基于嵌入式系统的六自由度并联机构运动控制器设计与实现

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本文设计并实现了一种专用运动控制器,用于对高精度天线副面调整机构的实时、精确控制。针对某大型天线采用的Stewart平台副面调整机构,运动控制器通过对6台伺服电机进行控制,实现Stewart平台的六自由度运动。同时考虑到多轴的同步、协调运动以及运动机构的实际应用环境,采用了短帧传输、受干扰率低、传输效率高为特点的CAN总线搭建现场总线网络,完成运动控制系统的设计。针对运动控制器需要实现的具体功能以及控制系统的实际构成情况,本文提出了一种基于“ARM+FPGA”技术的专用运动控制器设计方案。整个运动控制系统由上位机、专用运动控制器、伺服驱动器、电动缸、副面调整机构、传感器等组成。用户通过上位机软件发送控制指令给运动控制器,运动控制器完成命令解析、状态获取、机构运动学模型解算算法及控制算法处理;通过CAN总线发送运动控制命令给伺服驱动器,实现并联机构的精确运动;同时,通过CAN总线获取相关数据和设备状态。本文完成了控制系统的整体方案设计,对控制系统的功能进行了合理分配和具体说明。通过对Stewart平台相关知识的研究,完成6自由度并联机构的运动学分析,实现了并联机构的正逆解算法,并将其集成到运动控制器中。本文针对CAN总线及CANopen高层协议进行了分析和研究,完成了控制系统的CANopen协议栈设计。根据具体控制需求对驱动器进行了配置,确定了CANopen协议的具体功能分配。完成了运动控制器的功能设计,包括FPGA部分和ARM部分。FPGA用于完成限位开关采样、SSI传感器采样、SPI通讯、编码转换等功能;ARM作为主控部分,主要完成相关硬件的驱动设计、CANopen协议栈的实现、并联机构的正逆解算法集成、运动控制程序设计、机构的安全处理以及对控制系统中各模块的合理调用和控制。最后,通过对运动控制器的功能测试,以及对天线副面调整机构的现场实验,验证了运动控制器的可行性和准确性,保证了运动机构能实现高精度的天线副面调整功能。
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