南京工程学院
自动化学院
本科毕业设计（论文）题目：高速运动控制网络主节点硬件设计专业：自动化（数控技术）
Graduation Design (Thesis)
Hardware Design of High Speed Motion Control Network
Master Node
摘要
运动控制是自动控制领域的一个重要分支。随着现场总线技术的发展，网络化成为了运动控制系统发展的必然趋势。随着技术的日臻成熟，其具有了在运动控制系统中应用的趋势和可能。运动控制网络是将网络技术应用到运动控制系统，并对其进行改进，以适应于运动控制系统需求而产生的一种控制网络技术。和现场总线相比具有安装成本低、传输速率快、支持服务类型多、用户基础广泛等突出的优点。
本文分析目前几种常用的用于运动控制的工业以太网络，提出了一种高速运动控制网络，给出了网络拓扑结构和工作方法。
具有网络通讯能力的控制模块是开发运动控制系统的基础，本文以高速运动控制网络主节点硬件设计为例，详细地介绍了微控制器电路设计、USB电路设计、显示电路设计、电源电路及PHY电路设计、可编程器件电路设计，说明了具有网络功能的控制模块的开发方法。并验证了该网络的开发的正确性。
关键词：运动控制网络；网络通讯；主节点
ABSTRACT
The motion control is all important branch of auto control area. With the development of industrial field bus control system. Network turns into an inevitable trend of the motion control system development. As the technology becomes mature day by day, it has the application of the trend and possible in the motion control system. Motion control network is a network technology be applied to the motion control system, must be improved in order to meet the requirements of motion control system, a control network technology. It has many merits such as low installation cost, high communication speed, supporting variable services and large customer quantity. The paper analyzes a few common industrial Ethernets used for motion control, introduces a high speed motion control network, presents the network topology structure and working method.
Control module with network communication capacity is the basic element of motion control system. With analysis of high speed motion control network master node hardware design, introduces in detail the design of micro controller circuit, USB circuit, display circuit, power supply circuit and PHY circuit, programmable device circuit. The develop method of control module with Network function is illustrated. And it is testified the feasible of the development of this Network.
Key words：Motion control network; Network communications; Master node
目录
第一章绪论 (1)
1.1 运动控制网络 (1)
1.2 高速运动控制网络研究背景与意义 (3)
1.2.1 课题研究背景 (3)
1.2.2 课题研究的意义 (5)
1.3 高速运动控制网络发展现状 (6)
1.3.1 国内外运动控制技术的发展 (6)
1.3.2 运动控制网络发展现状 (8)
1.4 本文的主要工作 (10)
第二章高速运动控制网络结构设计 (11)
2.1 运动控制网络结构现况 (11)
2.2 系统采用的网络结构 (12)
第三章硬件网络通信协议 (14)
3.1 国内外主流网络通信协议 (14)
3.2 系统采用的网络通信协议 (17)
第四章高速运动控制网络主节点硬件设计 (19)
4.1 微控制器电路设计 (19)
4.1.1 S3C2440A的特点 (19)
4.1.2 微控制器电路总体设计 (20)
4.2 USB接口电路设计 (24)
4.2.1 CH376芯片的特点 (24)
4.2.2 USB接口总体设计 (25)
4.3 显示电路设计 (27)
4.4 电源电路及PHY电路设计 (28)
4.4.1 电源电路设计 (28)
4.4.2 PHY电路设计 (29)
4.5可编程器件电路设计 (32)
4.6 本章小结 (35)
第五章硬件测试 (36)
5.1 原理图测试 (36)
5.2 PCB测试 (37)
5.3 空板测试 (38)
5.4 焊后测试 (39)
5.5 加电测试 (39)
5.6 晶振测试 (39)
5.7 FPGA测试 (40)
5.8 本章小结 (42)
第六章结论 (43)
6.1论文总结 (43)
6.2 感想 (44)
致谢 ............................................................................................. 错误！未定义书签。参考文献 (45)
附录：硬件设计原理图与PCB图 (48)
第一章绪论
1.1 运动控制网络
随着网络通信技术的日新月异，特别是网络技术的发展与应用的成功，运用网络通信的方式来实现传统运动控制的架构成为必然的趋势[1-6]。
运动控制的网络化，主要指运动控制系统与外部的其它控制系统或上位计算机进行网络联接和网络控制。网络技术的引入，使运动控制系统控制范围扩大了，使大范围的协调运动控制成为可能，便于实现集中的分布式控制，便于和车间控制系统以及厂级ERP等实现连接，使整个运动控制系统更加安全有效地工作。
目前大多数运动控制网络使用的拓扑结构有: 星型拓扑结构、树型拓扑结构、总线型拓扑结、环形拓扑结构[7][8]。
星型结构如图1.1所示，该网络有中央节点，其他节点（工作站、服务器）都与中央节点直接相连，这种结构以中央节点为中心，因此又称为集中式网络。星型拓扑结构便于集中控制，因为每个端用户之间的通信必须经过中心站。由于这一特点，也带来了易于维护和安全等优点。端用户设备因为故障而停机时也不会影响其它端用户间的通信。同时星型拓扑结构的网络延迟时间较小，传输误差较低。
图1.1 星型结构
在星型拓扑结构中，网络中的各节点通过点到点的方式连接到一个中央节点(一般是交换机)上，由该中央节点向目的节点传送信息。中央节点执行集中式通信控制策略，因此中央节点相当复杂，负担比各节点重得多。在星型网中任何两个节点要进行通信都必须经过中央节点控制。
目前一般网络环境都被设计成星型拓朴结构。星型网是目前广泛而又首选使用的网络拓朴设计之一。但是这种结构非常不利的一点是，中心系统必须具有极
高的可靠性，因为中心系统一旦损坏，整个系统便趋于瘫痪。对此中心系统通常采用双机热备份，以提高系统的可靠性。
树型结构如图1.2所示，树型结构实际上是星型结构的一种变形，它将原来用单独链路直接连接的节点通过多级处理主机进行分级连接。
图1.2 树型结构
这种结构与星型结构相比通信线路总长度短,降低了通信线路的成本，节点易于扩充，寻找路径比较方便，但增加了网络复杂性。网络中除最低层节点及其连线外，任一节点或连线的故障均影响其所在支路网络的正常工作。
总线拓扑结构如图1.3所示，总线结构是使用同一媒体或电缆连接所有端用户的一种方式，也就是说，连接端用户的物理媒体由所有设备共享。使用这种结构必须解决的一个问题是确保端用户使用媒体发送数据时不能出现冲突。在点到点链路配置时,这是相当简单的。如果这条链路是半双工操作，只需使用很简单的机制便可保证两个端用户轮流工作。在一点到多点方式中,对线路的访问依靠控制端的探询来确定。
图1.3 总线结构
这种结构具有费用低、数据端用户入网灵活、站点或某个端用户失效不影响
