摘要：嵌入式技術突飛猛進的發(fā)展，為運動控制系統(tǒng)的研究和應用注入了新的活力，并且使得開發(fā)成本和周期都大為縮減。本論文將多電機驅動、電機控制器、多電機串聯(lián)控制器、在線調試等功能在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)使用集成半橋驅動器BTS7960實現(xiàn)了高效電機驅動板設計。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(tǒng)功能的基礎上，有效地縮短了開發(fā)時間。

引言

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

由于各個軸之間的驅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(tǒng)中。但是要實現(xiàn)這種方案，需要復雜的硬件設計、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 Al l ProgrammableSoC(Zynq-7000 AP SoC)是Xilinx公司推出的新型All Programmable解決方案，是用來應對高級運動控制、實時工業(yè)網絡、機器視覺以及新一代工業(yè)自動化應用的挑戰(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。同時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。本設計通過ZedBoard開發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)了從底層驅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產品的相互支持，設計者可以快速確定控制器方案和具體實施細節(jié)。本設計將電機驅動、交叉補償單元、電機標準接口均在ZedBoard開發(fā)系統(tǒng)中應用實現(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進行數據分析和參數調試。

系統(tǒng)的電機驅動PI控制器和補償P I 控制器均利用P L 實現(xiàn)。由于使用了Xilinx的DSP開發(fā)套件System Ge n e r a to r (XSG) ， 使得開發(fā)周期縮短、開發(fā)難度降低。在Ma t l ab/Simulink仿真環(huán)境下，設計相關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調整將大大節(jié)約開發(fā)的時間。

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。在單電機驅動結構之外，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系。所設計的系統(tǒng)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系。其指令意義表示兩臺電機驅動的電流指令之差，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內部總線通道M_AXI_GP總線作為PS和PL的指令、數據傳輸通道。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。總線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的工具向導“Create and Import Peripheral Wizard”的幫助下完成。本系統(tǒng)借助AXI內部總線實現(xiàn)了控制指令信號的完整性和實時性，進而實現(xiàn)了控制器參數動態(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、速度信號偏差、電流信號偏差、補償器輸出等。通過PC終端，用戶可以設置各個控制器參數、速度設定值、張力扭矩軌跡值等等。

基于ZedBoard的運動控制系統(tǒng)電機驅動設計經過考察選型，綜合價格、供貨穩(wěn)定性、驅動器本身性能，本電機驅動方案使用半橋型驅動器BTS7960芯片。該驅動器能夠實現(xiàn)驅動電流43A，輸入最大電壓45V。本設計電源管理芯片使用美信公司芯片MAX603實現(xiàn)5V穩(wěn)壓。

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

PL硬件設計

本設計中，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)機進行跳轉。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。具體硬件設計框圖如圖所示。

在上述硬件框圖基礎上，運用PL實現(xiàn)通用計數器模塊。此模塊用于控制整個狀態(tài)機的跳轉。模塊計數溢出信號作為狀態(tài)機跳轉的標志信號。通過嚴格的時序控制，可以實現(xiàn)各個模塊的復用和信號同步翻轉。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、電機驅動模塊、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行了復用，實現(xiàn)了資源的高效利用率。

總結
本系統(tǒng)利用基于Xilinx Zynq-7000AP 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)。設計主要實現(xiàn)：

(1)實現(xiàn)多軸控制算法及電機驅動控制，可驅動至少2臺電機運行于串聯(lián)連接狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)可有效發(fā)揮各單軸驅動性能，保證系統(tǒng)響應迅速，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試和監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)參數可以在線動態(tài)配置。

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

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

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