基于主副控线型实时以太网多轴运动控制系统的研究

摘要

多轴运动控制技术是现代控制系统的热点技术之一，它直接影响到现场设备的加工精度和效率。近年来，随着以太网技术在多轴运动控制系统中的应用，针对实时以太网多轴性能和时钟同步的研究已经成为实时以太网技术研究的主流方向。本文以线型以太网为基础，设计了主副控线型实时以太网控制模型，旨在为多轴网络运动控制系统提供更好的实时性和同步性。本文主要研究内容如下： 首先，综合比较了当前流行的以太网拓扑结构、网络延时、铺设难易、经济成本和适用场合等关键因素，选择线型级联以太网为网络拓扑结构，并在其基础上提出了主副控线型实时以太网控制模型。 其次，分析了以太网链路层网络延时的来源，针对实时以太网节点延时的有界性建立了延时抖动模型。研究了主副控线型实时以太网多轴控制网络内各节点的驱动配合方式和主副控制节点下属从节点的分配策略。同时，针对主副控实时以太网内报文双向传递的特殊性，基于IEEE802.3重新设计了适用于主副控网络的以太网帧结构。 然后，将基于主副控线型实时以太网的控制网络启动流程分为初始化、分配时钟、主副控从节点分配、周期通讯、系统停止5个过程，并对每个过程做了详细分析。为了保证主从节点间的时钟同步性，基于IEEE1588精确时钟协议设计了主从节点时钟模型，并在此模型的基础上提出了一种主从节点时钟同步算法。 最后，基于Matlab/Simulink和TrueTime工具箱对网络延时和主从节点时钟同步性能做了仿真分析，分析结果显示系统的时钟同步性能较基于EtherCAT的单线型网络控制系统有了一定提升，满足现代控制系统提出的多轴协调、高速高精的要求。同时，为了适应现在高速发展的移动互联网，本文基于Android系统开发了一个与主副控实时以太网相配套的手机控制端App，该App具有远程控制和实时监控等功能，并针对网络数据的安全传递采取了Https通信加密和Sm4本地数据加密两种加密方式，确保数据的安全性。

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