其它站点或端用户通信的优点。缺点是一次仅能一个端用户发送数据，其它端用户必须等待到获得发送权。媒体访问获取机制较复杂。尽管有上述一些缺点,但由于布线要求简单,扩充容易,端用户失效、增删不影响全网工作,所以是网络技术中使用最普遍的一种。
环型结构如图1.4所示，环型结构在LAN中使用较多。这种结构中的传输媒体从一个端用户到另一个端用户,直到将所有端用户连成环型。这种结构显而易见消除了端用户通信时对中心系统的依赖性。环型结构如图2.5所示
图1.4 环型结构
环行结构的特点是,每个端用户都与两个相临的端用户相连,因而存在着点到点链路,但总是以单向方式操作。于是,便有上游端用户和下游端用户之称。信息流在网中是沿着固定方向流动的，两个节点仅有一条道路，故简化了路径选择的控制；环路上各节点都是自举控制，故控制软件简单；当需要减少或增加工作站时，仅需要简单的连接操作。
环上传输的任何报文都必须穿过所有端点，因此，如果环的某一点断开，环上所有端间的通信便会终止。为克服这种网络拓扑结构的脆弱,每个端点除与一个环相连外，还连接到备用环上，当主环故障时，自动转到备用环上。
1.2 高速运动控制网络研究背景与意义
1.2.1 课题研究背景
现场总线控制系统[9](FCS-Fieldbus Control System)是顺应智能现场仪表而发展起来的，它的初衷是用数字通讯代替4一20mA模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化(仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录)的发展。在控制领域内引起了一场前所未有的革命。随着技术的不断进步和发展，传统场
总线越来越多地表现出了其本身的局限性。一方面，随着现场设备智能程度的不断提高，控制变得越来越分级分布在工厂备处的智能设备之间以及智能设备和工厂控制层之间需要连续地交换控制数据，这使得现场设备之间数据的交换量飞速增长，FCS的传输速率在有些场合下仍无法满足实时控制的要求另一方面，现场总线种类旗多，通讯标难尚未统一，这使得备厂商的仪表设备难以在不同的FCS 中兼容随着计算机技术的发展，企业希望能够将底层的生产信息整合到统一的全厂信息管理系统中，于是，企业的信息管理系统需要读取现场的生产数据，并通过工业通信网络实现远程服务和维护，因此，纵向一致性也成为热门的话题，用户希望管理层和现场级能够使用统一的、与办公自动化技术兼容的通信方案，这样可以大大简化工厂控制系统的结构，节约系统实施和维护的成本。
基于这样的需求，网络技术开始逐渐从工厂和企业的信息管理层向底层渗透，网络技术开始广泛地应用于工厂的控制级通信。在自动化世界中使用网络化解决方案有几方面显著的优势：统一的架构、集成的通信以及强大的服务和诊断功能。从目前工业自动化控制领域的情况来看，网络技术取代现场总线是工业控制网络发展的必然趋势[10]。
目前国际上对工业控制网络的研究和应用是一个热点。许多的传统工业控制设备生产商纷纷投入巨资研究和开发具有网络接入能力的控制产品。国内也有许多研究机构开始了对工业控制网络的研究。本研究课题的开展对于提高我国自动化控制水平，降低控制系统造价，推广和实施先进控制技术具有重要意义。
工业控制网络的应用目前只是处于初级阶段。但随着技术的发展，工业控制网络的应用将越来越广泛。其原因在于工业控制网络具有以下几点优势。
（1）通信速率高
分布式控制系统是控制系统发展的必然，现场设备间的信息交互大旦增加。而且控制网络与企业信息网络的集成也无疑会导致针对现场设备的访问量大大增加。传统的现场总线技术，由于其速率较低，显然已经不能满足分布式控制系统的带宽要求。而工业控制网络的速率可以达到100Mblt／s，随着Gigabit技术的出现，其速率可以达到1Gbit／s、10Gbit／s。
（2）使得实现单一的控制网络成为可能
在工厂底层采用工业控制网络，可以将整个企业，从管理层到工厂的设备层直接用一种网络连接，将大大地减少安装、维护和培训费用。另外，采用这样一种单一网络结构，能够允许从企业的任何位置，甚至是世界的任何地方查询生产过程的信息对企业生产进行实时监控。这无疑会提高企业生产效率，增强企业朗竞争力。
（3）系统易于集成和扩展
由于网络技术被大多数的设备制造商所支持，且具有标准的接口，系统集成和扩展更加容易。
（4）易于实现设备问的互操作
多种现场总线技术并存所面临的一个重要问题是总线间的互操作。由于各现场总线技术都使用专用协议，总线间的互操作面临协议问的转换问题。这不但会增加控制系统的复杂性，而且会影响系统的实用性。而采用工业控制网络则可以避免复杂的协议转换问题，便于实现设备间的信息沟通，使得设备间互操作更加容易。
（5）具有较强的可持续发展能力
由于网络技术的广泛应用，其发展受到越来越多的重视，各开发商在其上投入大量人力物力。随着信息技术的发展，企业的生存与发展更多地依赖于企业的综合自动化信息网络，这会促进工业控制网络技术不断地持续向前发展。
将网络技术应用于工厂的生产控制过程中并不是一个简单的移植过程。在将网络技术引入到控制级通信的过程中，为了满足工业控制系统的特殊需求，如现场环境、拓扑结构、可靠性等要求，必须对普通的办公室网络做出调整和补充，以保证网络技术在工业现场应用的可靠性，即我们常说的工业控制网络。目前，在控制级通信网络领域中，工业控制网络解决方案已经得到了广泛的认可和接受，企业和工厂也充分享受到了高性能通信网络带来的便利和收益。
1.2.2 课题研究的意义
网络化在工业控制领域中逐步成熟，井具有巨大的发展潜力和非常广阔的前景，其应用领域不断地得到扩展，而且应用广度和深度也继续扩大。工业控制网络的优势体现在：
◇应用广泛、成本低廉，目前，其网卡的价格只有CONTROLNET等专用网卡的十分之一或更低；
◇通信速率高；。
◇软硬件资源丰富；
◇可持续性强，人们已自然地接受网络通信方式，由此会吸引大量的
技术投入，也就保证了工业控制网络会得到更加快速和持续的发展；
◇兼容性好：工控厂家的广泛支持和应用。
由于以上原因和技术进步，无论是国外知名的DCS厂商还是PLC厂商，出于设备方面的因素的考虑，都纷纷推出了各自的工业控制网络体系，以适应市场需求并且也在技术上加以改进，以便其适应工业控制方面的要求。厂家在采购自动化设备时，已经非常重视与网络的兼容性。
可以说在2004年以前国内工业控制网络的市场还处于开发初期，其概念和
产品对国内用户来讲还是一个新鲜事物，用户对产品的选择相对保守。在进入2004年以后，用户渡过了最初的接触期，对此类概念己逐步了解掌握，对产品及方案的选择趋于多样。而在进入2006年以后，整个市场步入了快车道，呈现出更快速增长，据业内著名的市场调查公司ARC Group针对工业控制网络市场提似的报告称，2002~2007年间，每年的工业网络接口递增率高达84%；工业控制网络在未来五年复合年增长率将会高达51.4％；2003~2008年间，与工业控制网络紧密相关的DCS产品和PLC产品的市场容量年增长率分别达到15%和14%[11]。
本课题具有广阔的市场应用前景。对工业领域来说，它建立在网络平台之上，己为众多的技术人员历熟悉，保证了其今后台随着网络技术的发展而得到进一步创跃其技术优势可满足自动化领域的广泛需求。
工业控制网络技术为我国在自动化控制领域赶超世界先进水平提供了一个契机，它提供给我们节约分散在各种总线标准研究上的人力、物力和财力，集中力量解决问题的机会。制定拥有自主知识产权的工业设备网络协议，对我国工业控制网络和自动化装置的发展具有重要战略意义和应用价值。
1.3 高速运动控制网络发展现状
1.3.1 国内外运动控制技术的发展
国际上对运动控制技术的研究[12-17]是从80年代后期开始的，其中美国对开放式运动控制技术的研究最为重视。在美国，开放式运动控制技术被誉为新一代的工业控制技术。早在1989年，美国政府为了减少大型制造设备对日本控制技术(FANUC、OMRON)的依赖性，成立了“国家制造科学中心’’，制定了下一代机器控制器(Next Generation Machine Controller，简称NGC)的研究计划，目标是开发能用于CAD／CAM和多传感器信息集成的商业化机床控制平台。该计划研究的结果就是形成了有助于工业运动控制器产品标准化的开放式系统结构标准规范(NGC．SOSAS)。在NGC计划完成的基础上，美国政府又针对开放式运动控制技术制定了多个国家级研究计划，如美国国家标准局(NIST)的增强型运动控制器(Enhanced Machine Controller)研究计划、美国空军的OASYS计划以及美国能源部资助的ICON计划和TEAM项目，其中TEAM项目的目标是建立三个用于不同设备控制的开放式结构圆形平台。从这些计划中可以看出美国对开放式运动控制技术的重视，也不难看出运动控制在当今工业控制领域的重要性。截至1998年，美国共有200多家公司从事运动控制器软硬件产品的研究与开发，运动控制器产品的年销售额超过20亿美元，与1997年相比，增长率大约为30％。美国比较著名的运动控制器制造商包括Delta Tau、Galil、DMC、Aerotech以及
Tech80等。目前，美国的运动控制类产品在世界运动控制市场上所占的份额达到了80％以上。
