ZedBoard開(kāi)發(fā)平臺的多軸串聯(lián)控制系統

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

　　引言

　　運動(dòng)控制系統廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。系統需求日漸復雜，系統的響應速度、精度要求越來(lái)越高。多軸串聯(lián)控制技術(shù)已在工業(yè)界得到廣泛的應用，主要用于消除傳動(dòng)間隙，驅動(dòng)大慣量、高負載對象等。使用多軸串聯(lián)控制技術(shù)既可以改善系統傳動(dòng)間隙的影響，又能夠提升系統的響應性能和魯棒性。

　　由于各個(gè)軸之間的驅動(dòng)電機性能存在差異，使用傳統速度控制方案或者主從結構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，并逐步應用于多軸串聯(lián)控制系統中。但是要實(shí)現這種方案，需要復雜的硬件設計、強大的實(shí)時(shí)計算能力、昂貴的系統配置和較高的系統功耗。

　　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)應對高級運動(dòng)控制、實(shí)時(shí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )、機器視覺(jué)以及新一代工業(yè)自動(dòng)化應用的挑戰。Zynq-7000 AP SoC集成了雙核Cortex-A9 MPCore處理器系統，支持Xilinx 28nm可編程邏輯的ARM TrustZone安全技術(shù)。同時(shí)Zynq-7000內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運動(dòng)控制解決方案。本設計通過(guò)ZedBoard開(kāi)發(fā)系統實(shí)現了從底層驅動(dòng)至上位機人機交互等一整套完整的系統功能。

　　多軸串聯(lián)控制系統

　　本系統設計借助于ZedBoard開(kāi)發(fā)系統強大的性能和美信公司完善的硬件支持，實(shí)現了快速、高效的系統開(kāi)發(fā)。前期系統模型和分析利用Matlab完成。通過(guò)Matlab與Xilinx產(chǎn)品的相互支持，設計者可以快速確定控制器方案和具體實(shí)施細節。本設計將電機驅動(dòng)、交叉補償單元、電機標準接口均在ZedBoard開(kāi)發(fā)系統中應用實(shí)現。系統外部同時(shí)連接兩臺直流電機。各電機的實(shí)時(shí)狀態(tài)也通過(guò)接口反饋到上位機，并可以傳遞給Matlab進(jìn)行數據分析和參數調試。

　　系統的電機驅動(dòng)PI控制器和補償PI控制器均利用PL實(shí)現。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，設計相關(guān)PID模塊。通過(guò)XSG，系統可以直接生成PL可執行模塊。該模塊可以利用Matlab與其他模塊仿真，通過(guò)這項功能進(jìn)行參數調整將大大節約開(kāi)發(fā)的時(shí)間。

　　在此基礎上，本設計采用交叉補償方案完成電機串聯(lián)控制。在單電機驅動(dòng)結構之外，系統增加張力扭矩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。所設計的系統結構框圖如圖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動(dòng)的電流指令之差，物理意義表示兩臺電機輸出力矩之差?！　?/p>