可以同时兼顾单轴控制性能和多轴控制性能,保障多轴同步动态性能和抗扰动性能；针对具体的三轴同步跟踪和双轴串联传动控制问题,提出了混合H2/H∞三轴同步控制、具有交叉耦合的混合H2/H∞三轴同步控制和混合H2/H∞双轴串联传动控制3种控制方案。 最后,本文通过仿真和实验分析,探讨了多轴运动控制系统混合H2/H∞控制的参数设定方法,全面分析比较了串联控制、主从控制、交叉耦合控制、混合H2/H∞多轴同步控制、具有交叉耦合的混合H2/H∞多轴同步控制5种多轴同步跟踪控制方案,总结了多轴同步控制方案的性能特点；同时,针对所提出的混合H2/H∞双轴串联传动控制方案进行了仿真和实验验证,仿真和实验结果证明了混合H2/H∞双轴串联传动控制方案对同步消隙和转矩分配实现的有效性和灵活性。
【关键词】：多轴运动控制系统 片上系统 时序同步 多轴同步控制策略混合H_2/H_∞控制 交叉耦合控制 软硬件协同设计
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG659;TP242
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 插图索引10-14
• 1 绪论14-29
• 1.1 研究背景及其意义14-15
• 1.2 运动控制系统的嵌入式系统硬件技术发展现状15-16
• 1.3 FPGA的发展现状与基于FPGA的运动控制系统16-23
• 1.4 多轴运动控制技术研究现状23-26
• 1.5 论文的研究思路和内容安排26-29
• 2 基于SoC的多轴运动控制系统设计29-46
• 2.1 多轴运动控制系统设计分析29-31
• 2.2 基于SoC的多轴运动控制系统软硬件协同设计31-35
• 2.3 基于SoC的多轴运动控制系统架构和系统时序设计35-39
• 2.4 基于Zynq SoC的多轴运动控制系统设计分析39-45
• 2.5 本章小结45-46
• 3 基于SoC的多轴运动控制系统实现与验证46-66
• 3.1 基于HLS的多轴运动控制系统设计方法46-49
• 3.2 基于Zynq SoC的多轴运动控制系统实现49-63
• 3.3 基于Zynq SoC的多轴运动控制系统实验验证与分析63-65
• 3.4 本章小结65-66
• 4 多轴运动控制系统的同步控制策略66-94
• 4.1 多轴同步控制的应用特点分析66-74
• 4.2 多轴运动控制系统数学模型74-76
• 4.3 具有闭环区域极点约束的混合H_2/H_∞控制76-80
• 4.4 多轴运动控制系统的混合H_2/H_∞控制分析80-85
• 4.5 多轴运动控制系统混合H_2/H_∞控制的应用85-93
• 4.6 本章小结93-94
• 5 多轴运动控制系统的仿真与实验研究94-126
• 5.1 多轴运动控制系统混合H_2/H_∞控制的参数设计94-108
• 5.2 多轴运动控制系统的性能评估-多轴同步跟踪特性108-120
• 5.3 多轴运动控制系统的性能评估-双轴串联传动120-124
• 5.4 本章小结124-126
• 6 总结与展望126-129
• 6.1 全文总结126-127
• 6.2 本文主要创新点127-128
• 6.3 今后工作的展望128-129
• 致谢129-131
• 参考文献131-143
• 附录Ⅰ 攻读博士学位期间发表的学术论文和研究成果143-144
• 附录Ⅱ 公开发表的学术论文与学位论文的关系144

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本文编号：756126