在欧洲，一些国家为了提高机床生产商和控制器开发商在世界市场上的竞争力，于1990年制定了联合研究计划Open System Architecture for Control Automation(OSACA)，目的是制定一个独立于硬件开发商并能适用于大多数工业控制的开放式体系结构规范，以提高系统的柔性，减少用户在OEM制造过程中的培训、开发和维护费用。
在日本，开放式运动控制器被认为是将来的第三次工业革命，一些专家预测其应用的普遍性将与目前广泛应用的PLC类似。日本的六大公司(Toshiba、Toyota、Mazak机床公司、三菱、SML电气公司)也于1995年联合制定了“控制开放式系统环境”的研究计划，目标是为工厂自动化设备和控制器的制造提供开放性的体系结构规范。
归纳起来，国外从事开放式运动控制技术研究的内容主要集中在提高运动控制器的灵活性、可集成性及标准化程度三个方面，主要包括：
(1)建立一个适用于自动化制造工厂的、面向CAD／CAM对象的标准化的数据描述语言规范，以便在企业的不同层次获得应用。
(2)标准CAD／CAM伺服控制数据在不同控制层次之间的交换协议。
(3)适用于多种场合的开放式软硬件平台的体系结构。
与国际先进水平相比，国内的数控系统和运动控制的研究还处于起步阶段，主要是一些研究单位为了实现一些特殊控制的需要或从节约成本、开发的方便性考虑，采用在工业PC(或普通PC)的总线槽上插入运动控制卡和I／O卡，配以自行开发的控制软件来完成控制功能。也有一些系统开发商将原有的系统移植到PC平台上，如“八五”期间，我国成功开发了两种数控平台和华中I型、蓝天I 型、航天I型、中华I型等4种基本系统，这些系统采用了模块化、嵌入式的软硬件结构。其中，以华中I型较具代表性，它采用工业PC机上插接口卡的结构，运行在DOS平台上，具有较好的模块化、层次化特征，有一定的扩展性和伸缩性。但在这些数控系统中，运动控制器只是应用在特定的系统中，没有形成一种通用的、系列化供应于市场的产品。
目前，国内的运动控制生产厂商提供的产品大致可以分为以下三类[3][4][10][11]：
(1)以单片机或微处理器作为核心的运动控制器。这类运动控制器速度较慢，精度不高，成本相对较低，多用于一些只需要低速点位运动控制或对轨迹要求不高的轮廓运动控制场合。
(2)以专用芯片(ASIC)作为核心处理器的运动控制器。这类运动控制器结构
比较简单，但大多数只能输出脉冲信号，工作于开环控制方式。这类控制器对单轴的点位控制场合是可以满足要求的，但对于要求多轴协调运动和高速轨迹插补控制的设备则不能完全胜任。由于这类控制器不能提供连续插补功能，也没有前瞻功能，特别是对于大量的小线段连续运动的场合，如模具雕刻，不能使用这类控制器。
(3)基于PC总线的以DSP和FPGA作为核心处理器的开放式运动控制器。这类开放式运动控制器以DSP芯片作为运动控制器的核心处理器，以PC机作为信息处理平台，运动控制器以插卡形式嵌入PC机，即形成了“PC+运动控制器”的模式。这类运动控制器充分利用了DSP的高速数据处理功能和FPGA的超强逻辑处理能力，通常都能提供板上的多轴协调运动控制与复杂的运动轨迹规划、实时的插补运算、误差补偿、伺服滤波算法，能够实现闭环控制。由于采用FPGA 技术来进行硬件设计，方便了运动控制器供应商根据客户的特殊工艺要求和技术要求进行个性化的定制，形成独特的产品。
由于我国的特殊市场需求，一些其它的数控平台上应用的专用运动控制器也会越来越多。根据用户的应用要求进行客户化的重构，设计出个性化的运动控制器将成为市场应用的重要方向。
1.3.2 运动控制网络发展现状
在运动控制网络通信协议中，目前还没有统一的标准[18]。市面上比较流行的运动控制网络通信协议整理如表1.1所示。
表1.1 常用运动控制网络通信协议比较
SERCOS[18-19](Serial Real-time Communication System)是近十年来运动网络最主要的规范，它用光纤连接控制器与多轴伺服驱动器，采取固定周期的方式将运动控制指令由控制器传给各轴，传输速度为16Mbps，通讯协议是HDLC。近年来，己经有一些大公司着手制定基于以太网和Firewire(IEEEl394)的运动网络，这两种规范都提供了开放式的软硬件解决方案，而且性能、可靠性与价格都能够保证。Firewire运动网络也提出了一种运动系统的新思维，称作“Soft-motion”。它是将原本属于CNC控制器负责的轨迹规划工作，分散到各个轴的智能型驱动器上。当然，这种能力有赖于驱动器之间的高速通讯能力。
从表中可以看出以以太网为传输介质的控制网络占据了半壁江山，这也充分说明随着以太网技术在工业环境应用的不断成熟，以其为基础的所谓工业以太网已成为工业控制领域的主流网络。
SynqNet[20-21]是Motion Engineering Inc．(MEI)公司设计的使用100Base-T物理层的运动控制网络，用于取代控制器和驱动器之间传统的接口，并提供远程诊断功能。SynqNet在设计上适合苛刻的多轴运动应用，并符合向全数字、可互操作连通性方向的行业发展趋势。SynqNet为机器设计人员提供了一个开放平台，可在平台上制造其下一代机器，并可满足简化电缆布线、远程故障诊断、固件下载、多卖方技术支持、网络简化以及安全性等市场要求，非常适合于机器人、精密定位和高速点对点的应用。
Ethemet Powerlink[22-23]由奥地利B&R公司于2001年11月创议和开发，并在2002年4月成立了EPSG(Ethemet Powerlink Standardization Group)。该组织的起始成员有B&R，Hirschmann ElectroniCS，Kuka Roboter，Lenze和Zurick Universi 够of AppliedScience，目前己发展为几十个会员，仍在不断的壮大，其中不乏著名的国际公司如ABB，Smart Network Device，Baldor等。在2002年4月，EPSG 宣布向第三方开放，并建立中立的认证机构，从而进一步推动Ethemet Powerlink 的发展。目前为止，EthemetPowerlink是唯一的经过现场验证，基于高速以太网的开放、实时通信协议甚至能用于时间十分苛求的高速运动系统。Ethemet Powerlink是一个基于高速以太网，建立在ISO／OSI参考模型第二层的通信协议，能实现确定和实时的数据交换。它支持多种拓扑结构如树型、星型、总线型、菊花链等。它使用集线器而不使用交换机，因而消除排队延迟；允许网络上所有
节点能直接地交换数据，而不需要通过主站；没有专用芯片；可以热更换。Ethemet Powerlink有保护和开放两种模式。在保护模式下，能运行循环时间最小到200 US，抖动小于1 US的控制系统。通过网桥或路由器将网络的实时段和开放IT 网络分离以避免数据冲突，通过网桥进行访问能保证最大的安全性。在开放模式下，可应用于一个开放的、交换式的网络，使用IEEEl588进行时钟同步，在实时网络和IT网络之间不需隔离，但这种模式只适用于循环时间为毫秒级和低、中等的控制系统。
Profinet[23-25]由Profibus国际组织(Profibus International)推出，是新一代基于工业以太网技术的工业自动化通讯标准。Profmet解决方案囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等自动化领域。Profinet 使用了TCP／IP和IT标准，并符合基于工业以太网的实时自动化体系，覆盖了自动化技术的所有要求，能够实现与现场总线的无缝集成。更重要的是Profinet 所有的事情都在一条电缆中完成，IT服务和TCP／IP开放性没有任何限制，它可以满足用于所有客户需要的统一的通信，从高性能到等时同步可以伸缩的实时通信，现在已经成为现场总线国际标准IEC 61158的第10类型。
1.4 本文的主要工作
本文以高速运动控制网络主节点硬件设计的研发工程项目作为应用背景，对工业控制网络技术进行了研究。全文共分为六章，各章的主要内容如下：第一章为绪论，首先介绍了运动控制网络；接着分析了高速运动控制网络研究背景与意义；最后阐述了高速运动控制网络发展现状，并概述了本文的主要内容和章节安排；
第二章为高速运动控制网络结构设计。介绍了运动控制网络结构现况，给出了本文高速运动控制网络的总体结构设计；
第三章先介绍了国内外主流的网络通信协议，然后介绍了本课题所设计使用的网络通信协议；
第四章为高速运动控制网络主节点硬件的总体设计，并给出了微控制器电路、USB接口电路、显示电路、电源电路及PHY电路、可编程器件电路等子模块的设计方案，最后对整体硬件电路设计进行了总结；
第五章为硬件测试。本章对硬件进行了全面系统的测试；
第六章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。
第二章高速运动控制网络结构设计
2.1 运动控制网络结构现况
目前几种典型运动控制网络，如EthernetIP是通过在用户层或应用层对数据的传输进行控制，试图解决以太网通信的不确定性问题。PowerLink是通过对网络层和传输层改造，并采用时间片管理机制，来实现网络通信的实时性。而PROFInet则通过定义实时通道和同步实时通道来解决以太网通信的不缺定性问题。SERCOS III、SynqNet采用专用网卡和环形网络结构来保证以太网通信的实时性。EPA则是通过在数据链路层之上增加一个EPA通信调度管理实体，完成对数据报文的调度管理，以实现通信的确定性。
