基于zynqsoc的多軸運動控制系統(tǒng)

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1、WORD格式可編輯OpenHW12項目申請基于ZYNQSoC的多軸運動控制系統(tǒng)安富利特別題目基于Zynq平臺的伺服控制或運動控制系統(tǒng)項目成員：顧強牛盼情孫佳將馬浩華中科技大學(xué)二〇一二年十一月專業(yè)知識整理分享WORD格式可編輯目錄1項目概述11.1工業(yè)應(yīng)用11.2系統(tǒng)方案32工作原理介紹63項目系統(tǒng)框架圖83.1ZYNQ硬件系統(tǒng)框架圖83.2軟件系統(tǒng)框架圖93.3多軸控制器實現(xiàn)104項目設(shè)計預(yù)計效果115附錄一：項目技術(shù)基礎(chǔ)135.1軟硬件協(xié)同設(shè)計架構(gòu)135.2軟件設(shè)計145.3總結(jié)166附錄二：ZYNQ基礎(chǔ)16專業(yè)知識整理分享W

2、ORD格式可編輯1項目概述1.1工業(yè)應(yīng)用運動控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域，包括機器人手臂、裝配生產(chǎn)線、起重設(shè)備、數(shù)控加工機床等等。并且隨著高性能永磁材料的發(fā)展、電力電子技術(shù)的發(fā)展以及大規(guī)模集成電路和計算機技術(shù)的發(fā)展使得永磁同步電機（PMSM，PermanentMagnetSynchronousMotor）控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)難度降低、成本降低，同時PMSM在運動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行器件的應(yīng)用也越來越廣泛。大量運動控制器的設(shè)計與實現(xiàn)都是基于通用嵌入式處理器。在此基礎(chǔ)上，很多學(xué)者和研究人員對運動控制系統(tǒng)進行了大量的研究。多軸控制的發(fā)

3、展是為了滿足工業(yè)機器人、工業(yè)傳動等應(yīng)用需求。其主要包括兩大方面，多軸串聯(lián)控制和多軸同步控制。當(dāng)系統(tǒng)負載較大、傳動精度要求很高、運行環(huán)境比較復(fù)雜的情況下，經(jīng)常使用多軸串聯(lián)的方式來解決，如圖1.1所示。（1）雙電機齒條傳動（2）NASA70-m天線設(shè)備圖1.1多軸串聯(lián)控制系統(tǒng)應(yīng)用專業(yè)知識整理分享WORD格式可編輯多軸串聯(lián)控制器可以實現(xiàn)包括多軸力矩動態(tài)分配、傳動補償校正、多軸位置/速度同步等功能。其主要應(yīng)用場合包括立式車床回轉(zhuǎn)臺、復(fù)合車床對向主軸、龍門起重設(shè)備。當(dāng)前，主要驅(qū)動設(shè)備廠商都推出有支持多軸串聯(lián)功能的產(chǎn)品。例如Rockwell

4、1336IMPACTACDrive，其采用主從控制方案實現(xiàn)多軸串聯(lián)功能。SIEMENSSINUMERIK840D則采用交叉耦合控制（CCC,crosscouplecontrol）方案。FANUC、ABB、Mitsubishielectric都有類似功能的驅(qū)動產(chǎn)品。國內(nèi)外也有眾多學(xué)者進行了大量的研究。在20世紀70年代，主從控制方案由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便被廣泛用于這類應(yīng)用中。然而，主從控制方案未能充分發(fā)揮各單軸驅(qū)動的性能，系統(tǒng)帶寬與響應(yīng)速度十分有限。受限于當(dāng)時單軸驅(qū)動與主從控制器的性能，當(dāng)系統(tǒng)運行在環(huán)境復(fù)雜，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)要求

5、較高的場合，主從控制方案難以滿足應(yīng)用需求。如何充分利用單軸運行狀態(tài)，建立多軸間狀態(tài)關(guān)系？如何設(shè)計控制器，對整個系統(tǒng)進行控制補償，實現(xiàn)多軸之間的協(xié)調(diào)同步。針對上述問題，Y.Koren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。隨著電機驅(qū)動技術(shù)和嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，交叉耦合控制方案得到了不斷的完善。多位學(xué)者針對不同應(yīng)用對交叉耦合控制方案進行了深入的分析，并設(shè)計控制算法對各個軸的位置、速度、轉(zhuǎn)矩信號進行補償和協(xié)調(diào)。所設(shè)計的交叉耦合控制器已在不同的數(shù)字處理器平臺中得到實現(xiàn)，取得了良好的控制效果。隨著數(shù)控技術(shù)等的

6、發(fā)展，高精度的多軸同步專業(yè)知識整理分享WORD格式可編輯控制系統(tǒng)的發(fā)展也越來越快，需求也在逐漸增大。例如在多軸加工機床、多軸雕刻機、貼片機手臂等系統(tǒng)上的應(yīng)用。在這些工業(yè)應(yīng)用中，對多臺電機運動控制協(xié)調(diào)的精度需求也不斷增加。上述的應(yīng)用和研究方案，大多采用多個驅(qū)動單元分布式安裝控制，通過工業(yè)以太網(wǎng)或者現(xiàn)場總線通信。串聯(lián)協(xié)同和同步控制的計算處理主要在上位機中完成。這種方案靈活可靠，應(yīng)用廣泛，特別適合于大型分布式系統(tǒng)，如自動化生產(chǎn)線、重型機床。然而，當(dāng)以下情況發(fā)生時，上述方案的局限性就會突顯出來。（1）設(shè)備集成度較高，對驅(qū)動電路的體積有一

7、定限制；（2）系統(tǒng)需采用不同通信接口的驅(qū)動設(shè)備，難以購買成套設(shè)備；（3）當(dāng)設(shè)備數(shù)量和設(shè)備間通信的信息量增加時，將對系統(tǒng)通信模塊的設(shè)計帶來巨大挑戰(zhàn)。（4）上位機負擔(dān)了大量的計算、通信和實時人機交互任務(wù)。上位機的成本會隨著系統(tǒng)的復(fù)雜程度不斷提高。本方案針對上述問題，依托ZYNQSoC豐富靈活的資源配置，將單電機驅(qū)動控制算法、多軸控制算法、實時人機交互集成于ZYNQSoC中。系統(tǒng)集成化程度得到全面的提升，配置更加靈活，可以實現(xiàn)不同設(shè)備間的互聯(lián)。系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量成倍降低，并且可以實現(xiàn)分布式管理。上位機不用負擔(dān)計算任務(wù)，硬件成本進一步降低。1

8、.1系統(tǒng)方案專業(yè)知識整理分享WORD格式可編輯傳統(tǒng)數(shù)字處理器實現(xiàn)多軸串聯(lián)控制器的方案存在諸多限制。交叉耦合控制器設(shè)計難度大，實現(xiàn)困難。為了實現(xiàn)各個電機驅(qū)動間的連接，使得系統(tǒng)可以運用于不同的場合，系統(tǒng)需要匹配不同的電機驅(qū)動接口。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的動態(tài)分配和傳動補償，需