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旋臂式贴片机的运动控制系统设计

作 者: 牛志博
导 师: 胡跃明; 李胜
学 校: 华南理工大学
专 业: 控制工程
关键词: 运动控制 精插补算法 双闭环控制 虚拟环境仿真
分类号: TP273
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
下 载: 18次
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内容摘要


高性能运动控制器是装备的控制系统核心,广泛地应用于数控设备、机器人控制和自动化检测等领域。运动控制系统的性能直接影响被控对象的工作性能和工作效率,因此,先进的运动控制实现是高性能运动控制系统的有力保障。本文以设计一种基于先进算法的高性能、高可靠性的旋臂式运动平台为目标。深入研究运动控制器相关的软件和硬件技术,设计一种包括嵌入式开发平台和先进运动控制算法在内的运动控制系统。本文的主要研究内容分为两部分,第一部分为运动控制板的硬件电路原理介绍,第二部分为运动控制的软件算法实现。这两部分构成一个紧密结合的控制系统,来实现旋臂式贴片机平台的运动控制要求。在硬件实现方面:为了对运动系统进行稳定高效的精确控制,采用±10V的高精度模拟电压作为伺服控制电压。由于电路输出电压容易受电源和其他部分电路影响,设计过程中需要考虑到信号完整性和电磁兼容性的影响,对硬件电路的设计提出了很高的要求。本文工作相关的电路设计中采用了大量稳压、滤波等稳定电压的方法和防止串扰、地分割等降低信号干扰的措施。软件算法实现方面:由于高性能运动控制的主要要求是高速、高精度和低冲击。实现高速、高精度的途径是合理的运动路径规划,并使用高效的位置、速度双闭环控制器对位置和速度进行跟踪。由于控制系统接收到的控制数据是一系列离散点信息,所以需要首先对离散点进行插补,获得足够多的控制点,从而满足低控制周期的要求。另外,为了满足低冲击特性要求插补得到的运动轨迹的加速度曲线连续。所以,软件部分的核心是精插补算法和位置速度双闭环控制器的实现。研究方法上:首先根据贴片机的工作特性,获得控制系统设计需求。然后根据需求进行了软件算法的方案分析。并且首先获得伺服系统数学模型,从而在虚拟仿真环境中对各部分软件算法进行软件理论仿真。通过理论仿真后进行实物平台的实验测试。并对系统软、硬件进行改进。综合以上两部分的设计及实验,本文相关工作设计了完整的运动控制系统,通过对运动控制系统各项性能的检验测试,获取了系统相关的响应数据,并且根据实验结果得出系统的工作性能特点。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-11
第一章 绪论  11-21
  1.1. 课题研究背景  11-19
    1.1.1. SMT 简介  11-12
    1.1.2. 贴片机的历史和发展趋势  12-13
    1.1.3. 常用贴片机类型  13-16
    1.1.4. 贴片机的未来发展方向  16-19
  1.2. 研究内容和研究意义  19-20
    1.2.1. 研究内容  19
    1.2.2. 研究意义  19-20
  1.3. 本文章节安排  20-21
第二章 系统总体方案设计  21-28
  2.1. 旋臂式贴片机对运动控制系统的要求  21-23
    2.1.1. 旋臂式贴片机的机械特点  21-22
    2.1.2. 旋臂式贴片机的运动特点  22-23
  2.2. 硬件电路方案  23-25
    2.2.1. 核心处理器的选择  23-24
    2.2.2. 伺服驱动器的控制方式选择  24-25
  2.3. 软件算法方案  25-28
    2.3.1. 精插补算法的方案  26-27
    2.3.2. 位置、速度的高效跟踪  27-28
第三章 控制系统硬件电路  28-42
  3.1. 电路整体整体架构  28
  3.2. 电源电路部分  28-30
  3.3. 控制器及其外部电路部分  30-34
  3.4. 逻辑变换 CPLD 部分  34-35
  3.5. 外部 RAM 存储部分  35-37
  3.6. DAC 输出部分及其电压基准部分  37-38
  3.7. QEP 伺服脉冲计数部分  38-39
  3.8. RS-485 协议通讯部分  39-40
  3.9. USB 通讯部分  40-41
  3.10. 硬件电路 PCB  41-42
第四章 控制系统软件设计  42-61
  4.1. MATLAB 与 CCS 联合调试环境介绍  42-45
    4.1.1. 快速控制原型技术  42-43
    4.1.2. MATLAB 与 CCS 的联合调试使用  43-45
  4.2. 软件系统整体架构与研究方法  45-46
    4.2.1. 算法实现架构  45
    4.2.2. 系统研究方法  45-46
  4.3. 快速模型辨识方法  46-47
  4.4. PVT 精插补技术  47-51
    4.4.1. PVT 精插补的基本特点  47-49
    4.4.2. PVT 精插补的算法实现方程  49-51
  4.5. 位置速度双闭环控制系统设计  51-54
    4.5.1. 双闭环控制原理  51-52
    4.5.2. 双闭环在 Simulink 中的框架设计  52-54
  4.6. 相关控制器设计  54-61
    4.6.1. PID 控制器设计  55-56
    4.6.2. 模糊 PID 参数自整定控制器设计  56-59
    4.6.3. 实验结果对比  59-61
第五章 系统测试与结果  61-72
  5.1. 实验平台搭建  61-62
  5.2. 系统算法虚拟环境实验  62-67
    5.2.1. 精插补算法 MATLAB 仿真  62-64
    5.2.2. 获取伺服系统数学模型  64-65
    5.2.3. 使用虚拟环境设计双闭环控制系统  65-67
  5.3. 实际平台响应测试  67-71
    5.3.1. 速度响应特性  67
    5.3.2. 点到点运动的速度曲线  67-70
    5.3.3. 多点运动的速度曲线  70-71
  5.4. 测试结果分析  71-72
总结与展望  72-75
参考文献  75-77
攻读硕士学位期间取得的研究成果  77-78
致谢  78-79
附件  79

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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