◆Ethernet／IP的解决方案
Ethernet／IP的应用层采用控制与信息协议，其中控制协议采用I／0报文的实时传输以及内部报文的传输；信息协议负责信息报文的交换和外部报文的传输[26]。对于具有实时性要求的报文，通过UDP／IP发送；而对于没有实时性要求的控制报文，则通过TCP／IP发送。最新版本的Ethernet／IP技术规范中包含了CIP Sync，CIP Sync时间同步方案基于IEEEl588标准，要求所有节点的同步精度淮确到微秒级。这种方式格增加网络的负担，同样需要硬件的支持，所有站点都必须高精度的实时时钟芯片，成本较高。还有这种通信机制给系统编程带来很大影响，因控制任务须通过时间触发方式启动，提高了编程难度，且不符合工控工程人员编程习惯。
◆PowerLink的解决方案
PowerLink由奥地利的贝加莱(B&R)公司开发，PowerLink对第3和第4层的TCP／UDP／IP进行实时扩展，增加的基于TCP／IP的Asyc中间件用于异步数据传输，Isochron等时中间件用于快速、周期的数据传输。PowerLink避免网络上数据冲突的方法是采用时间片通信网络管理机制，专用的时间片用于调度的等时同步传送的实时数据，共享的时间片用于异步的数据传输。在网络上指定一个站为管理站，它为网络上的其他站建立一个配置表和分配的时间表，只有管理站能接收和发送数据，其他站只有在管理站授权下才能发送数据。为此PowerLink 需要采用基于IEEEl588的时间同步，这种时间格管理机制，虽然避免了网络上通信冲突，但也使各设备的非周期实时数据(如报警等)无法及时通知到系统。通过使用Hub来实现任意的网络拓扑结构，通过Hub来组网，使得系统很难枚举和配置备设备，发生故障后不容易定位故障点。
◆PROFInet的解决方案
PROFInet提供了一个标准通道和两个实时通道。标准通道是采用TCP／IP 的非实时通道，而实时通道则是作为TCP／IP的旁路。PROFInet根据实时性需求的不同而采用三种不同性能等级的通信方式[27]。
(1)对于参数读写、组态数据等非实时数据，直接通过TCP／UDP／IP在标准通道上发送，即标准的TCP／IP通信方式。
(2)通过实时通道发送对于实时性要求苛刻的过程数据、事件信号和控制信号，即实时通信方式。
(3)针对运动控制场合的同步应用，则通过同步实时通道发送实时数据，即同步实时通信方式(IRT：Isochronous Realtime)。实时通道定义在传输层和网络层，因而对于过程数据，可以减少数据占用TCP／UDP／IP通信栈的时间，同步实时通信则直接在数据链路层实现，需要专门的硬件，即西门于IRT等时实时ASIC 芯片，以进一步缩短通信栈的处理时间，适用于快速的同步运动控制应用。为保证高质量等时通信，所有网络节点需实现高精度的时钟同步(1us)，才能保证数据在精确相等时间间隔内被传输，增加了系统成本。
◆SERCOS III的解决方案
SERCOS III采用一种环形拓扑结构，主设备通过开发的专用控制网卡来实现实时同步网络，并采用时间片通信管理机制。控制器周期性发送同步报文，网络节点收到该同步报文都动作，该同步方式未考虑网络传输线上延迟的影响，通信协议分为实时通信通道和非实时通信通道。实时通信通道传送用于显示和输入所有的控制内部参数、数据和诊断信息等实时数据。非实时通道使用标准的以太网帧来传送非实时数据。
◆SynqNet的解决方案
SynqNet是由美国MEI公司开发的一种运动控制网络，采用环形网络结构，具有容错功能，主设备通过自己开发的一种专用控制网卡来实现实时同步网络，并修改了数据链路层MAC协议，实现了一种高性能的同步运动网络，由于是自己专用的控制网卡和修改了数据链路层MAC协议，使其很难与别的厂商和标准的以太网兼容。
2.2 系统采用的网络结构
前面己对工业控制网络进行了综述，各结构都有自己的优缺点，高速网络采用的结构须满足几个要求：
1、节点数量大；
2、保证较高的实时性；
3、要求全双工方式；
4、要求通讯可靠，有容错能力；
5、成本要低。
因此，本文提出了—种工业控制网络的方法，即高速运动控制网络。如图2-1所示。其中运动控制器的计算核心为“2440+FPGA”结构，采用总线网络架构，每个控制芯片可以达到多轴同步控制的需求。采用这样的结构，除满足高可靠性外，还可全双工通讯，节点数量丰富，网络延时小。该网络结构各网络主、从节点之间的数据线既包括数据发送线，也包括数据接收线，相邻的两个网络节点之间通信时没有冲突，并可达到2×100Mbit／s的确定性数据传输速率。数据线的传输介质既可为双绞线，也可又光纤。该网络通信时采用一种同步工作方法，以一种规则的预定时间方式，将数据传送到每一台设备中，保证数据传输的实时性。
图2-1 基于2440+FPGA的运动控制网络结构
本结构中主节点系统中主要包含CPU模块，主控芯片，真彩色液晶模块、USB接口和LVDS接口。CPU模块将会定期的从USB接口中读取运动控制指令和数据，CPU得到指令后将进行两个操作，一方面将运动控制指令、运动轨迹仿真图形显示在真彩色液晶屏上；另一方面将运动控制指令和数据分别写入到主控芯片中的指令寄存器和FIFO中；一旦主控芯片检测到有指令到来，并且网络空闲，将立即通过LVDS接口向高速运动控制网络发送数据供从节点接收，同时主控芯片会监控数据的发送过程，保证数据传输的可靠。
根据上述的专用高速运动控制网络结构，本项目研究中的运动控制芯片有两种：主控（host）芯片与运动控制（slave）芯片。主控芯片接收CPU送来的并行数据，根据网络介质的要求将其转换为四位数据，同时响应数据传送时钟TXC，在TXC的升沿将数据发送到高速运动控制网络上，供运动控制芯片接收。
第三章硬件网络通信协议
3.1 国内外主流网络通信协议
现在国内外主要有几个比较流行的工业以太网络，分别是EtherCAT、Ethernet ／IP、HSE、PROFINET、Modbus／TCP、PowerLink、SERCOS III、SynqNet 以及国内的EPA等。
◆EtherCAT(Ethernet for Automation Technology)
EtherCAT是开放的实时以太网络通讯协议，最初由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff Automation GmbH)研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，同时，它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。EtherCAT 的特点还包括高精度设备同步、可选线缆冗余和功能性安全协议(SIL3)。EtherCAT是IEC规范(IEC／PAS 62407) [28]。
EtherCAT技术突破了接收以太网数据包，将其解码，之后再将过程数据复制到各个设备的技术。EtherCAT从站设备在报文经过节点时读取相应的编址数据。同样输入数据也在经过时插入到报文中。整个过程只有几纳秒的时间延迟。所以与其他以太网解决方法相比，性能比得到了提高。在网络段的最后一个模块结束了整个数据传输工作，形成一个逻辑和物理环形结构。所有传输数据与以太网的协议相兼容，工作于全双工传输，提高了传输的效率。每个装置又将这些以太网协议转换为内部的总线协议。EtherCAT是用于过程数据的优化协议EtherCAT协议可包括几个EtherCAT报文，每个报文都服务于一块逻辑过程映像区的特定内存区域，数据顺序不依赖于网络中以太网端子的物理顺序，可任意编址。EtherCAT支持线形、树形、星形等拓扑类型，EtherCAT采用分心式时钟技术来时来实现精确同步，与工厂等外部同步，采用IEEEl588标淮。
◆Ethernet／IP
Ethernet／IP[29]目前是CI(ControlNet International)、IEA(International Ethernet Association)、IAONA (Industrial Automation Open Network Alliance)和ODV A(Open DeviceNet Vendor Association)四家组织所共同支持的一种工业以太网标准。Ethernet／IP是基于在DeviceNet和ControlNet内广泛采用的控制和信息协议〔Control and Information Protocol, CIP)、建立在以太网+TCP／IP技术之上的一种工业以太网标准[30]。CIP将网络设备作为一个对象集，允许多种不同的设备用一个共同的协议来访问，保证了EtherNetIP、ControlNet和DeviceNet的无缝集成。EtherNet／IP采用TCP／IP来传送梢息数据，UDP／IP则用来传送I
摘要 随动系统是指系统的输出以一定的精度和速度跟踪输入的自动控制系统，并且输入量是随机的，不可预知的，主要解决有一定精度的位置跟随问题，如数控机床的刀具给进和工作台的定位控制，工业机器人的工作动作，导弹制导、火炮瞄准等。在现代计算机集成制造系统（CIMC）、柔性制造系统（FMS）等领域，位置随动系统得到越来越广泛的应用。 位置随动系统要求输出量准确跟随给定量的变化，输出响应的快速性、灵活性和准确性为位置随动系统的主要特征。 本次课程设计研究的是位置随动系统的超前校正，并对其进行分析。 关键词：随动系统超前校正相角裕度
