论文部分内容阅读
运动控制系统是自动控制领域的一个重要分支。运动控制技术在几乎所有的机械制造领域都有广泛的应用，尤其在数控机床、机器人、印刷机械、纺织机械、包装机械、塑料机械和食品机械等领域。运动控制系统网络化的优点在于简化了布线，降低了布线和维护成本，提高了可靠性，减少了控制系统的体积，提高了数据交换速度，抗干扰性能好，信息更为丰富，更便于实现系统信息集成和设备诊断。网络技术在提升了运动控制系统综合性能的同时，也给其设计、分析与应用带来了许多问题，如网络通信延迟、网络通信冲突、网络带宽限制、通信可靠性等，也影响了运动控制网络技术的进一步发展。
结合上述问题的分析，本文着重研究了运动控制网络中确定性调度问题，以保证网络通信过程的可靠性、实时性和安全性，提高网络资源利用率。最终取得了如下成果:
1、针对运动控制系统引入网络技术后面临的诸多问题，如通信冲突、通信安全性、通信实时性等，提出了一种运动控制网络协议模型，定义了协议模型的总体框架和各子层的功能，通过加入网络抽象子层、网络安全子层、网络调度子层及时钟同步模块，进一步提高了运动控制网络在通信可靠性、安全性、实时性等方面的性能，为运动控制系统确定性调度方法研究提供了通信协议框架的支撑。
2、针对运动控制系统确定性调度对时钟同步在高精度、高效率、低开销等方面的要求，提出了一种简单、高效的运动控制网络时钟同步方法，该时钟同步方法支持分布式和集中式两种时钟同步模式，降低了时钟同步操作的网络通信开销，适用于不同特点的运动控制应用。
3、为解决运动控制网络中网络通信冲突、通信确定性和通信实时性等问题，提出了一种基于时间窗口的运动控制网络确定性调度方法。在运动控制网络确定性调度方法中，将每个工作宏周期分为实时窗口、非实时窗口和重发窗口三个时间窗口，分别用于实时数据和非实时数据的发送，其中重发窗口专用于为解决非实时数据的重新发送问题，以进一步提高网络通信的可靠性。
4、为进一步验证上述研究成果的可行性，给出了一种基于运动控制网络协议模型的EtherCAT主站设计方案。设计方案包括EtherCAT主站协议模型、工作流程、软件框架和硬件设计方案等内容。在EtherCAT主站用户接口设计、网络通信调度方案设计等内容中应用了运动控制网络协议模型设计和确定性调度方法设计中的部分研究成果。为了配合EtherCAT主站的测试，后续又开发了EtherCAT从站。