基于CAN总线网络化多轴运动控制系统的研究与应用

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运动控制是自动控制的重要分支,由于它能够实现对运动轨迹与运行速度的精确控制要求,因此运动控制系统在各类控制工程中有着广泛应用前景。CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信局域网络,由于其高可靠性、实时性好及其独特的设计,已广泛应用于控制系统中的各检测和执行机构之间的数据通信,在工控领域兴起应用热潮。而交流伺服电机具有结构紧凑、控制容易、运行稳定、响应快等优异特性,已在数控机床等重要行业中得到了普遍的应用。通过CAN总线进行数据传输与控制,使伺服电机的性能更加稳定,能更好更灵活地应用于运动控制系统中。   远程控制是本地计算机通过网络系统实现对远端的生产或者实验过程的监视和控制,实验者从网络上可以看到直观、可信的实验信息,对校园网络实验教学的发展有着重要的意义。运动控制与远程控制相结合构建基于CAN总线和以太网的多轴运动控制系统实验平台使学生能在异地完成各种实验。实验系统中每个伺服驱动器构成现场总线控制系统中的一个智能节点,然后利用CAN总线把这些智能节点连接起来,构成一个含有多个永磁同步电机的网络化控制系统,最后利用以太网构成远程控制系统。这种两层的控制系统能实现多轴运动控制平台的异地操作。   本文在对应用于运动控制的几种现场总线进行比较的基础上,分析了CANopen协议和CAN总线在运动控制系统中的实时性。使用多轴运动控制器、伺服驱动器、永磁同步电机等构建了基于CAN总线网络化多轴运动控制系统的硬件平台,并总结了调试硬件系统时出现的干扰现象和相应的抗干扰措施。在上位机控制软件上,使用MFC开发了网络化多轴运动控制系统控制软件,实现多轴运动控制系统的参数设置,人机界面、通讯、插补运算等功能。在上述所构建的多轴运动控制系统实验平台上对ELMO位置控制器进行建模,并用此模型在搭建的多轴运动控制系统上进行实验,比较了永磁同步电机前馈PID控制和传统的PID控制的控制性能。实验表明前馈PID控制比传统的PID控制响应快、超调量小、调整时间短。为了使整个伺服系统能够稳定、高性能的运行,对网络化多轴运动控制系统参数进行整定。文章最后对网络化多轴运动控制系统进行了总结和展望。
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