目录 1 位置随动系统原理 (1) 1.1 位置随动系统原理图 (1) 1.2 各部分传递函数 (1) 1.3 位置随动系统结构框图 (4) 1.4 位置随动系统的信号流图 (4) 1.5 相关函数的计算 (4) 1.6 对系统进行MATLAB仿真 (5) 2 系统超前校正 (6) 2.1 校正网络设计 (6) 2.2 对校正后的系统进行Matlab仿真 (8) 3 对校正前后装置进行比较 (9) 3.1 频域分析 (9) 3.2 时域分析 (9) 4 总结及体会 (10) 参考文献 (12)
位置随动系统的超前校正 1 位置随动系统原理 1.1 位置随动系统原理图 图1-1 位置随动系统原理图 系统工作原理： 位置随动系统通常由测量元件、放大元件、伺服电动机、测速发电机、齿轮系及绳轮等组成，采用负反馈控制原理工作，其原理图如图1-1所示。 在图1-1中测量元件为由电位器Rr 和Rc 组成的桥式测量电路。负载固定在电位器Rc 的滑臂上，因此电位器Rc 的输出电压Uc 和输出位移成正比。当输入位移变化时，在电桥的两端得到偏差电压ΔU=Ur-Uc ，经放大器放大后驱动伺服电机，并通过齿轮系带动负载移动，使偏差减小。当偏差ΔU=0时，电动机停止转动，负载停止移动。此时δ=δL ,表明输出位移与输入位移相对应。测速发电机反馈与电动机速度成正比，用以增加阻尼，改善系统性能。 1.2 各部分传递函数 (1)自整角机： 作为常用的位置检测装置，将角位移或者直线位移转换成模拟电压信号的幅值或相位。自整角机作为角位移传感器，在位置随动系统中是成对使用的。与指令轴相连的是发送机，与系统输出轴相连的是接收机。 12()(()())()u t K t t K t εεθθθ=-=? (1-1) 零初始条件下，对上式求拉普拉斯变换，可求得电位器的传递函数为
基于BP神经网络的PID控制器的研究与 实现 课程名称：人工神经网络
目录 前言 (3) 一、BP神经网络 (4) 二、模拟PID控制系统 (5) 三、基于BP神经网络的PID控制器 (6) 四、仿真程序 (10) 五、运行结果 (17) 六、总结 (18) 参考文献 (19)
前言 人工神经网络是以一种简单神经元为节点，采用某种网络拓扑结构构成的活性网络，可以用来描述几乎任意的非线性系统。不仅如此，人工神经网络还具有学习能力、记忆能力、计算能力以及各种智能处理能力，在不同程度和层次上模仿人脑神经系统的信息处理、存储和检索的功能。不同领域的科学家，对人工神经网络有着不同的理解、不同的研究内容，并且采用不同的研究方法。对于控制领域的研究工作者来说，人工神经网络的魅力在于：①能够充分逼近任意复杂的非线性关系，从而形成非线性动力学系统，以表示某种被控对象的模型或控制器模型；②能够学习和适应不确定性系统的动态特性；③所有定量或定性的信息都分布储存于网络内的各神经单元，从而具有很强的容错性和鲁棒性；④采用信息的分布式并行处理，可以进行快速大量运算。对于长期困扰控制界的非线性系统和不确定性系统来说，人工神经网络无疑是一种解决问题的有效途径。正因为如此，把人工神经网络引入传统的PID 控制，将这两者结合，则可以在一定程度上解决传统PID 调节器不易在线实时整定参数、难于对一些复杂过程和参数慢时变系统进行有效控制的不足。
一、BP神经网络 BP神经网络是一种有隐含层的多层前馈网络，其结构如图1-1所示。如果把具有M个输入节点和L个输出节点的BP神经网络看成是从M维欧氏空间到L维欧氏空间的非线性映射，则对于具有一定非线性因数的工业过程被控对象，采用BP网络来描述，不失为一种好的选择。在BP神经网络中的神经元多采用S型函数作为活化函数，利用其连续可导性，便于引入最小二乘学习算法，即在网络学习过程中，使网络的输出与期望输出的误差边向后传播边修正加权系数，以期使误差均方值最小。BP神经网络的学习过程可分为前向网络计算和反向误差传播——连接加权系数修正两个部分，这两个部分是相继连续反复进行的，直至误差满足要求。不论学习过程是否已经结束，只要在网络的输入节点加入输入信号，则这些信号将一层一层向前传播；通过每一层时要根据当时的连接加权系数和节点的活化函数与阈值进行相应计算，所得的输出再继续向下一层传输。这个前向网络计算过程，既是网络学习过程的一部分，也是将来网络的工作模式。在学习过程结束之前，如果前向网络计算的输出和期望输出之间存在误差，则转入反向传播，将误差沿着原来的连接通路回送，作为修改加权系数的依据，目标是使误差减小。
探析运动控制新技术 摘要: 信息时代的高新技术推动了传统产业的迅速发展,在机械工业自动化中出现了一 些运动控制新技术:全闭环交流伺服驱动技术、直线电机驱动技术、可编程计算机控制器、 运动控制卡等。本文主要分析和综述了这些新技术的基本原理、特点以及应用现状等。 关键词:伺服驱动技术,直线电机,可编程计算机控制器,运动控制 1 引言 信息时代的高新技术流向传统产业,引起后者的深刻变革。作为传统产业之一的机械工业,在这场新技术革命冲击下,产品结构和生产系统结构都发生了质的跃变,微电子技术、微计算机技术的高速发展使信息、智能与机械装置和动力设备相结合,促使机械工业开始了一场大 规模的机电一体化技术革命。 随着计算机技术、电子电力技术和传感器技术的发展,各先进国家的机电一体化产品层出不穷。机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等许多门类产品每年都有新的进展。机电一体化技术已越来越受到各方面的关注,它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。 在机电一体化技术迅速发展的同时,运动控制技术作为其关键组成部分,也得到前所未有的大发展,国内外各个厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。本文主要介绍了全闭环交流伺服驱动技术(Full Closed AC Servo)、直线电机驱动技术(Linear Motor Driving)、可编程序计算机控制器(Programmable Computer Controller,PCC)和运动控制卡(Motion Controlling Board)等几项具有代表性的新技术。 2 全闭环交流伺服驱动技术 在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中,交流伺服系统的应用越来越广泛,其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流,而且调试、使用十分简单,因而被受青睐。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器(Digital Signal
EtherCAT网络及其运动控制系统研究 谢香林，李木国 大连理工大学电子信息工程学院，辽宁大连 (116024) E-mail：xxlzdh204@https://www.doczj.com/doc/6a5115184.html, 摘要：随着以太网技术的发展，特别是高速以太网的出现使得以太网进入工业通信领域，各种工业以太网技术也迅速发展和推广。本文介绍了一种高速的工业以太网-EtherCAT，该网络采用标准以太网技术，采用了独立的工业过程数据传输通道，提高了传输的实时性，并具有灵活的拓扑结构，简单的系统配置，高可靠性等特点。文章分析了EtherCAT网络的原理、技术特点及主从站关键技术。在此基础上设计了一种基于EtherCAT网络和DSP的双轴运动控制系统，给出了系统的总体框架及主从站实现的关键细节，最后给出了相应的实验结论。本设计充分发挥了EtherCAT工业以太网络实时数据传输的功能和TMS320F28335 DSP 芯片强大的运算处理能力，实现了运动系统高精度的位置控制。 关键词：EtherCAT；运动控制系统；实时以太网 1. 引言 目前基于以太网技术的现场控制网络被广泛应用于工业现场控制领域。由于传统的以太网不能满足工业控制实时性的要求，因此，如何在传统以太网的基础上加以实时性改进，使之符合工业传输标准是以太网用于工业领域的根本解决方法。德国倍福公司提出的EtherCAT工业以太网技术在数据链路层采用了实时调度的软件核，并采用了过程数据传输的独立通道，提高了系统的实时性；该网络还具有灵活的拓扑结构，简单的系统配置，较低的成本等特点，目前该网络得到了越来越多网络工业设备开发商的关注。把EtherCAT引入到运动控制系统，可以在上位控制器和驱动单元之间通过该网络实时的传递控制数据和状态数据，并且能够借助于该网络提供的分布时钟提供准确的多轴同步功能。本文设计的一套运动控制系统为双轴运动控制系统，实现了伺服电机精确的实时控制。 2. EtherCAT技术介绍 2.1 EtherCAT总体构架 EtherCAT采用主从式结构，主站PC机采用标准的以太网卡，从站采用专用芯片。EtherCAT支持包括线型、总线型和树型在内的几乎所有拓扑结构，整个网络可以连接65535台设备[1]。 与其他工业以太网和现场总线相比，EtherCAT在帧的处理方式上有了明显的不同，它突破了其它以太网解决方案的这些系统限制：不必再像从前那样在每个连接点接收以太网数据包，然后进行解码并复制为过程数据。在EtherCAT中，系统控制周期由主站发起，主站发出下行电报，电报的最大有效长度为1498字节。当帧通过每一个设备（包括底层端子设备）时，EtherCAT从站控制器分析寻址到本机的报文，根据报文头中的命令读入数据或写入数据到报文指定的位置，并且从站硬件把该报文的工作计数器(WKC)加1，表示该数据被处理，整个过程大约10ns的延迟。此过程是在从站控制器中通过硬件实现的，因此与协议堆栈软件的实时运行系统或处理器性能无关。数据帧在访问位于整个系统逻辑位置的最后一个从站后，该从站把经过处理的数据帧作为上行电报直接发送给主站。主站收到上行电报后，处理返回数据，一次通讯结束。图1为EtherCAT工作原理：
