（电力电子与电力传动专业论文）基于嵌入式linux的伺服控制技术应用研究.pdf

1 1 1 11 1 11 11 1 11 111 11 11 1l 17 4 5 9 2 4 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c e r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fs e r v oc o n t r o l t e c h n o l o g yb a s e do ne m b e d d e dl i n u x m a s t e rc a n d i d a t e ：z h a n gw e i b i n s u p e r v i s o r ：p r o f w ul - m i n g m a y2 0 10 f a c u l t yo fi n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g 。p r c h i n a ，5 10 0 0 6 摘要 摘要 随着以计算机技术为核心的嵌入式技术的快速发展，各种设备和系统的信息化 大大地促进了行业的进步。现代数字伺服技术是典型的嵌入式系统，其应用几乎颠 覆了传统设备的控制驱动工作模式，本文开展基于嵌入式l i n u x 的数字伺服技术及其 在印刷包装机械成套设备的应用研究。 本论文结合课题组承担广州市科技计划攻关项目“包装机械嵌入式数控系统设 计”( 2 0 0 7 2 2 - - d 3 1 6 1 ) 和粤港关键领域重点突破招标项目“高速印刷包装成套设备产 业化关键技术 ( t c 0 7 b f 0 9 2 ) 。先进的纸箱包装机械成套设备通过装备嵌入式数字 控制系统，可以大大提高设备的效率和产品的质量，本文以嵌入式控制为主要研究 内容，研究基于嵌入式操作系统实时控制、数字控制硬件i p 核，并在分析嵌入式l i n u x 操作系统、数字伺服控制系统的关键技术基础上，设计基于嵌入式l i n u x 的电子轴伺 服控制纸箱包装机械成套设备的嵌入式数字控制系统。 本文分析了b p 神经网络p i d 控制作为伺服控制器的控制策略。通过结合实际应 用的仿真结果表明，使用b p 神经网络p i d 控制以后，稳态误差小，调节快速、调整 时间短，具有很好的控制特性，可以实现印刷包装机械电子轴伺服控制系统的控制 策略。 在针对印刷包装机械电子轴伺服控制系统应用研究的基础上，本文进行系统各 功能模块的设计与实现，并通过印刷包装机械数字控制系统的调试，表明系统的控 制过程和执行部件的动作过程，能够保证控制功能的实现。 结果表明，采用基于嵌入式l i n u x 技术开发的数字伺服控制系统并在印刷包装机 械电子轴中应用，能够满足工业设备的应用要求，开发推广上具有优越性。项目研 究的应用，有利于数控技术的进步，产生良好的社会经济效益。 关键词：嵌入式l i n u x ；电子轴；b p 神经网络；印刷包装机械；数控技术 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hc o m p u t e rt e c h n o l o g ya st h ec o r eo ft h er a p i d d e v e l o p m e n to fe m b e d d e d t e c h n o l o g y ，e q u i p m e n ta n di n f o r m a t i o ns y s t e m sg r e a t l yf a c i l i t a t et h ep r o g r e s so ft h e i n d u s t r y m o d e md i g i t a ls e r v ot e c h n o l o g yi sat y p i c a le m b e d d e ds y s t e m ，i t sa p p l i c a t i o ni s a l m o s ts u b v e r s i v ec o n t r o lo ft r a d i t i o n a l e q u i p m e n t ，d r i v em o d e ，t h i sa r t i c l e i st h e a p p l i c a t i o na n dr e s e a r c ho fd i g i t a ls e r v ot e c h n o l o g ya n de q u i p m e n ti nt h ep r i n t i n ga n d p a c k a g i n gm a c h i n e r yb a s e do ne m b e d d e dl i n u x t h i st h e s i s t o p i cg r o u pp r o je c t s u n d e r t a k er e s e a r c hp r o je c t si n g u a n g z h o u ， ”e m b e d d e dc n cs y s t e