本文關(guān)鍵詞：基于SoC的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)及其同步控制研究

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【摘要】：在數(shù)控機(jī)床和多機(jī)器人系統(tǒng)中,多軸同步/協(xié)同控制是其中重要的功能特性。各個運(yùn)動軸間控制時序不同步、系統(tǒng)的外部擾動和參數(shù)攝動都會影響系統(tǒng)的運(yùn)行精度和執(zhí)行效率,甚至?xí)䦟?dǎo)致系統(tǒng)失去穩(wěn)定。因此研究多軸運(yùn)動控制設(shè)計(jì)方法,提高系統(tǒng)同步/協(xié)同控制性能,可以提升數(shù)控機(jī)床的加工精度和多機(jī)器人系統(tǒng)的執(zhí)行效率,保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。本文以多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)為研究對象,針對多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的同步/協(xié)同控制要求,從系統(tǒng)平臺設(shè)計(jì)和控制策略兩個方面進(jìn)行深入研究,探討實(shí)現(xiàn)多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)時序同步性和運(yùn)動同步性的方法,以提升系統(tǒng)的多軸同步控制性能。 本文首先通過介紹多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)的研究現(xiàn)狀,分析了多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)中存在的時序不同步和延遲對多軸同步控制性能造成的影響,闡明了控制反饋信號的同步采樣、控制算法的同步運(yùn)算和輸出模塊的同步執(zhí)行對提升多軸同步控制性能的重要性；為了確保各個運(yùn)動軸采樣、運(yùn)算和執(zhí)行的同步,采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法,提出了基于片上系統(tǒng)(System-on-Chip, SoC)的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)架構(gòu)和系統(tǒng)調(diào)度規(guī)劃時序；由此,采用所提出的基于SoC的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)方案,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于最新一代通用SoC平臺Zynq-7000的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng),保證了系統(tǒng)的時序同步性和功能完整性,同時提升了系統(tǒng)的計(jì)算性能和集成度。 SoC是一種集成處理器核心和可編程硬件的復(fù)雜軟硬件系統(tǒng)�；赟oC的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的高效設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是設(shè)計(jì)方案能否應(yīng)用于實(shí)際的關(guān)鍵。通過分析高層次綜合(High-Level Synthesis, HLS)技術(shù)的設(shè)計(jì)流程,本文提出了基于HLS的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,以降低基于SoC的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度；在此基礎(chǔ)上,詳細(xì)介紹了基于Zynq SoC的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),通過資源開銷與時序特性分析,驗(yàn)證了基于HLS的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的合理性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了基于Zynq SoC的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和有效性。 基于SoC的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)為多軸同步控制策略的研究提供了高性能的硬件平臺。通過進(jìn)一步分析多軸同步控制的通常解決方案,本文提出了針對多軸同步跟蹤控制系統(tǒng)和雙軸串聯(lián)傳動控制系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵設(shè)計(jì)問題,其中如何提升多軸同步動態(tài)性能和抗擾動性能是難點(diǎn)；針對各運(yùn)動軸的參數(shù)攝動和外部擾動,建立了多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型,應(yīng)用混合H2/H∞控制可以同時兼顧單軸控制性能和多軸控制性能,保障多軸同步動態(tài)性能和抗擾動性能；針對具體的三軸同步跟蹤和雙軸串聯(lián)傳動控制問題,提出了混合H2/H∞三軸同步控制、具有交叉耦合的混合H2/H∞三軸同步控制和混合H2/H∞雙軸串聯(lián)傳動控制3種控制方案。 最后,本文通過仿真和實(shí)驗(yàn)分析,探討了多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)混合H2/H∞控制的參數(shù)設(shè)定方法,全面分析比較了串聯(lián)控制、主從控制、交叉耦合控制、混合H2/H∞多軸同步控制、具有交叉耦合的混合H2/H∞多軸同步控制5種多軸同步跟蹤控制方案,總結(jié)了多軸同步控制方案的性能特點(diǎn)；同時,針對所提出的混合H2/H∞雙軸串聯(lián)傳動控制方案進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了混合H2/H∞雙軸串聯(lián)傳動控制方案對同步消隙和轉(zhuǎn)矩分配實(shí)現(xiàn)的有效性和靈活性。
【關(guān)鍵詞】：多軸運(yùn)動控制系統(tǒng) 片上系統(tǒng) 時序同步 多軸同步控制策略混合H_2/H_∞控制 交叉耦合控制 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG659;TP242
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 插圖索引10-14
• 1 緒論14-29
• 1.1 研究背景及其意義14-15
• 1.2 運(yùn)動控制系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)硬件技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀15-16
• 1.3 FPGA的發(fā)展現(xiàn)狀與基于FPGA的運(yùn)動控制系統(tǒng)16-23
• 1.4 多軸運(yùn)動控制技術(shù)研究現(xiàn)狀23-26
• 1.5 論文的研究思路和內(nèi)容安排26-29
• 2 基于SoC的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)29-46
• 2.1 多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析29-31
• 2.2 基于SoC的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)31-35
• 2.3 基于SoC的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)架構(gòu)和系統(tǒng)時序設(shè)計(jì)35-39
• 2.4 基于Zynq SoC的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析39-45
• 2.5 本章小結(jié)45-46
• 3 基于SoC的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證46-66
• 3.1 基于HLS的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法46-49
• 3.2 基于Zynq SoC的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)49-63
• 3.3 基于Zynq SoC的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析63-65
• 3.4 本章小結(jié)65-66
• 4 多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的同步控制策略66-94
• 4.1 多軸同步控制的應(yīng)用特點(diǎn)分析66-74
• 4.2 多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型74-76
• 4.3 具有閉環(huán)區(qū)域極點(diǎn)約束的混合H_2/H_∞控制76-80
• 4.4 多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的混合H_2/H_∞控制分析80-85
• 4.5 多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)混合H_2/H_∞控制的應(yīng)用85-93
• 4.6 本章小結(jié)93-94
• 5 多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的仿真與實(shí)驗(yàn)研究94-126
• 5.1 多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)混合H_2/H_∞控制的參數(shù)設(shè)計(jì)94-108
• 5.2 多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的性能評估-多軸同步跟蹤特性108-120
• 5.3 多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的性能評估-雙軸串聯(lián)傳動120-124
• 5.4 本章小結(jié)124-126
• 6 總結(jié)與展望126-129
• 6.1 全文總結(jié)126-127
• 6.2 本文主要創(chuàng)新點(diǎn)127-128
• 6.3 今后工作的展望128-129
• 致謝129-131
• 參考文獻(xiàn)131-143
• 附錄Ⅰ 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和研究成果143-144
• 附錄Ⅱ 公開發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與學(xué)位論文的關(guān)系144

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本文編號：756126