基于xPC的实时仿真及控制系统的开发

• 作 者: 杨帆
• 机 构: 天津大学
• 出 处: 天津大学
• 发表日期: 2016年期
• 关键词: 虚机实控 HIL xPC 实时仿真 Linux CNC EtherCAT

随着多体动力学、有限元分析、计算机图形学等技术的发展,虚拟样机技术被广泛应用于机电产品的开发,它能极大减少实体样机修改工作,缩短产品开发周期,降低产品研发成本,提高产品性能。但目前的大部分虚拟样机技术主要面向样机设计阶段的性能预估和优化,信息采集与反馈滞后,具有非实时性,无法有效评估样机测试与运行等产品实现阶段的性能。虚拟样机的实时仿真与测试技术能够有效解决上述问题,它通过硬件在环(HIL,Hardware in the Loop)等半物理仿真实验,获得所测试的机电产品运行时的性能数据,从而指导产品的优化和升级。基于国内外研究控制系统在环仿真的现状,本文提出了一种基于xPC的实时仿真及控制系统的设计方案。重点研究了多体系统的动力学建模、xPC实时仿真技术、EtherCAT主从站开发、EtherCAT周期性过程通信等内容。该方案利用Robotran等构建多体系统动力学模型,使模型能够在xPC实时仿真平台实时运行,并通过EtherCAT实时通信技术,使仿真模型能够与真实数控系统LinuxCNC之间完成实时的数据交换,从而实现数控系统的在环仿真。本文提出的方案是一套完备的―虚机实控‖解决方案。首先,利用Robotran的动力学建模特性,构建出真实度较高的仿真模型,并与Simulink一起进行协同实时仿真,实现―虚机‖的要求。其次,利用EtherCAT技术的特点,构建出实时通信的主从站。在运行x PC的目标机上添加带有ESC的KPA卡,使目标机成为从站;在运行Linux CNC的工控机上安装EtherCAT主站软件,使工控机成为主站。再次,开发EtherCAT主从站程序。在LinuxCNC中利用comp工具构建EtherCAT的HAL(Hardware Abstract Layer)通信模块,模拟主站;在Simulink中编写C语言的S函数,驱动从站工作。最后,编写PDO(Process Data Obeject)通信代码,实现了EtherCAT主从站之间的周期性PDO通信,符合数控系统与伺服驱动之间的通信要求。同时,本文还成功地进行了多体系统单轴的位置环控制试验。研究结果表明,本文开发的基于xPC的实时仿真及控制系统,能够用于多体系统和控制系统的开发与测试,实现了“虚机实控”。