m d e s i g no fp a c k a g i n gm a c h i n e r y ”( 2 0 0 7 2 2 - d 3 161 ) a n d b r e a k t h r o u g h si nk e ya r e a so fg u a n g d o n ga n dh o n gk o n gt e n d e r ”h i g h - s p e e dp r i n t i n g a n dp a c k a g i n ge q u i p m e n ti n d u s t r yk e yt e c h n o l o g y ”( t c 0 7 b f 0 9 - 2 ) a d v a n c e dc a n o n p a c k a g i n gm a c h i n e r ye q u i p m e n tb ye q u i p m e n te m b e d d e dd i g i t a lc o n t r o ls y s t e m s ，c a n g r e a t l yi m p r o v ee q u i p m e n te f f i c i e n c ya n dp r o d u c tq u a l i t y ，i nt h i sp a p e r ，e m b e d d e d c o n t r o la si t sm a i nt o p i c ，r e s e a r c hi sb a s e do nr e a l t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m c o n t r o l ，d i g i t a lc o n t r o lh a r d w a r ei pc o r e ，a n dt h ea n a l y s i so fe m b e d d e dl i n u xo p e r m i n g s y s t e m ，t h ed i g i t a ls e r v oc o n t r o ls y s t e mb a s e do nk e yt e c h n o l o g i e s ，d e s i g no fe m b e d d e d l i n u x b a s e de a x i ss e r v oc o n t r o lc a n o np a c k a g i n gm a c h i n e r ye q u i p m e n te m b e d d e d d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m s t h i sp a p e ra n a l y z e st h eb pn e u r a ln e t w o r kp i dc o n t r o la sas e r v oc o n t r o ls t r a t e g y b yc o m b i n i n gt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tu s i n gt h eb p n e u r f ln e t w o r kp i dc o n t r o la f t e rt h es t e a d y - s t a t ee r r o r ，t h ea d j u s t m e n tq u i c k l ya n da d j u s t t h et i m ei ss h o r t ，h a sg o o dc o n t r o l c h a r a c t e r i s t i c s ，c a l la c h i e v ep r i n t i n gp a c k a g i n g m a c h i n e r ya n de l e c t r o n i c s a x i ss e r v oc o n t r o ls y s t e mc o n t r o ls t r a t e g y f o rp r i n t i n ga n dp a c k a g i n gm a c h i n e r ya n de l e c t r o n i c si nt h ea x i ss e r v oc o n t r o l s y s t e mb a s e d o nt h e r e s e a r c h ，t h i sf u n c t i o nm o d u l et ot h es y s t e md e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o n ，a n db yp r i n t i n ga n dp a c k a g i n gm a c h i n e r yt od e b u gd i g i t a lc o n t r o l s y s t e m ，t h a ts y s t e m sc o n t r o lp r o c e