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 Al l ProgrammableSoC(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-7000AP 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P I 控制器均利用P L 實(shí)現(xiàn)。由于使用了Xilinx的DSP開(kāi)發(fā)套件System Ge n e r a to r (XSG) ， 使得開(kāi)發(fā)周期縮短、開(kāi)發(fā)難度降低。在Ma t l ab/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。

上述控制器使用Zynq-7000 AP SoC設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。Processing System(PS)移植實(shí)現(xiàn)了 Natural Tiny Shell(NTShell—一種小型嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)源命令解析器)作為人機(jī)交互界面。PL部分實(shí)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(gè)含有AXI從機(jī)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(kāi)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(shí)現(xiàn)了控制指令信號(hào)的完整性和實(shí)時(shí)性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了控制器參數(shù)動(dòng)態(tài)配置。系統(tǒng)通過(guò)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(guò)PS發(fā)送至PC終端的信號(hào)量包括各個(gè)控制器的參數(shù)、速度信號(hào)偏差、電流信號(hào)偏差、補(bǔ)償器輸出等。通過(guò)PC終端，用戶可以設(shè)置各個(gè)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)考察選型，綜合價(jià)格、供貨穩(wěn)定性、驅(qū)動(dòng)器本身性能，本電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案使用半橋型驅(qū)動(dòng)器BTS7960芯片。該驅(qū)動(dòng)器能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流43A，輸入最大電壓45V。本設(shè)計(jì)電源管理芯片使用美信公司芯片MAX603實(shí)現(xiàn)5V穩(wěn)壓。

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

PL硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，Zynq的PL部分實(shí)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(hào)處理模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、多軸控制器模塊、電機(jī)接口模塊等。各個(gè)部分之間采用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行跳轉(zhuǎn)。采用PL實(shí)現(xiàn)上述功能，可以讓系統(tǒng)實(shí)時(shí)高速運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)無(wú)縫信息交換。具體硬件設(shè)計(jì)框圖如圖所示。

在上述硬件框圖基礎(chǔ)上，運(yùn)用PL實(shí)現(xiàn)通用計(jì)數(shù)器模塊。此模塊用于控制整個(gè)狀態(tài)機(jī)的跳轉(zhuǎn)。模塊計(jì)數(shù)溢出信號(hào)作為狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)的標(biāo)志信號(hào)。通過(guò)嚴(yán)格的時(shí)序控制，可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的復(fù)用和信號(hào)同步翻轉(zhuǎn)。如系統(tǒng)中的兩個(gè)電機(jī)速度閉環(huán)控制器和補(bǔ)償PI控制器就是時(shí)分復(fù)用了同一個(gè)PID控制器模塊。而系統(tǒng)包含兩個(gè)PWM模塊，這樣可以保證電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)并行更新和執(zhí)行。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及開(kāi)發(fā)環(huán)境如圖3所示。其中包括Xilinx ISE Design Suit 14.1開(kāi)發(fā)環(huán)境、雙電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、ZedBoard、11.1V-3S1P鋰電池。

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完整的系統(tǒng)在Z e d B o a r d 的XC7Z20芯片上實(shí)現(xiàn)，僅占用PL的1119個(gè)Slices、3個(gè)DSP48E1s，為該芯片PL資源的8%。可見(jiàn)本系統(tǒng)僅占用很少的片上資源就實(shí)現(xiàn)了多軸串聯(lián)控制系統(tǒng)。部分模塊通過(guò)時(shí)序控制進(jìn)行了復(fù)用，實(shí)現(xiàn)了資源的高效利用率。

總結(jié)
本系統(tǒng)利用基于Xilinx Zynq-7000AP SoC系列處理器的ZedBoard開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多軸串聯(lián)控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)：

(1)實(shí)現(xiàn)多軸控制算法及電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，可驅(qū)動(dòng)至少2臺(tái)電機(jī)運(yùn)行于串聯(lián)連接狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)可有效發(fā)揮各單軸驅(qū)動(dòng)性能，保證系統(tǒng)響應(yīng)迅速，抗擾動(dòng)能力強(qiáng)。

(2)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于NT-Shell的人機(jī)交互界面。用戶可利用上位機(jī)調(diào)試和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)可以在線動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)通用性強(qiáng)，可應(yīng)用于不同場(chǎng)合。

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

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