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(jìn)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(kuò)展系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，有效地縮短了開發(fā)時間。

關(guān)鍵詞：Zynq-7000 AP SoC；多軸串聯(lián)控制；集成電機驅(qū)動器

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.1.008

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(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(jìn)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(jìn)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。

上述控制器使用Zynq-7000 AP SoC設(shè)計實現(xiàn)。Processing System（PS）移植實現(xiàn)了 Natural Tiny Shell（NTShell—一種小型嵌入式系統(tǒng)的開源命令解析器）作為人機交互界面。PL部分實現(xiàn)了系統(tǒng)控制算法。系統(tǒng)采用 Zynq-7000 AP SoC內(nèi)部總線通道M_ AXI_GP總線作為PS和PL的指令、數(shù)據(jù)傳輸通道。系統(tǒng)控制器作為一個含有AXI從機接口的IP核掛載在M_AXI_ GP總線上?？偩€接口以及用戶代碼的移植和IP核的封裝，都是在Xilinx開發(fā)環(huán)境XPS的工具向?qū)А癈reate and Import Peripheral Wizard”的幫助下完成。本系統(tǒng)借助AXI內(nèi)部總線實現(xiàn)了控制指令信號的完整性和實時性，進(jìn)而實現(xiàn)了控制器參數(shù)動態(tài)配置。系統(tǒng)通過Universal/Asynchronous Receiver/Transmitter（UART）與Personal Computer（PC）串口終端通信，并可以將系統(tǒng)信息直接顯示在終端界面中。PL可以通過PS發(fā)送至PC終端的信號量包括各個控制器的參數(shù)、速度信號偏差、電流信號偏差、補償器輸出等。通過PC終端，用戶可以設(shè)置各個控制器參數(shù)、速度設(shè)定值、張力扭矩軌跡值等等。

基于ZedBoard的運動控制系統(tǒng)

電機驅(qū)動設(shè)計

經(jīng)過考察選型，綜合價格、供貨穩(wěn)定性、驅(qū)動器本身性能，本電機驅(qū)動方案使用半橋型驅(qū)動器BTS7960芯片。該驅(qū)動器能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動電流43A，輸入最大電壓45V。本設(shè)計電源管理芯片使用美信公司芯片MAX603實現(xiàn)5V穩(wěn)壓。

驅(qū)動板原理圖如圖2所示。該設(shè)計使用額定電壓11.1V的鋰電池供電，經(jīng)過穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓輸出5V電平。5V電平為驅(qū)動板上所有數(shù)字邏輯電路和增量式編碼器供電。驅(qū)動板輸入信號為多軸控制器輸出的Pulse-Width Modulation（PWM）信號和電機轉(zhuǎn)動方向信號。該兩路信號經(jīng)過驅(qū)動邏輯電路處理后輸入到BTS7960芯片上。兩個BTS7960芯片組成H橋型電機驅(qū)動電路。

PL硬件設(shè)計

本設(shè)計中，Zynq的PL部分實現(xiàn)了多軸串聯(lián)控制器。其中的主要單元包括PS-PL系統(tǒng)通信模塊、信號處理模塊、電機驅(qū)動模塊、多軸控制器模塊、電機接口模塊等。各個部分之間采用狀態(tài)機進(jìn)行跳轉(zhuǎn)。采用PL實現(xiàn)上述功能，可以讓系統(tǒng)實時高速運行，并實現(xiàn)無縫信息交換。具體硬件設(shè)計框圖如圖所示。

在上述硬件框圖基礎(chǔ)上，運用PL實現(xiàn)通用計數(shù)器模塊。此模塊用于控制整個狀態(tài)機的跳轉(zhuǎn)。模塊計數(shù)溢出信號作為狀態(tài)機跳轉(zhuǎn)的標(biāo)志信號。通過嚴(yán)格的時序控制，可以實現(xiàn)各個模塊的復(fù)用和信號同步翻轉(zhuǎn)。如系統(tǒng)中的兩個電機速度閉環(huán)控制器和補償PI控制器就是時分復(fù)用了同一個PID控制器模塊。而系統(tǒng)包含兩個PWM模塊，這樣可以保證電機的驅(qū)動信號并行更新和執(zhí)行。

系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)實驗平臺及開發(fā)環(huán)境如圖3所示。其中包括Xilinx ISE Design Suit 14.1開發(fā)環(huán)境、雙電機實驗平臺、電機驅(qū)動模塊、ZedBoard、11.1V-3S1P鋰電池。

完整的系統(tǒng)在Z ed B oa rd的XC7Z20芯片上實現(xiàn)，僅占用PL的1119個Slices、3個DSP48E1s，為該芯片PL資源的8%?？梢姳鞠到y(tǒng)僅占用很少的片上資源就實現(xiàn)了多軸串聯(lián)控制系統(tǒng)。部分模塊通過時序控制進(jìn)行了復(fù)用，實現(xiàn)了資源的高效利用率。

總結(jié)

本系統(tǒng)利用基于Xilinx Zynq-7000 AP SoC系列處理器的ZedBoard開發(fā)平臺，實現(xiàn)多軸串聯(lián)控制系統(tǒng)。設(shè)計主要實現(xiàn)：

（1）實現(xiàn)多軸控制算法及電機驅(qū)動控制，可驅(qū)動至少2臺電機運行于串聯(lián)連接狀態(tài)。控制系統(tǒng)可有效發(fā)揮各單軸驅(qū)動性能，保證系統(tǒng)響應(yīng)迅速，抗擾動能力強。

（2）系統(tǒng)實現(xiàn)了基于NT-Shell的人機交互界面。用戶可利用上位機調(diào)試和監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)可以在線動態(tài)配置。

（3）系統(tǒng)支持可重配置通用接口，可連接不同電機驅(qū)動。系統(tǒng)通用性強，可應(yīng)用于不同場合。

（4）項目采用軟/硬件協(xié)同設(shè)計方式進(jìn)行開發(fā)。系統(tǒng)開發(fā)效率高，并且易于根據(jù)用戶需求開發(fā)定制型服務(wù)和擴(kuò)展功能。

（5）利用Matlab科學(xué)計算軟件協(xié)助嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和控制器的設(shè)計與調(diào)試，提高控制器開發(fā)的效率和靈活性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 與非網(wǎng).賽靈思Zynq-7000 All Programmable SoC加速工業(yè)自動化生產(chǎn)力[EB/OL]. http：//www.openhw.org/ article/12-11/261353988798.html？sort=1129_1551_0_0

[2] Zynq-7000 EPP Technical Reference Manual UG585[Z]. v1.1.Xilinx Inc.， 2012-06-25

[3] Zynq-7000 EPP Software Developers Guide UG821[Z]. v2.0.Xilinx Inc.， 2012-04-24

[4] MAX603/MAX604 5V/3.3V or Adjustable， Low-Dropout， Low IQ， 500mA Linear Regulators[Z].Maxim Integrated Inc.[5] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)（自動控制系統(tǒng)）[M].第三版.北京：機械工業(yè)出版社，2003