s sa n di m p l e m e n t a t i o no fp a r t so ft h ea c t i o np r o c e s s ， i i a b s t r a c t c a ng u a r a n t e et h er e a l i z a t i o no fc o n t r o lf u n c t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a te m b e d d e dl i n u xt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tb a s e do nt h e n u m b e ro fs e r v oc o n t r o ls y s t e m sa n dm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a la x i si nt h ep r i n t i n ga n d p a c k a g i n gt h ea p p l i c a t i o n ，t h ea p p l i c a t i o nc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t s o fi n d u s t r i a l e q u i p m e n t ，d e v e l o p m e n ta n dp r o m o t i o no ft h es u p e r i o r i t y p r o j e c ts t u d i e st h ea p p l i c a t i o n o fc n ct e c h n o l o g yi sc o n d u c i v et op r o g r e s s ，a n dp r o d u c e dg o o ds o c i a la n de c o n o m i c b e n e f i t s k e y w o r d s ：e m b e d d e dl i n u x ；e l e c t r o n i cs h a f t ；b pn e u r a ln e t w o r k ；p r i n t i n gp a c k a g i n g m a c h i n e r y ；c n ct e c h n o l o g y i i i 广东工业大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t ：i i 目录1 1 r t a b l eo fc o n t e n t s 。v l 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 课题来源及研究意义1 1 2 1 课题来源1 1 2 2 课题研究意义2 1 3 印刷包装机械成套设备发展现状3 1 4 数字伺服控制技术发展现状4 1 5 论文主要研究内容5 第二章印刷包装机械电子轴伺服控制技术分析7 2 1 印刷包装机械电子轴控制系统功能分析7 2 1 1 系统的结构形式7 2 1 2 系统的技术性能指标8 2 1 3 系统的主要功能8 2 2 嵌入式系统技术及应用9 2 2 1 嵌入式系统的组成及应用。9 2 2 2 嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 4 0 1 2 2 2 3 嵌入式l i n u x 操作系统1 4 2 3 数字伺服控制器的构成及控制策略1 7 2 4b p 神经网络p i d 控制器2 0 2 5 本章小结2 2 第三章电子轴伺服同步控制技术2 3 3 1 电子轴伺服同步控制2 3 i v 目录 3 1 1 电子轴伺服同步控制原理2 3 3 1 2 时钟同步机制2 4 3 1 3 光电编码器状态行为分析2 5 3 2 基于b p 神经网络的电子轴伺服控制2 6 3 3 本章小结j 2 9 第四章印刷包装机械电子轴控制系统设计 。3 0 4 1 系统硬件电路设计3 0 4 2 系统软件设计31 4 2 1 系统软件结构规划3l 4 2 2 嵌入式l i n u x 设备驱动模块3 2 4 2 3 系统设备驱动模块设计3 5 4 3 本章小结3 8 第五章系统功能的实现3 9 5 1 电子轴伺服控制的实现3 9 5 1 1b p 神经网络p i d 模块3 9 5 1 2 电子轴伺服同步控制的实现4 0 5 2 系统功能模块加载4 2 5 3 系统调试与运行4 5 5 4 本章小结4 9 结论。5 0 参考文献5 2 攻读学位期间发表论文及科研成果5 6 独创性声明5 7 1 晷c 谢5 8 附录。5 9 v 广东工业大学硕士学位论文 t a b l e0 fc o n t e n t s a b s t r a c t i i t a b l eo fc o n t e n t s 。