位置随动控制系统设计与实现 王桂霞, 李 媛 (中国船舶重工集团公司第704研究所,上海 200031) 摘 要:计算机控制系统是保证位置随动系统功能和性能的重要部分,文中结合船用仿真 转台阐述了多机集散控制结构形式的位置随动转台的计算机控制系统方案,并以某位置随动转台为背景,对系统工程实现中的接口电路设计、电机、伺服放大器以及采样频率选取、程序设计等一系列问题进行了讨论,设计结果在位置随动试验样机中应用取得了良好效果. 关键词:位置随动;控制系统;采样频率;设计 中图分类号:T M571,TP273 文献标识码:A 文章编号:100528354(2007)1220029204 Desi gn and reali zati on of control syste m of rando m positi on WANG Gui 2Xia,L I Yuan (No .704Research I nstitute,CSI C,Shanghai 20031,China ) Abstract :The co m puter control syste m is an i m portant part of guaranteeing perfor m ance of control syste m of rando m position .Co m bining the m arine si m ulation turntable,this paper set forth the co m puter control syste m sche m e on the rando m position turntable w ith m ulti 2co m puter distributes control structure .Then taking a certain turntable of rando m position as background,it respectively discussed such key proble m s of syste m engineering re 2alization as the interface circuit design,choice of m otor ,servo am plifier and sam ple frequency and the program design .The design sche m e is applied in a rando m position proto type and gets a good result . Key words :rando m position;control syste m;sam ple frequency;design 收稿日期:2007211219 作者简介:王桂霞(19772),女,工程师,主要从事自动控制的工作位置随动控制系统设计与实现 0 引言 位置随动转台系统由机械台体和计算机控制系统两个重要部分组成,前者是实现仿真功能的基础,而后者是保证转台系统功能和性能的核心部分.转台既要满足一定的动态、静态指标要求,也要为试验提供方便的操作界面和数据采集、处理手段,计算机控制系统不仅要具有实时控制功能,而且应具备监控管理功能,因此,计算机控制系统设计就成为仿真转台设计和工程实现的重要内容. 当前在各种控制系统中计算机已得到非常广泛的应用,根据不同的情况,控制系统的结构形式各不相同,一般分为操作指示系统、直接数字控制系统(DDC )和集散控制系统(DCS )等类型,在下文中将讨论集散控制结构形式的计算机控制系统的设计问题,其中主 要包括结构设计、系统工程实现中的接口线路设计、采样频率选择、程序设计等内容,并给出设计结果. 1 结构设计 本仿真转台采用多机集散控制形式,即采用上下位机的两级式结构.图1 为集散控制系统应用于本转 图1 原理框图
运动控制器的应用现状及其发展趋势 内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！ 更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、数控系统、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展. 1运动控制器的应用现状 运动控制器越来越广泛地应用于各个行业的自动化设备，如数控机床、雕刻机、切割机、钻孔机、印刷机、冲孔机、激光雕刻、激光切割、包装机、纺织机、食品加工、绘图机、点胶机、焊接机、电子装配白动检测等，甚至在航空航天和国防领域也得到广泛应用。根据所用的CPU不同，运动控制器产品主要有以下五种类型： （1）以单片机（MCU）为核心的运动控制器，低端采用8位或16位的单片机作为处理器，其主要优点是价格比较低廉，缺点是运行速度较慢，控制精度较低。因此这种运动控制器适用于一些低速或运动控制精度要求不高的点位运动或轮廓运动控制的自动化设备。 （2）以专用芯片为核心的运动控制器，美国国家半导体公司生产的LM628和LM629专用运动控制芯片，日本的NOVA生产的MCX304、MCX501等运动控制芯片是专门为精密控制步进电机和伺服电机而设计的专用处理器，产品应用于数控机床、雕刻机、工业机器人、医用设备、绕线机、自动仓库、绘图仪、点胶机、IC制造设备等领域。 （3）以数字信号处理器（DS）为核心的运动控制器，美国DeltaTau公司生产的PMAC 运动控制器，采用Motorola的DSP56003作为处理器。国内的基于DSP的运动控制器，通常以美国TI公司推出的C2000系列，例如TMS320F2812和TMS320F28335作为运动控制器的核心芯片。
1．单轴位置控制系统设计 1.1. 基本控制要求 该单元有电机带动轴运动,气泵产生气体带动气缸（用气缸模拟机械手）上下运动和吸附物块组成。电机带动轴的左移Y0和右移Y1。轨道有三个接近开关(1、2、 3)定位三个工位, 气缸由电磁阀控制进气和出气，实现气缸的上升和下降(Y2)， 吸附开关X3控制吸附物块(Y3),设计有手动和自动控制部分,可以通过开关X14选择控制方式。 1.1.1.手动控制要求 通过X14开关选择手动控制方式，通过控制面板来控制，手柄控制气缸向左X16、向右X17移动，气缸的上X4和X5下通过面板旋钮控制，物块的吸附通过面板旋钮 X3控制，来完成物块在三个工位上的移动。 1.1. 2.自动控制要求 通过X14开关选择自动控制方式，按复位按钮，气缸回到工位1，按启动按钮后，气缸下降吸附物块，然后上升，再从工位1移动到工位2，再下降，释放物块回升气缸，4秒过后气缸下降吸附物块从工位2移动到工位3，再下降释放物块回升气缸，4秒后再下降吸附物块从工位3移动到工位1，下降释放物块回升气缸，工作全部完成，气缸停止在工位1。
1.2.硬件设计 1.2.1 I/O地址分配表 根据对单轴运动控制系统的分析，分配对应的I/O口，I/O地址分配表如表XO 急停按钮X11 停止按钮X1 位置1 X12 右移 X2 位置2 X13 手动 X3 位置3 X14 吸附 X5 吸附/松开X15 上移 X6 上位X16 下移 X7 下位X17 左移 X10 启动按钮 表1.2.1.1 PLC输入设备 Y4 吸附控制 Y10 上升控制 Y11 下降控制 Y2 左移控制 Y3 右移控制 Y6 启动控制 Y5 停止控制 Y7 复位控制 表1.2.2.2PLC输出设备
第三章 PID 神经网络结构及控制器的设计 在控制系统中，PID 控制是历史最悠久，生命力最强的控制方式，具有直观、实现简单和鲁棒性能好等一系列优点。但近年来随着计算机的广泛应用，智能控制被越来越广泛的应用到各种控制系统中。智能控制方法以神经元网络为代表，由于神经网络可实现以任意精度逼近任意函数，并具有自学习功能，因此适用于时变、非线性等特性未知的对象，容易弥补常规PID 控制的不足。将常规PID 控制同神经网络相结合是现代控制理论的一个发展趋势。 3.1 常规PID 控制算法和理论基础 3.1.1 模拟PID 控制系统 PID(Proportional 、Integral and Differential)控制是最早发展起来的控制策略之一，它以算法简单、鲁捧性好、可靠性高等优点而梭广泛应用于工业过程控制中。 PID 控制系统结构如图3．1所示： 图3.1 模拟PID 控制系统结构图 它主要由PID 控制器和被控对象所组成。而PID 控制器则由比例、积分、微分三个环节组成。它的数学描述为： 1() ()[()()]t p D i de t u t K e t e d T T dt ττ=+ +? （3.1） 式中，p K 为比例系数； i K 为积分时间常数： d K 为微分时间常数。 简单说来，PID 控制器各校正环节的主要控制作用如下： 1．比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号()e t ，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。
