导　　师： 谢存禧

学科专业： H0203

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 华南理工大学

摘　　要： 运动控制技术应用十分广泛，机床、机器人、轻工机械、医疗设备等，涉及执行机构动作的机器都离不开运动控制技术。随着嵌入式系统技术的发展和mcu与dsp芯片性能的提高，嵌入式运动控制系统由于其体积小、环境适应性强而具有广阔的市场空间。高速、高精度、复杂运动轨迹的运动控制技术是当前运动控制技术研究的热点，nurbs曲线插补是其典型代表。开放体系结构的控制器是运动控制系统的发展方向。 现有的运动控制系统并不是完全意义上的开放式系统。也没有一个公认的开放式运动控制系统模型。基于x86架构的单cpu运动控制技术不能直接向嵌入式系统中移植。 现行的nurbs插补算法主要有一阶泰勒、二阶泰勒近似插补算法，adams、runge-kutt微分方程数值求解插补算法和探索迭代插补法三类。用于插补位置精度评价的指标是弓高误差，插补速度评价指标是插补计算时延。 mi-ching tsai的探索迭代法由于其计算时延小而广泛应用，但其预估公式采用二阶差分公式，当nurbs参数u的插补步进过小时，二阶预估方法不能保证参数u严格的单调增加，造成插补方向反向，甚至在某一个区域来回振荡。mi-ching tsai给出了探索迭代收敛条件的理论证明，但该条件表达式十分晦涩。 速度规划算法搜索nurbs曲线上的速度敏感区，并按弓高误差和许用加/减速度准则对该区域的速度进行调整，以保证插补精度。但现行的速度规划法没有考虑加加速度的冲击影响。 插补弓高计算采用插补点处的曲率圆弓高近似取代nurbs曲线插补弓高，当插补点曲率骤变同时插补步长较大时，上述弓高计算因误差过大已经没有意义，该处nurbs曲线插补精度失控。 在认真研究欧盟、美国、日本和我国的开放式控制器技术规范的基础上，提出了包括功能模型、结构模型、行为模型、数据流模型和多任务实时调度模型的开放式运动控制系统模型，保证本系统的开放性、算法的规范性和插补流程的可重构性。 针对嵌入式系统的特点，提出了层次化、模块化、多cpu的运动控制器结构。采用mcu与dsp处理器，建立了包括控制器、执行机构和运动参数测量系统的运动控制实验系统。验证了该控制器结构的可行性。 可重构小冲击数据缓冲速度自适应nurbs插补算法是本文的主要贡献。其主要创新点为：首次提出了插补奇点的概念，研究了插补奇点对nurbs插补精度的影响，以及插补奇点与曲线曲率变化和进给速度的关系，并给出了插补奇点存在判据。 采用离线限制冲击速度规划方案，在速度敏感区测定时加入插补奇点判断，保证了nurbs曲线插补精度的控制。并采用基于规划的方法调整加加速度峰值与个数，以限制冲击对运动精度的影响。 提出了一阶差分预估器，该预估器用于探索迭代时，可以保证曲线参数u的严格单调增加。消除了插补方向反向和振荡现象；化简了mi-ching tsai的迭代收敛条件表达式，采用预定最小参数u步进值，防止了迭代过程的发散。 提出了可重构插补算法的配置方案，增强了运动控制系统的适应性与开放性，采用前后台调度策略或双cpu硬件方案，加数据缓冲区方法，解决了插补计算时延的不均匀性和伺服控制的实时性之间的矛盾。 实验结果证明，该算法有效地减小了冲击影响、提高了插补精度、消除了插补方向反转现象。

关 键 词： 运动控制 开放式结构 嵌入式系统 实时插补 运动控制器

分 类 号： [TM571 TP273]

领　　域： [电气工程] [自动化与计算机技术] [自动化与计算机技术]