v i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1f o r w a r d 1 1 2s u b j e c ts o u r c ea n ds t u d y 、s i g n i f i c a n c e 1 1 2 1s u b j e c ts o u r c e ：j j ，j 1 1 2 2s i g n i f i c a n c e 2 1 3p r i n t i n ga n dp a c k a g i n gm a c h i n e r y e q u i p m e n ts t a t u s 3 1 4d i g i t a ls e r v oc o n t r o lt e c h n o l o g i c a ls t a t u s 4 1 5t h em a i nc o n t e n t so f t h i st h e s i s 5 c h a p t e r2s e r v oc o n t r o lt e c h n i c a la n a l y s i so fe l e c t r o n i cs h a f ti np r i n t i n ga n d p a c k a g i n gm a c h i n e r y 7 2 1c o n t r o ls y s t e mo fe l e c t r o n i cs h a f ti np r i n t i n ga n d p a c k a g i n gm a c h i n e r y 7 2 1 1s t r u c t u r eo f t h es y s t e m 7 2 1 2t e c h n i c a lp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r so ft h es y s t e m 8 2 1 3t h em a i nf u n c t i o no f t h es y s t e m 8 2 2e m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o n 9 2 2 1c o m p o s i t i o na n da p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m 9 2 2 2e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r $ 3 c 2 4 4 0 12 2 2 3e m b e d d e dl i n u xo p e r a t i o ns y s t e m 1 4 2 3c o n t r o ls t r a t e g ya n dc o n s t i t u t e so fd i g i t a ls e r v oc o n t r o l l e r 18 2 4b pn e u r a ln e t w o r kp i dc o n t r o l l e r 2 0 2 5i ns u m m a r y 2 2 c h a p t e r3e l e c t r o n i cs h a f ts e r v os y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y 2 3 3 1e l e c t r o n i cs h a f ts e r v os y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o l 2 3 3 1 1e l e c t r o n i cs h a f ts e r v os y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lp r i n c i p l e 2 3 v i c o n t e n t s 3 1 2t h e m e c h a n i s mo fs y n c h r o n i z a t i o nc l o c k 2 4 3 1 3s t a t eb e h a v i o ra n a l y s i so fo p t i c a le n c o d e r 2 5 3 2e l e c t r o n i cs h a f ts e r v oc o n t r o lb a s e do nb pn e u r a ln e t w o r k 2 6 3 3i ns u m m a r y j 2 9 c h a p t e r4c o n t r o ls y s t e md e s i g no fe l e c t r o n i cs h a f ti np r i n t i n ga n dp a c k a g i n g m a c h i n e r y j 3 0 4 1h a r d w a r ec i r c u i td e s i g no fs y s t e m 3 0 4 2s o f t w a r ed e s i g no fs y s t e m 31 4 2 1t h ep l a no fs y s t e