2．积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数i T ，i T 越大，积分作用越弱，反之则越强。 3．微分环节能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。 具体说来，PID 控制器有如下特点： (1)原理简单，实现方便，是一种能够满足大多数实际需要的基本控制器； (2)控制器能适用于多种截然不同的对象，算法在结构上具有较强的鲁棒性，在很多情况下，其控制品质对被控对象的结构和参数摄动不敏感。 3.1.2 数字PID 控制算法 在计算机控制系统中，使用的是数字PID 控制器，数字PID 控制算法通常又分为位置式PID 控制算法和增量式PID 控制算法。 1．位置式PID 控制算法 由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，故对式(3．1)中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。按模拟PID 控制算法的算式(3．1)，现以一系列的采样时刻点kT 代表连续时间t ，以和式代替积分，以增量代替微分，则可以作如下的近似变换： t kT = （0,1,2,3...)k = ()()()k k t j j e t dt T e jT T e j ==≈=∑∑? ()()[(1)]()(1) de t e kT e k T e k e k dt T T ----≈= (3.2) 式中，T 表示采样周期。 显然，上述离散化过程中，采样周期T 必须足够短，才能保证有足够的精度。为了书写方便，将()e kT 简化表示()e k 成等，即省去T 。将式（3.2）代入到（3.1）中可以得到离散的PID 表达式为： 0(){()()[()(1)]}k D p j I T T u k K e k e j e k e k T T ==+ + --∑ （3.3） 或 0 ()()()[()(1)]}k p I D j u k K e k K e j K e k e k ==++--∑ （3.4） 式中，k ——采样序号，0,1,2...k =； ()u k ——第k 次采样时刻的计算机输出值；
网络控制技术作业题 一、基本概念（每小题4分，共40分） 1、什么是现场总线? 现场总线是用于现场仪表与控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。IEC对现场总线的定义为：现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制设备之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。 2、数据编码分几种？什么是差分码？ 解答：数字编码是指通信系统只以何种物理信号的形式来表达数据。通常有：单极性码、双极性码、归零码、非归零码、差分码、曼彻斯特码、模拟数据编码等七种。差分码是指用电平的变化与否来表示逻辑1和0.电平变化代表1，不变化代表0，此规定的码称为信号差分码。 3、计算机局域网拓扑结构最常见的有哪几种？ 常见的网络拓扑结构有：星形拓扑、环行拓扑、总线拓扑、树形拓扑等 4、IEC61158标准中包括哪些现场总线？ 答：Type 1 TS61158现场总线 Type 2 ControlNet和Ethernet/IP现场总线 Type 3 Profibus现场总线 Type 4 P-NET现场总线 Type 5 FF HSE现场总线 Type 6 SwiftNet现场总线 Type 7 World FIP现场总线 Type 8 Interbus现场总线 Type 9 FF H1现场总线 Type 10 PROFInet现场总线 5、什么是载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）？ 即载波监听多路访问/冲突检测方法是一种争用型的介质访问控制协议。是一种分布式介质访问控制协议，网中的各个站（节点）都能独立地决定数据帧的发送与接收。每个站在发送数据帧之前，首先要进行载波监听，只有介质空闲时，才允许发送帧。这时，如果两个以上的站同时监听到介质空闲并发送帧，则会产生冲突现象，这使发送的帧都成为无效帧，发送随即宣告失败。每个站必须有能力随时检测冲突是否发生，一旦发生冲突，则应停止发送，以免介质带宽因传送无效帧而被白白浪费，然后随机延时一段时间后，再重新争用介质，重发送帧。CSMA/CD协议简单、可靠，其网络系统被广泛使用。csma/cd 是工作在数据链路层。举个简单例子，比如说以太网。 6、CAN总线是如何进行仲裁的？ 答：CAN总线采用的是一种叫做“载波监测，多主掌控／冲突避免”（CSMA／CA）的通信模式。这种总线仲裁方式允许总线上的任何一个设各都有机会取得总线的控制权并向外
自动控制原理课程设计题目：机器人抓取装置位置控制系统校正装置设计 专业：电气工程及其自动化 姓名： 班级：学号： 指导老师：职称：
初始条件： 一个机器人抓取装置的位置控制系统为一单位负反馈控制系统，其传递函数为()()() 15.013 0++=s s s s G ，设计一个滞后校正装置，使系统的相 角裕度?=45γ。 设计内容： 1.先手绘系统校正前的bode 图，然后再用MATLAB 做出校正前系统的bode 图，根据MATLAB 做出的bode 图求出系统的相角裕量。 2.求出校正装置的传递函数 3. 用MATLAB 做出校正后的系统的bode 图，并求出系统的相角裕量。 4.在matlab 下，用simulink 进行动态仿真，在计算机上对人工设计系统进行仿真调试，确使满足技术要求。 5.对系统的稳定性及校正后的性能说明 6.心得体会。
1频率法的串联滞后校正特性及方法 1.1特性：当一个系统的动态特性是满足要求的，为改善稳态性能，而又不影响其动态响应时，可采用此方法。具体就是增加一对靠的很近并且靠近坐标原点的零、极点，使系统的开环放大倍数提高β倍，而不影响开环对数频率特性的中、高频段特性。 1.2该方法的步骤主要有： ()1绘制出未校正系统的bode 图，求出相角裕量0γ，幅值裕量g K 。 ()2在bode 图上求出未校正系统的相角裕量εγγ+=期望处的频率 2c ω,2c ω作为校正后系统的剪切频率，ε用来补偿滞后校正网络2c ω处的 相角滞后，通常取??=15~5ε。 ()3令未校正系统在2c ω的幅值为βlg 20，由此确定滞后网络的β值。 ()4为保证滞后校正网络对系统在2c ω处的相频特性基本不受影响，可 按10 ~ 2 1 2 2 2c c ωωτ ω= =求得第二个转折频率。 ()5校正装置的传递函数为()1 1 ++= s s s G C βττ ()6画出校正后系统的bode 图，并校验性能指标 2确定未校正前系统的相角裕度 2.1先绘制系统的bode 图如下：
2012-2013学年第二学期课程名称: 运动控制系统（A） 一、简述下列问题（每题10分） 1．在转速、电流双闭环调速系统中，若要改变电动机的转速，应调节什么参数？2．哪些因素造成逻辑无环流系统要比配合控制的有环流系统的切换过程长？3．从电压频率协调控制而言，同步电动机与异步电动机的调速有何差异？4．伺服系统的给定误差和扰动误差与那些因素有关？ 二、采用电压空间矢量PWM控制方法，若直流电压u d 恒定，如何协调输出电压与输出频率的关系？（15分） 三、分析比较按转子磁链定向和按定子磁链定向异步电动机动态数学模 型的特征，指出它们的相同和不同之处。（15分） 网络教育学院2011级（秋）期末试卷
五、试比较矢量控制系统和直接转矩控制系统的特点和性能。（15分） 四、论述同步电动机按气隙磁链定向和按转子磁链定向矢量控制系统 的工作原理，并与异步电动机矢量控制系统作比较。（15分）
运动控制系统试卷(A)答案 一、简答题 1、答：若调节电动机转速，应改变给定电压*,n U α，不能改变,n S K K 。 2、答：影响因素有：逻辑切换条件的判断，封锁延时时间，开放延时时间。 3、答：同步电机存在失步问题，可以根据转子位置直接控制变压变频装置换相时刻，进行自控变频调速。 4、答：给定误差与系统的开环增益K 和前向通道中所有积分环节的总数p+q 有关扰动误差则只与扰动作用点以前部分的增益Ｋ１和积分环节个数ｐ 有关。 二、答： 有效的方法是插入零矢量，使有效工作矢量的工作时间仅为 1t t ?
