用于可重构机床控制系统的宽带电力线通信技术研究

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雅宝题库解析：
摘  要可重构制造系统具有良好的柔性和可维护性，是现代制造系统的重要发展方向之一，能够使企业快速高效地对市场变化做出反应。模块化设计是作为可重构制造系统核心设备的可重构机床的关键使能技术，它要求模块具有最简化和标准化的接口，以减少接口间连接和调试的工作量。机床电气接口用于连接控制器和伺服模块、开关量I/O等，在各类接口中占有较大比重。因此，尽量减少电气接口、简化接口间的电缆布线具有重要意义。现场总线系统在很大程度上简化了传统的并行布线，但仍需相当数量的专用数据线。采用电力线通信技术，利用机床的动力电缆作为数据信号的传输媒介，不必额外铺设数据电缆，可以将电气接口和电缆布线减至最少，最大限度地减少机床重构工作量，降低重构过程中的出错概率，具有明显的结构上的优势。目前，这种技术尤其适用于采用公共直流母线技术的分布式伺服系统。ASI（Actuator Sensor Interface）总线是一种工业自动化电力线通信的国际标准（IEC62026-2）。各大国际主要机床和伺服系统生产商如FANUC、SIEMENS的多种型号数控系统都支持ASI总线，使其获得广泛应用。不过ASI总线的主要目标是解决具有开关量特征的执行器/传感器的互联题目，其最高167kbit/s的数据传输率和5ms通信周期等关键性能指标并不适用于控制器与伺服系统之间的数据传输，从而限制了其在可重构机床中的应用。本论文研究内容来自作者2007-2010年在德国斯图加特大学机床控制技术研究所参加的德国研究协会（Deutsche Forschungsgemeinschaft，DFG）资助的专项研究课题，旨在探索一种新型工业宽带电力线通信技术（Industrial Broadband over Power Line，IBPL），为可重构机床机电模块接口设计提供新的解决方案，即以机床动力电缆作为数据传输信道，满足数控机床控制器和伺服模块之间的控制数据和状态反馈数据等的传输要求，统一动力电缆和各种数据电缆为一根电缆。论文首先研究了电缆的特性阻抗、衰减特性、终端连接阻抗与频率的关系等，以此为基础对信道的传递函数进行了MATLAB仿真，最后使用矢量网络分析仪对信道传输特性进行了实际测量。考虑到逆变器产生的干扰具有很宽的频谱，本论文将所讨论的频带范围从通常电力线通信占用的1-30MHz扩展到500MHz。信道测量结果表明，在20-140MHz频带范围内，信号衰减在10-15dB，相对较小，并且传递函数的幅频特性曲线振荡也较小，适合信号传输。本论文在对干扰的类型进行介绍后，确定了与电缆连接的逆变器产生的脉冲干扰是主要干扰源。为了精确分析，使用频谱分析仪对干扰频谱进行了测量，结果表明从100MHz开始的干扰功率谱密度小于-100dBm/Hz。采用100MHz载波频率进行数据传输时，可以保证至少20dB的信噪比。结合对信道传输特性的分析，最终将载波中心频率选定为100MHz，带宽为10MHz，即频率范围为95-105MHz。机床电力线通信应该遵守电磁兼容标准EN55022和EN61800。信号发射产生的传导干扰和辐射干扰场强分别不能超过70dBμV和40dBμV/m的限定值，由此可以确定满足电磁兼容条件下允许的最大发射功率约为55dBm。实践中，射频前端器件的性能限制了实际允许的最大发射功率，本系统中可获得的最大发射功率约为11dBm。在对机床控制系统的数据传输要求进行分析后，确定了系统的数据传输率>4Mbit/s、最小通信周期62.5μs和误比特率小于10-7等通信系统的性能指标。论文研究了正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）的基本原理，重点分析了载波、采样和时序同步、信道估计均衡等关键技术及其实现方法。根据选择的载波频率和带宽以及系统的各项性能指标要求，确定了数据子载波数目、采样频率等通信系统的其他各项参数。开发了专用的工业宽带电力线通信调制解调器，搭建了基于dSPACE的调试和测试系统，建立了机床主轴驱动装置通信试验平台，完成了通信控制试验。不同的通信参数和试验条件下的测试结果表明，本系统实现了最大数据传输率13Mbit/s，最小通信周期62.5μs，误比特率小于10-8的数据通信，实现了预定的各项性能指标，具有很好的应用前景。