ms o f t w a r es t r u c t u r e 3 1 4 2 2e m b e d d e dl i n u xd e v i c ed r i v e rm o d u l e ：j ：3 2 4 2 3d e v i c ed r i v e rm o d u l ed e s i g no fs y s t e m 3 5 4 3i ns u m m a r y 3 8 c h a p t e r5t h e r e a l i z a t i o no fs y s t e mf u n c t i o n 3 9 5 1t h er e a l i z a t i o ne l e c t r o n i cs h a f tc o n t r o l 3 9 5 1 1t h em o d u l eo fb pn e u r a ln e t w o r kp i d 3 9 5 1 2t h er e a l i z a t i o no fe l e c t r o n i cs h a f ts e r v os y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o l 一3 0 5 2l o a d a b l es y s t e mf u n c t i o nm o d u l e 4 2 5 3d e b u g g i n ga n do p e r m i o no f t h es y s t e m 4 5 5 4i ns u m m a r y 4 9 c o n c l u s i o n 5 0 r e f e r e n c e ；5 2 t h ep u b l i s h e dp a p e r sa n db e a rt h ep a l mi ns c i e n t i f i cr e s e a r c hd u r i n gt h em a s t e r p e r i o d 5 6 p r o m e t h e a nd e c l a r e 5 7 a c k n o w l e d g e m e n t s 5 8 a p p e n d i x 5 9 v i i 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 进入2 1 世纪以后，以计算机技术、通信技术和软件技术为核心的信息技术取得 了更加迅猛的发展，各种装备与设备上嵌入式计算与系统的广泛应用大大地推动了 行业的渗透性应用。其中嵌入式系统应用广泛，嵌入式软件在整个软件产业中占据 了重要地位，并受到世界各国的广泛关注。 近年来，随着制造业的不断进步，当代制造业对精密化、精确化、高速化、自 动化发展的要求越来越高，数控系统是计算机技术在机械制造领域钓一种典型应用， 随着数控技术的发展及其在工业生产过程中的广泛应用，其开放性便于对其进行二 次开发，以发挥其技术特色，其技术上的成熟度使其可靠性大大超过了以往的封闭 式数控系统，并为用户提供了强大的联网能力，促进系统集成化和信息综合化。 高速c p u 芯片、r i s c 芯片的出现使得功能强大的数控系统也可以用体积微小、 稳定性强的芯片上实现，此外，实时操作系统功能不断强大更使得实现嵌入式数控 系统成为可能。因此，选择一个合适的操作系统作为软件平台尤为重要，l i n u x 操作 系统以其高效能性、稳定性、可扩展性和强大的网络功能成为理想的选择，并且它 的源代码开放，有利于开发人员在此基础上研究和开发。论文探讨了基于嵌入式系 统的数字伺服控制系统开发过程中的几项关键技术研究及其在纸箱印刷包装机械成 套设备上的应用。 1 2 课题来源及研究意义 1 2 1 课题来源 本课题来源于广州市科技计划攻关项目“包装机械嵌入式数控系统设计” ( 2 0 0 7 2 2 一d 3 1 6 1 ) 和粤港关键领域重点突破招标项目“高速印刷包装成套设备产业化 广东工业大学硕士学位论文 关键技术 ( t c 0 7 b f 0 9 2 ) ，先进的纸箱包装机械成套设备通过装备嵌入式数字控制 系统，可以大大提高设备的效率和产品的质量，本文以嵌入式控制为主要研究内容， 研究基于嵌入式操作系统实时控制、数字控制硬件i p 核，并在分析嵌入式l i n u x 操作 系统、数字伺服控制系统的关键技术基础上，设计基于嵌入式l i n u x 的电子轴伺服控 制纸箱包装机械成套设备的嵌入式数字控制系统。 1 2 2 课题研究意义 近年来，世界发达国家纷纷采取措施，进行开放式数控系统( o p e nn u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e m ，以下简称o n c 系统) 的开发和研究。开放式数控系统的优点是可以 充分利用p c 平台上丰富的软硬件资源。其机械部分、c n c ( c o m p u t e r i z e dn u m e r i c a l c o n t r 0 1 ) 控制系统、系统软件和应用软件可以分别由专业厂商生产，按照工业标准匹 配，从而实现高性能、低价格的目标。 嵌入式技术的迅速发展，已经被广泛地应用于各行各业。