学生学号 课程设计 题目步进电机定位控制系统设计 学院信息工程学院 专业 班级 姓名 指导老师
2013~2014学年6月20日
课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位： 题目:步进电机定位控制系统设计 初始条件： 1. 具备电子电路的基础知识及查阅资料和手册的能力； 2. 熟悉ISE 仿真软件的操作与运用； 3. 掌握步进电机的工作原理。 要求完成的主要任务: 1. 设计一个基于FPGA 的4 相步进电机定位控制系统，包括步进电机方向设定 电路模块、步进电机步进移动与定位控制模块和编码输出模块。 2.撰写符合学校要求的课程设计说明书。 时间安排： 1、2014 年06月11日，布置课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。 2、2014 年06月12日至2014年06月17日，设计说明书撰写。 3、2014年06月18日，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。 指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日
目录 摘要........................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................. II 1 设计目标及简介 (1) 1.1设计目标 (1) 1.2 步进电机简介 (1) 2 VHDL语言介绍 (2) 3 Quartus Ⅱ介绍 (3) 4 系统组成 (4) 4.1 四相步进电机工作原理 (4) 4.2 系统组成 (6) 5 模块设计 (7) 5.1 FPGA模块图及信号说明 (7) 5.2 系统模块构成 (7) 5.3 各模块间整体共享的电路内部传递信号 (7) 5.4 电机方向设定电路模块 (8) 5.5 步进电机步进移动与定位控制模块 (9) 5.6 编码输出模块 (9) 6 程序设计与仿真 (10) 7 仿真结果 (16) 8 实验总结 (18) 参考文献 (19)
一、基本概念 1、什么是现场总线? 解答：现场总线是用于现场仪表与控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。IEC对现场总线的定义为：现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制设备之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。 2、数据编码分几种？什么是差分码？ 解答：数字编码是指通信系统只以何种物理信号的形式来表达数据。通常有： 单极性码、双极性码、归零码、非归零码、差分码、曼彻斯特码、模拟数据编码等七种。 差分码是指用电平的变化与否来表示逻辑1和0.电平变化代表1，不变化代表0，此规定的码称为信号差分码。 3、计算机局域网拓扑结构最常见的有哪几种？ 解答：常见的网络拓扑结构有：星形拓扑、环行拓扑、总线拓扑、树形拓扑等 4、什么是网络传输介质？ 解答：网络传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体。常见的传输介质有电话线、同轴电缆、双绞线、光导纤维、无线与卫星通信。 5、什么是载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）？ 解答：即载波监听多路访问/冲突检测方法是一种争用型的介质访问控制协议。 是一种分布式介质访问控制协议，网中的各个站（节点）都能独立地决定数据帧的发送与接收。每个站在发送数据帧之前，首先要进行载波监听，只有介质空闲时，才允许发送帧。这时，如果两个以上的站同时监听到介质空闲并发送帧，则会产生冲突现象，这使发送的帧都成为无效帧，发送随即宣告失败。每个站必须有能力随时检测冲突是否发生，一旦发生冲突，则应停止发送，以免介质带宽因传送无效帧而被白白浪费，然后随机延时一段时间后，再重新争用介质，重发送帧。CSMA/CD协议简单、可靠，其网络系统被广泛使用。 csma/cd 是工作在数据链路层。 举个简单例子，比如说以太网。 6、BasicCAN与PeliCAN有什么不同？105 解答：SJA1000有两种工作模式，在PeiliCAN模式下，SJA1000有了一个含很多新功能的重组寄存器。SJA1000包含了设计在BasicCAN下的所有位及一些新功能位，PeiliCAN模式支持CAN2.0协议中规定的所有功能（29位标识符） 7、Lon总线有什么特点?P206 解答：1、开放性：网络协议开放，对任何用户平等 2、通信媒质：使用多种传输介质，如双绞线、电力线、无线电波、红外线、光纤、同轴电缆和电源线等 3、互操作性：通信协议Lontalk是符合国际标准化组织ISO定义的开放互联模型 4、网络结构：可以是主从式、对等式或者客户|服务器式 5、网络结构：支持多种拓扑结构，如总线型、星型、环型、混合型等 6、网络通信采用面向对象的设计方法 7、通信的每帧有效字节数可从0到228B 8、通信的速率可达1.25M/s
1、工业控制网络技术的特点：（1）具有实时性和时间确定性（2）、信息多为短帧结构且交换频繁 3可靠性和安全性较高 4网络协议简单实用 5网络结构具有分散性 6易于实现与信息网络的集成 1、工业控制网络技术包括：1.现场总线技术：一种应用于生产现场，在现场设备之间，现场设备与控制装置之间实行双向串行多节点数字通信的技术 2.工业以太网技术：采用与商用以太网兼容的技术，选择适应工业现场环境的产品构建的工业网络 2、自动控制系统的发展主要经历了那几个阶段：1 气动信号控制阶段 2 模拟信号控制阶段3 集中式数字控制 4 集散式数字控制 5网络控制 3、网络控制系统的优点；1结构简单、安装维护方便 2 信息集成度高3 现场设备测控功能强 4 易于实现远程控制 4、控制网络与信息网络的区别：1 控制网络具有较高的数据传输实时性和系统响应实时性2控制网络具有较强的环境适应性和较高的可靠性 3 控制网络必须解决多家公司产品和系统在同一网络中的相互兼容问题 5、控制网络和信息网络集成的实现方式：1 采用硬件实现 2采用DDE实现 3采用统一的协议标准实现 4采用数据库访问技术实现 5采用OPC实现 第二章CAN （控制器局域网） 1、CAN总线特点：1.AN为多主方式工作 2.AN网络上的节点信息分成不同的优先级3.CAN 采用非破坏性总线仲裁技术 4.采用报文滤波 5.直接通信距离可达10km 6结点取决于总线驱动电路 7.采用短帧结构传输时间段抗干扰能力强，有较好的检错结果 8.每次信息都有CRC检验及其他检错措施 9.通信介质可为双绞线，同轴电缆或光线选择灵活 10.CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能 2、CAN通信模型：遵循ISO/OSI标准模型，分为数据链路层和物理层。数据链路层包括逻辑链路控制子层和媒体访问控制子层 3、报文传送类型：数据帧、远程帧、错误帧和超载帧 4、报文结构：1.帧的组成：由7个不同位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC 场、应答场、帧结束 5、错误类型：位错误、填充类型、CRC错误、格式错误、应答错误 6、正常位时间组成：分为几个互不重叠的时间段，包括：同步段、传播段、相位缓冲段1、相位缓冲段2 7、显性隐性类：显性“0”状态以大于最小阀值的差分电压表示隐形“1” 8、CAN通信控制器：（1）sja1000通信控制器实现了can总线物理层和数据链路成的所有功能。其功能组成：接口管理逻辑（iml）、发送缓冲器（txb）、接受缓冲器（rxb、rxfifo，b字节） 工作模式：basiccan模式、elican模式。 （2）tn82527can通信控制器。（3）内嵌can控制器的p8xc591。 10，CAN总线io器件：82c150 主要功能：can接口功能io功能。 11，节点设计 CAN总线系统有两类节点：不带微处理器的非智能节点和带微处理器的智能节点，1.硬件电路设计：采用898c51作为节点的微处理器，在can总线通信接口中，can 通信控制器采用sja1000，can总线收发器采用82c250 2.软件设计：三部分 can节点初始化，报文发送和报文接收。 第三章 Profibus(国际现场总线标准） 1.profibus分为哪三部分，个部分结构主要用途是什么？ 答：profibus--FMS：用于解决车间一级通用性通信任务。 Profibus--DP：用于解决设备一级的告诉数据通信。
南京工程学院 自动化学院 本科毕业设计（论文）题目：高速运动控制网络主节点硬件设计专业：自动化（数控技术）
Graduation Design (Thesis) Hardware Design of High Speed Motion Control Network Master Node
摘要 运动控制是自动控制领域的一个重要分支。随着现场总线技术的发展，网络化成为了运动控制系统发展的必然趋势。随着技术的日臻成熟，其具有了在运动控制系统中应用的趋势和可能。运动控制网络是将网络技术应用到运动控制系统，并对其进行改进，以适应于运动控制系统需求而产生的一种控制网络技术。和现场总线相比具有安装成本低、传输速率快、支持服务类型多、用户基础广泛等突出的优点。 本文分析目前几种常用的用于运动控制的工业以太网络，提出了一种高速运动控制网络，给出了网络拓扑结构和工作方法。 具有网络通讯能力的控制模块是开发运动控制系统的基础，本文以高速运动控制网络主节点硬件设计为例，详细地介绍了微控制器电路设计、USB电路设计、显示电路设计、电源电路及PHY电路设计、可编程器件电路设计，说明了具有网络功能的控制模块的开发方法。并验证了该网络的开发的正确性。 关键词：运动控制网络；网络通讯；主节点
ABSTRACT The motion control is all important branch of auto control area. With the development of industrial field bus control system. Network turns into an inevitable trend of the motion control system development. As the technology becomes mature day by day, it has the application of the trend and possible in the motion control system. Motion control network is a network technology be applied to the motion control system, must be improved in order to meet the requirements of motion control system, a control network technology. It has many merits such as low installation cost, high communication speed, supporting variable services and large customer quantity. The paper analyzes a few common industrial Ethernets used for motion control, introduces a high speed motion control network, presents the network topology structure and working method. Control module with network communication capacity is the basic element of motion control system. With analysis of high speed motion control network master node hardware design, introduces in detail the design of micro controller circuit, USB circuit, display circuit, power supply circuit and PHY circuit, programmable device circuit. The develop method of control module with Network function is illustrated. And it is testified the feasible of the development of this Network. Key words：Motion control network; Network communications; Master node