实时以太网下多轴运动控制的同步问题研究
Study of Synchronization Problems for Multi-axis Motion Control over Real-time Ethernet
随着现代工业和商业系统的持续发展,对控制系统中应用共享数据网络的需求也与日俱增.近些年,网络运动控制系统已越来越多的应用于基于因特网的远程操作中,并逐渐拓展到诸如高档数控系统和无轴印刷控制系统等领域中,其优势主要体现在:具有可扩展性好、可靠性高以及远程控制能力等优点;同时,它们能够解决接线复杂和传输距离限制等问题,以及显著减少安装、重新配置和维护的时间及其成本.但是,实时性和网络同步、网络调度和网络诱导延迟等网络影响因素给控制网络下的运动控制,尤其是高精度的多轴协调控制,带来了极大的挑战.本学位论文以在高档数控系统和无轴印刷机中实现网络运动控制系统为应用背景,研究网络下多轴运动的同步问题.针对制造领域的传感器、执行器和运动控制器之间采用的现场设备网络,即实时以太网,将多轴运动控制的同步问题解耦为时钟同步和运动同步两个层面,着重解决如下三个问题:1.设计和开发实时以太网协议栈可重构的网络运动控制系统仿真和实验平台;2.建模时钟同步过程,设计时钟同步算法实现级联实时以太网系统中所有从节点的时钟同步精度量级为几十个纳秒,同时降低误差增长率,增加级联系统中可携带的从节点个数;3.设计基于实时以太网的多轴运动同步策略时,使算法分布运行于各节点中,同时还要考虑网络中诸如网络诱导延迟和网络调度策略等影响因素,并证明全局系统的渐近稳定性.本文的主要研究工作和创新性成果如下:一、设计和开发了实时以太网下的开放式仿真和实验平台.通过这些平台,可以快速的实现基于各种实时以太网协议的多轴运动控制系统,为后面提出的时钟同步算法和多轴运动同步算法提供了很好的验证平台.尤其是设计的开放式实验平台,搭建时仅需要在相同的硬件设施上配置相关实时以太网协议栈,从而显著降低开发时间和成本.给出的两个应用实例说明了设计的开放式仿真和实验平台在研究中的可重构性和有效性.二、针对实时以太网运动控制系统中实现多轴运动同步所需的关键基础技术--时钟同步,深入研究了基于IEEE1588的时钟同步策略.该策略基于频率补偿机制和点对点透明时钟机制,提出了一种实时同步协议来将这些时钟同步机制融入到实时以太网通信协议中.然后在对整体时钟同步过程进行建模和分析的基础上,设计了一种最优PI时钟伺服,以便能最小化时钟同步误差的积分平方误差.再者,通过分析长级联路径的实时以太网系统中时钟同步误差累积的原因,提出了一种基于卡尔曼滤波器的PI时钟伺服,以补偿由时间戳量化效应带来的误差累积现象,进而降低级联实时以太网中时钟同步误差的增长率.最后,在设计的开放式实验平台上对提出的各种时钟同步算法进行了实验验证.实验结果显示提出的时钟同步算法可以使从节点4测量到的峰到峰抖动仅为59.37ns,此性能可以与当下代表性研究成果相媲美,并且是在低成本晶振的基础上获得的.同时,算法还能够显著降低时钟同步误差的增长率,从而增加级联实时以太网系统中可携带的网络节点数目.三、在实现的高精度时钟同步的基础上,针对实时以太网系统中的运动同步问题,提出了分布式位置同步控制器和分布式轨迹跟踪控制器.在控制器的设计过程中,不仅考虑了不同轴之间不同的负载惯量和干扰因素,更重要的是还考虑了实时以太网中消息调度策略和网络诱导延迟等主要影响因素.同时,提出在分布式位置同步控制器和轨迹跟踪控制器中采用运动消息估计器来估计当前时刻的位置误差,从而降低网络诱导延迟对运动同步精度的影响.并证明这些带延迟补偿的分布式位置同步控制器和轨迹跟踪控制器是渐近稳定的,最后从仿真和实验两个方面对提出的运动同步算法进行了验证.本文所设计的高性能时钟同步算法和运动同步算法为实时以太网系统中实现多轴同步控制提供了理论和技术支撑.
- 作者：
- 许雄
- 学位授予单位：
- 上海交通大学
- 专业名称：
- 机械电子工程
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2013年
- 导师姓名：
- 朱向阳；熊振华
- 中图分类号：
- TP273；TG659
- 关键词：
- 网络运动控制系统；多轴同步控制；时钟同步；位置同步；轨迹跟踪；实时以太网
- Networked motion control system；multi-axis synchronous control；time synchronization；position synchronization；trajectory tracking；real-time Ethernet