将嵌入式技术和数控 技术相结合起来产生了很多理论和应用成果。嵌入式数控系统体系结构就是要为各 个模块提供集成规则和接口规范，通过这些集成规则和接口规范，不同的开发者能 够构建出通用的模块。 嵌入式数控系统在装备制造业中具有重要作用，装备制造业是发达国家工业和 国民经济的基石之一，数控技术是实现制造自动化的基础。一个国家的数控技术发 展水平代表着该国家现代制造技术发展水平，从某种意义上说，一个国家的综合国 力强弱与该国机器制造业的数控化水平有密切关系。 课题组长期从事光机电一体化、自动化、计算机控制等技术的应用研究，具有 丰富的科研理论和实际工作经验。主持完成了多项省部级和横向课题，产生了良好 的社会和经济效益，获得多项省部级科技成果奖。其中在嵌入式l i n u x 数字伺服技术 研究方面，课题组具有较好的研究基础和丰富的实战经验，为课题的开展奠定了理 论基础和相关技术积累。 因此，本课题的研究与应用能增加数控系统的开放性，缩短开发周期，提高系 统的可伸缩性、可移植性、可互换和互操作性，有利于拉近我国数控技术与国外先 进水平的差距，满足我国现阶段传统机械装备进行数控化改造的需要，促进数控技 术的发展。 2 第一章绪论 1 3 印刷包装机械成套设备发展现状 从印刷方式、印刷工艺和伺服传动技术的发展角度看印刷包装机械的发展趋 势，包装印刷设备正在向综合应用多学科多技术实现绿色环保印刷、多色高效高速 高精度的方向发展，并伴随着伺服传动技术从机械轴传动向电子轴传动的趋势发展。 现阶段我国印刷包装机械工业领域的发展更多的是依靠粗放型的增长方式来 获得，从而带来了环境污染、能源资源的浪费等负面影响，这显然不符合我国可持 续发展的要求。目前尽管我国印刷工业在发展低排放低能耗等绿色环保印刷技术方 面取得了一定的进步，但所取得的效果所占的比重仍然较小，而且在传统的印刷方 式占据主流地位的情况下，无论是在印刷材料生产过程还是在使用过程中，还是印 前、印中和印后的加工工艺，都会产生废气、废液、废渣( “三废 ) ，这些都使得 目前我国在印刷工业的能耗、排放、污染等方面还比较严重，印刷包装机械工业领 域的“三废”的治理工作还需要引起印刷企业的进一步关注和重视 1 。 从印刷工艺的角度看，目前纸板采用的工艺有预印刷和直接印刷。预印刷是指 在加工瓦楞纸前，先卷对卷地印刷瓦楞纸板的面纸，然后再将印好的卷筒面纸送上 瓦楞纸板生产线来生产瓦楞纸板。尤其是高档精美纸箱、包括大型和重型纸箱更适 合采用预印刷，它包括平板胶印印刷、凹版印刷和柔版印刷三种形式。目前预印刷 技术已成为瓦楞纸板印刷重要发展趋势之一。 直接印刷包括柔印直接印刷、丝网印刷和直接胶印印刷。柔印直接印刷是以单 纸复合好的瓦楞白纸板，在多色柔性的印刷机上印出彩面瓦楞纸板，然后将其模切 成型。采用这种工艺，可以减少设备投入、缩短工序流程、降低成本。在发达国家 纸箱印刷中这种工艺占有较大的比重，而在我国，由于受到技术、设备等条件的限 制，柔版直接印刷大部分只能印刷中低档的纸箱，印刷质量还有待进一步的提高。 从印刷颜色的组合数来看，纸箱印刷机械由单色、双色逐步发展到6 色印刷， 以及目前正在研制的多纸张多色双面印胶印机，将会达到更好印刷效果。 从成套设备系统的控制来看，p l c 控制系统正朝着嵌入式数控系统发展，嵌入 式数控系统采用了嵌入式微处理器、嵌入式实时操作系统( 嵌入式l i n u x 、i - t c o s i i 、 v x w o r k s 、n u c l e u s 等) 和友好的人机交互界面，避免了p l c 控制系统开发成本高、 实时性差的缺点，同时也具有p l c 控制系统高可靠性、开发周期短的优点。 3 广东工业大学硕士学位论文 从多色胶印机的角度看，我国在这方面的科研开发无论是性能档次、质量稳定， 还是在数字化、智能化等方面都与国外先进水平相比存在很大的差距。因此，绿色 环保印刷技术、数控技术的应用、包装印刷设备复合化、无轴化等将是未来印刷包 装机械的发展趋势。 1 4 数字伺服控制技术发展现状 虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的，但是这个概念并非新近才出现。从2 0 世纪七十年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器，微控制器的大规模 应用，嵌入式系统已经有了近3 0 年的发展历史。 基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展，目前已经有大量的8 、 1 6 、3 2 位嵌入式微控制器在应用中，网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力 资源主要途径，如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、 石油化工系统。就传统的工业控制产品而言，低端型采用的往往是8 位单片机。但是 随着技术的发展，3 2 位、6 4 位的处理器逐渐成为工业控制设备的核心，在未来几年 内必将获得长足的发展。 伺服控制技术作为自动化技术的一个重要分支，在2 0 世纪9 0 年代，国际上发达 国家，例如美国进入快速发展的阶段。