ZedBoard開發(fā)平臺的多軸串聯(lián)控制系統(tǒng)

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

　　引言

　　運動控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(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，主要用于消除傳動間隙，驅(qū)動大慣量、高負(fù)載對象等。使用多軸串聯(lián)控制技術(shù)既可以改善系統(tǒng)傳動間隙的影響，又能夠提升系統(tǒng)的響應(yīng)性能和魯棒性。

　　由于各個軸之間的驅(qū)動電機性能存在差異，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。但是要實現(xiàn)這種方案，需要復(fù)雜的硬件設(shè)計、強大的實時計算能力、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，是用來應(yīng)對高級運動控制、實時工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、機器視覺以及新一代工業(yè)自動化應(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等效邏輯門和220個DSP Slices。這些邏輯資源提供了完善的高級運動控制解決方案。本設(shè)計通過ZedBoard開發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)了從底層驅(qū)動至上位機人機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)計借助于ZedBoard開發(fā)系統(tǒng)強大的性能和美信公司完善的硬件支持，實現(xiàn)了快速、高效的系統(tǒng)開發(fā)。前期系統(tǒng)模型和分析利用Matlab完成。通過Matlab與Xilinx產(chǎn)品的相互支持，設(shè)計者可以快速確定控制器方案和具體實施細(xì)節(jié)。本設(shè)計將電機驅(qū)動、交叉補償單元、電機標(biāo)準(zhǔn)接口均在ZedBoard開發(fā)系統(tǒng)中應(yīng)用實現(xiàn)。系統(tǒng)外部同時連接兩臺直流電機。各電機的實時狀態(tài)也通過接口反饋到上位機，并可以傳遞給Matlab進行數(shù)據(jù)分析和參數(shù)調(diào)試。

　　系統(tǒng)的電機驅(qū)動PI控制器和補償PI控制器均利用PL實現(xiàn)。由于使用了Xilinx的DSP開發(fā)套件System Generator(XSG)，使得開發(fā)周期縮短、開發(fā)難度降低。在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下，設(shè)計相關(guān)PID模塊。通過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，通過這項功能進行參數(shù)調(diào)整將大大節(jié)約開發(fā)的時間。

　　在此基礎(chǔ)上，本設(shè)計采用交叉補償方案完成電機串聯(lián)控制。在單電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)之外，系統(tǒng)增加張力扭矩PI補償，控制兩臺電機保持協(xié)同消隙所需要的扭矩關(guān)系。所設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。張力扭矩軌跡表示兩臺電機力矩的關(guān)系。其指令意義表示兩臺電機驅(qū)動的電流指令之差，物理意義表示兩臺電機輸出力矩之差?！　?/p>