新一代DSP多轴运动控制器的运动规划及控制算法研究.pdf

传统运动控制系统一般采用多片单片机并行处理的封闭式结构，其控制软件的兼容性、系统整体的容错性和可靠性差，且不具备重构（Reconfiguration）和网络功能。这种结构已无法适应制造业市场的变化与竞争，也不能满足现代制造业向信息化和敏捷制造模式发展的需要。针对这些弊端，研究和开发具有开放式结构的高性能运动控制器已成为目前运动控制领域里的一个新的热点。 ### 新一代DSP多轴运动控制器的运动规划及控制算法研究 #### 一、背景与意义 随着制造业的不断发展，对运动控制技术的要求也越来越高。传统的运动控制系统通常采用多片单片机并行处理的方式，形成了封闭式的结构。这种方式存在诸多问题，如控制软件的兼容性差、整体容错性和可靠性不足、缺乏重构能力和网络功能等。这些问题限制了系统对市场变化的适应能力，也不符合现代制造业向信息化和敏捷制造模式转变的需求。因此，研究和开发具有开放式结构的高性能运动控制器成为当前运动控制领域的研究热点。 #### 二、开放式结构运动控制器的特点 开放式结构运动控制器相比于传统的封闭式结构，具有以下显著特点： 1. **双CPU结构**：开放式结构采用基于PC的双CPU结构，其中PC机负责非实时任务的处理，而具有高速浮点运算能力的DSP用于处理实时任务。这种结构支持用户根据具体控制需求重新配置控制算法和操作界面。 2. **灵活的控制算法重构**：用户可以根据实际需求在线下载特定的应用程序到DSP上运行，从而解决了传统运动控制技术在速度、精度、可靠性和兼容性等方面的技术瓶颈。 3. **高度可定制化**：开放式结构允许用户根据不同的应用场景定制控制策略，增强了系统的适应性和灵活性。 #### 三、关键技术——运动规划 运动规划，尤其是多轴运动规划，是新一代DSP多轴运动控制技术中的核心技术。它直接影响着运动控制系统的性能。本文对该领域的关键技术进行了系统而深入的研究，并提出了以下几点关键技术： 1. **双曲线和抛物线速度分配模式**：为了避免因速度或加速度突变导致的机械冲击，研究采用了双曲线和抛物线的速度分配模式来规划加减速过程，以获得更理想的加减速效果。 2. **圆弧、椭圆弧运动插补计算**：对于平面和空间中的圆弧、椭圆弧运动，首先按照一维直线的速度和加速度分配方式进行插补计算，然后通过几何信息和旋转矩阵将计算结果映射到各个轴上，实现平稳快速的高精度弧线运动。特别地，为了简化椭圆弧长的计算，文章介绍了一种创新的方法——“压缩圆”方法，使得椭圆弧的规划算法在计算量上与圆弧保持一致，满足实时插补的需求。 3. **三次样条曲线运动规划**：研究了三次样条曲线的运动规划插补模型和算法，这不仅增加了轨迹规划器能够处理的运动类型，还避免了用直线和圆弧逼近复杂曲线时出现的过渡点切线不连续问题，实现了更平滑的工件轮廓曲线加工。 4. **速度和加速度前馈控制**：将速度和加速度前馈引入到经典的PID控制算法模型中，以减少位置跟踪的滞后误差，进一步提高系统的动态响应性能。 #### 四、实验验证 为了验证上述理论和技术的有效性，文中进行了实际运行实验，包括在企业等离子切割机运动控制系统以及实验室运动控制平台上的应用。实验结果显示，这些技术有效地提升了系统的控制效果。 新一代DSP多轴运动控制器及其相关的运动规划和控制算法为提高现代制造业的生产效率和产品质量提供了有力的技术支持。通过对关键技术的研究和开发，可以更好地满足市场和用户的需求，推动制造业向更高层次发展。