论文研究-基于EtherCAT网络的伺服控制系统实现 .pdf

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基于EtherCAT网络的伺服控制系统实现,王晓亮,李木国,利用高性能的工业以太网总线-EtherCAT结合软PLC技术,实现了低成本、高性能的伺服网络运动控制系统的设计。本文介绍了EtherCAT协议用于�
国武技论文在线 表有软PLC的PC机 普通网卡 EtherCAT从站控制 EtherCaT从站控制 器1 n 何服驱动器 何服驱动器 同步伺服电札 同击伺服电机 图2系统设计整体结构图 系统中使用的驱动器为 公司型号为 的驱动器,这款驱动器带有 带宽的网络接∏和集成的(从站控制器)芯片,电机为 公司型号为 的电机。 系统详细实现 伺服电机点对点控制程序的设计 伺服电杋最常用的控制方式是点对点的位置控制,这种方式的控制原理如图所示 实,仅 实测球度 区补偿D 徒定i 点惶产牛 这皮打r 舍出限每 处理 该定加速度 图3伺服电札位置控制原理图 软电机控制程序负责从端口得到由 网络传上来的一系列参数(实际 位冒,实际速度,轴运行状态,轴耦合状态等),然后根据设定的位置和速度值,通过一定 的运动控制算法,讣算出的输出值(轴操作模式,位置点改定,方向设定等)通过 网络传送给电机驱动器,从而完成对电机位置的精确控制。这个控制程序的核心是电机的运 动控制算法,算法原理如图的虚线框中所示。 国武技论文在线 打廾软的个端 通过网络向驱动器发送数据 读取网络传输上来的数据 算法 电机运动控制算法的程序流程如图所示,控制算法被封装在一个模块中。模块的输入 是速度的设定值,以及位置设定值与从驱动器反馈回来的电机实际位置值之差, 将带入根据控制需要设计的模型中,计算岀控制电杋卜一步运行的参数,需 取介于和之间的值,如果 ,则取为,同样如果 则 取为 加上速度设定值对输出的影响 得到初步输出值如果计算出 的输出值在驱动所能提供的范围内,则直接通过软的端口输出,否则取最大值 输出给网终驱动程序,进行封包并通过 网终传递给驱动器 国武技论文在线 P得到P 将P带入FD公式得山 P <Pnin<P<P<P P P=P P加LV,K,得 Y,以系L并在介于 m和Ym之间时专到 输出值Y 图4PLC电机控制稈序流稈 多合电杋的同步运行采用耦合模块来实现,其中一台电机作为主轴,其它的仵为从轴。 从轴的设定值(位置、速度、加速度)完仝依赖于主轴的设定值产生,它与主轴之间存在- 定的换算耦合关系,通过耦合模块产生的从轴控制命令通过 网络单独传递给从轴 驱动器 网卡与驱动器之间 通信设计 通信适用于电机控制的最大优势有两点:通用的标准以太网帧结构和快速的 数据帧处理速度 的数据帧结构如图所示,它使用标准的 以太网帧 格式,这样主站只需一个标准网卡而不用其它仟何特殊硬件。 有一个保留的 从而将其同其它的以太网数据帧区别开来,一个 数据帧由帧头 和紧跟着的一个或多个 数据包组成,每个数据包中的代表从站计数器 Ethernet Heter Hmnt ara HIsense Dotimntion Sourcc Eter Type EhxrCATHeader EthercAt nataxa t HrAI De粒rim h上 AI Datag Dargan leader 图5 Ethercat数据帧咯式 如图所示,当数据帧通过一个伺服驱动器时, 从站控制器通过现场总线存 储器管理单元和同步管理器两种狙特的硬件结构实现数据帧无编码解码的数据读取,使得数 国武技论文在线 据发送和接受的延迟时间达到纳秒级 学 血射品 P口 在否留部品 同B P 图6 Ethercat从站控制尜结构 系统测试分析 在木系统中进行了多组测试,包括单独控制一个轴运行,一主一从两个轴运行,一主多 从多轴同时运行等。现选取其中·主多从多轴同吋运行模式下个主轴和个从轴的速度和 位置实测曲线来进行性能分析。为主轴设定一个速度上限值和一个位置值,使主轴 在和位置值之间往复运动,从轴通过电子齿轮耦合模块以一定比例与主轴同步运动。 首先设定上轴 毫米秒, 毫米,对主轴运行轨迹进行单独采样得到图 和图。图中虚线代表设定的轴位置,实线代表实际轴的位置;图中虚线代表设定的 轴速度,实线代表实际轴的速度。山图可知设定值和编码器反馈回来的实际值非常吻合。 a ai tk th iw h th ak ik tis tenia 图7主轴位窒目标曲线和实际曲线采样波形 图8主轴速度目标曲线和实际曲线采样波形 国武技论文在线 和保持不变,设定为时,从软采样程序获得的运行实时曲线如图 和图所示。图中实线代表主轴的实际位置,虚线代表从轴的实际位置;图中实线代 表主轴的实际速度,虚线代表从轴的实际速度。从图中每个时刻对应的纵坐标值可得,从轴 和主轴的速度比和位置比均为设定值 胰位置 如111160b110 图9主从轴耦合位置采样波形 人翰原血 图10主从轴耦合速度采样波形 从以上系统测试可以得出,软可以很好的完成多轴同步精确位置控制 结束语 本文设计了亢整的基于软和高速工业以太网的电机控制系统,测试结果证明系统 性能达到预期目标。这种方法将原来由专用硬件实现的功能改由软件来完成,不但人人降低 了系统成本,而且使得编稈更加灵活,因此软必将成为电机运动控制的主流技术 参考文献 吴玉香,周东霞,林锦贇嵌入式软系统的硏究和实现计算机工程, 黄延延,林跃,于沟滨软技术研究及实现计算机程

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