ZedBoard開(kāi)發(fā)平臺(tái)的多軸串聯(lián)控制系統(tǒng)

　　摘要：嵌入式技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)用注入了新的活力，并且使得開(kāi)發(fā)成本和周期都大為縮減。本論文將多電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)控制器、多電機(jī)串聯(lián)控制器、在線調(diào)試等功能在ZedBoard開(kāi)發(fā)平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)，突出了Zynq-7000 AP SoC系列處理器資源豐富、配置靈活的特點(diǎn)。系統(tǒng)使用集成半橋驅(qū)動(dòng)器BTS7960實(shí)現(xiàn)了高效電機(jī)驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)方法上使用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法，在大大擴(kuò)展系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，有效地縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間。

　　引言

　　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。系統(tǒng)需求日漸復(fù)雜，系統(tǒng)的響應(yīng)速度、精度要求越來(lái)越高。多軸串聯(lián)控制技術(shù)已在工業(yè)界得到廣泛的應(yīng)用，主要用于消除傳動(dòng)間隙，驅(qū)動(dòng)大慣量、高負(fù)載對(duì)象等。使用多軸串聯(lián)控制技術(shù)既可以改善系統(tǒng)傳動(dòng)間隙的影響，又能夠提升系統(tǒng)的響應(yīng)性能和魯棒性。

　　由于各個(gè)軸之間的驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能存在差異，使用傳統(tǒng)速度控制方案或者主從結(jié)構(gòu)方案都難以達(dá)到理想的控制效果。Y. Koren教授于1980年提出了交叉耦合控制方案，并逐步應(yīng)用于多軸串聯(lián)控制系統(tǒng)中。但是要實(shí)現(xiàn)這種方案，需要復(fù)雜的硬件設(shè)計(jì)、強(qiáng)大的實(shí)時(shí)計(jì)算能力、昂貴的系統(tǒng)配置和較高的系統(tǒng)功耗。

　　Zynq-7000 All Programmable SoC(Zynq-7000 AP SoC)是Xilinx公司推出的新型All Programmable解決方案，是用來(lái)應(yīng)對(duì)高級(jí)運(yùn)動(dòng)控制、實(shí)時(shí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器視覺(jué)以及新一代工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的挑戰(zhàn)。Zynq-7000 AP SoC集成了雙核Cortex-A9 MPCore處理器系統(tǒng)，支持Xilinx 28nm可編程邏輯的ARM TrustZone安全技術(shù)。同時(shí)Zynq-7000內(nèi)部集成了豐富的邏輯資源，其Programmable Logic(PL)部分包含約1.3M等效邏輯門(mén)和220個(gè)DSP Slices。這些邏輯資源提供了完善的高級(jí)運(yùn)動(dòng)控制解決方案。本設(shè)計(jì)通過(guò)ZedBoard開(kāi)發(fā)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從底層驅(qū)動(dòng)至上位機(jī)人機(jī)交互等一整套完整的系統(tǒng)功能。

　　多軸串聯(lián)控制系統(tǒng)

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)借助于ZedBoard開(kāi)發(fā)系統(tǒng)強(qiáng)大的性能和美信公司完善的硬件支持，實(shí)現(xiàn)了快速、高效的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。前期系統(tǒng)模型和分析利用Matlab完成。通過(guò)Matlab與Xilinx產(chǎn)品的相互支持，設(shè)計(jì)者可以快速確定控制器方案和具體實(shí)施細(xì)節(jié)。本設(shè)計(jì)將電機(jī)驅(qū)動(dòng)、交叉補(bǔ)償單元、電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)接口均在ZedBoard開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)外部同時(shí)連接兩臺(tái)直流電機(jī)。各電機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)也通過(guò)接口反饋到上位機(jī)，并可以傳遞給Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和參數(shù)調(diào)試。

　　系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)PI控制器和補(bǔ)償PI控制器均利用PL實(shí)現(xiàn)。由于使用了Xilinx的DSP開(kāi)發(fā)套件System Generator(XSG)，使得開(kāi)發(fā)周期縮短、開(kāi)發(fā)難度降低。在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下，設(shè)計(jì)相關(guān)PID模塊。通過(guò)XSG，系統(tǒng)可以直接生成PL可執(zhí)行模塊。該模塊可以利用Matlab與其他模塊仿真，通過(guò)這項(xiàng)功能進(jìn)行參數(shù)調(diào)整將大大節(jié)約開(kāi)發(fā)的時(shí)間。

　　在此基礎(chǔ)上，本設(shè)計(jì)采用交叉補(bǔ)償方案完成電機(jī)串聯(lián)控制。在單電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)之外，系統(tǒng)增加張力扭矩PI補(bǔ)償，控制兩臺(tái)電機(jī)保持協(xié)同消隙所需要的扭矩關(guān)系。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。張力扭矩軌跡表示兩臺(tái)電機(jī)力矩的關(guān)系。其指令意義表示兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電流指令之差，物理意義表示兩臺(tái)電機(jī)輸出力矩之差。