由于有强劲市场需求的推动，通用运动控制 技术发展迅速，应用广泛。 近年来，随着伺服运动控制技术的不断进步和完善，伺服控制器作为一个独立 的工业自动化控制类产品，已经被越来越多的产业领域接受，并且它已经达到一个 引人瞩目的市场规模。根据市场研究机构a r c 咨询集团( a r ca d v i s o r yg r o u p ) 一 项新的研究显示，受全球化影响，众多产业及地区对自动控制的投资持续不断，预 计2 0 1 0 年全球运动控制市场( g m c ) 将达到7 0 亿美元。2 0 0 9 年，中国工控网研究的 3 种运动控制产品( 通用伺服、步进、控制器) 的市场规模达到3 3 2 亿元，增速为1 0 7 ， 高于2 0 0 8 年8 个百分点c 。，。由此可以看出，中国的伺服运动控制产品在全球市场的比 例还很低，增长速度快，伺服运动控制系统在未来几年内上升的空间非常大。 嵌入式结构的伺服控制器，是把计算机嵌入到伺服控制器中的一种产品，它能 够独立运行。伺服控制器与计算机之间的通信依然是靠计算机总线，实质上是基于 总线结构的伺服控制器的一种变种。对于标准总线的计算机模块，采用了更加可靠 4 第一章绪论 的总线连连接，更加适合工业应用。在使用中，采用如工业以太网、r s 4 8 5 、s e r c o s 、 p r o f i b u s 等现场网络通信接口联接上级计算机或控制面板。嵌入式的运动控制器也可 配置软盘和硬盘驱动器，甚至可以通过i n t e r n e t 进行远程诊断。例如美国a d e p t 公司 的s m a r t c o n t r o l l e r 系列产品等。 在传动装置方面，已由传统的机械轴向电子轴发展，电子轴传动技术是凹印设 备领域在近3 0 年时内最引人注目的技术进展之一。与传统机械长轴不同，电子轴传 动采用独立驱动伺服电机作为驱动部件，采用编码器和相位控制技术，通过电子信 号的传送达到整台设备的同步。 与美国和欧洲发达国家相比，我国在伺服运动控制器产品开发方面相对落后， 大多是在国内推广国外生产的运动控制器产品，真正进行自主开发的公司较少。相 关产品还没有得到普遍应用，大量低精度、低效率的运动控制方式依然存在，例如 机械凸轮、同步带、同步轴等在食品包装、印刷造纸、橡胶机械等行业大量存在。 随着高速高性能微处理器的出现和普及，嵌入式伺服运动控制器具有信息处理 能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点将成为新一代数控技术 的发展潮流，嵌入式伺服运动控制器将成为未来数控系统的核心。研究开发基于嵌 入式技术的数字伺服控制系统，形成有自主知识产权的特色产品，可以有效提高产 品的质量和加工效率，有利于拉近我国伺服运动控制技术与国外先进水平的差距、 填补国内数控设备生产厂家的不足。 1 5 论文主要研究内容 本文以嵌入式控制为主要研究内容，研究基于嵌入式操作系统实时控制、数字 控制硬件i p 核，并在分析嵌入式l i n u x 操作系统、数字伺服控制系统的关键技术基础 上，设计基于嵌入式l i n u x 的电子轴伺服控制纸箱包装机械成套设备的嵌入式数字控 制系统。控制系统采用模块化设计，功能模块( 独立实体型和软件功能模块) 可以根 据不同的应用对象和加工需要等条件进行裁减、组合，给用户带来更大的灵活性和 自主性。 本论文旨在对嵌入式l i n u x 伺服控制系统进行分析和设计。全文共分五章，各章 主要内容安排如下： 第一章绪论，讲述课题的来源及研究意义，分析印刷包装机械成套设备和数字 广东工业大学硕士学位论文 伺服控制技术的发展现状，在课题已有研究基础上提出本文的主要研究内容。 第二章从不同几个方面讲述了印刷包装机械电子轴伺服控制技术的基础知识 及理论基础。首先介绍印刷包装机械电子轴伺服控制的结构形式、技术性能指标和 主要功能：分析了嵌入式系统的组成及应用，嵌入式微处理器的选型，嵌入式l i n u x 操作系统；然后分析讨论了数字伺服控制器的构成及控制策略；最后对b p 神经网络 p i d 控制器进行分析。 第三章主要阐述了印刷包装机械电子轴伺服控制技术，分析讨论了电子轴伺服 同步控制的原理，时钟同步机制；光电编码器状态行为分析；在课题组已有的研究 基础之上采用b p 神经网络p i d 控制作为伺服控制器的控制策略并对其进行效果仿真 验证。 第四章主要叙述了印刷包装机械电子轴伺服控制系统的设计，根据系统要实现 的功能提出系统硬件结构规划，嵌入式系统主控制器电路等进行了讨论与设计；阐 述嵌入式l i n u x 设备驱动模块结构与接口、设备驱动程序加载；设计系统功能模块等。 第五章叙述了系统功能的实现，印刷包装机械电子轴伺服控制系统中b p 神经网 络p i d 控制的实现、电子轴伺服控制的实现；加载第四章设计的系统功能模块，最 后对系统进行调试与运行。 6 第二章印刷包装机械电子轴伺服控制技术分析 第二章印刷包装机械电子轴伺服控制技术分析 2 1 印刷包装机械电子轴控制系统功能分析 2 1 1 系统的结构形式 纸箱印刷包装机械成套设备由送纸部、印刷部、开槽部、模切部组成，印刷部 由6 色套色机组组成。其中线速度、前缘送纸技术、各辊之间的间隙调整和印刷滚筒 的相位控制是印刷机控制技术的关键。线速度是由位于送纸