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《基于ZYNQSoC的多軸運動控制系統(tǒng)方案.doc》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、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:華中科技大學二〇一二年十一月目錄1項目概述11.1工業(yè)應用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項目設計預計效果115附錄一：項目技術基礎135.1軟硬件協(xié)同設計架構(gòu)135.2軟件設計145.3總結(jié)166附錄二：ZYNQ基礎161項目概述1.1工業(yè)應用運動控制系統(tǒng)廣泛應用于工業(yè)自動化領域，包括機器人手臂
2、、裝配生產(chǎn)線、起重設備、數(shù)控加工機床等等。并且隨著高性能永磁材料的發(fā)展、電力電子技術的發(fā)展以及大規(guī)模集成電路和計算機技術的發(fā)展使得永磁同步電機（PMSM，PermanentMagnetSynchronousMotor）控制系統(tǒng)的設計開發(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)行器件的應用也越來越廣泛。大量運動控制器的設計與實現(xiàn)都是基于通用嵌入式處理器。在此基礎上，很多學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)展是為了滿足工業(yè)機器人、工業(yè)傳動等應用需求。其主要包括兩大方面，多軸串聯(lián)控制和
3、多軸同步控制。當系統(tǒng)負載較大、傳動精度要求很高、運行環(huán)境比較復雜的情況下，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天線設備圖1.1多軸串聯(lián)控制系統(tǒng)應用多軸串聯(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。其主要應用場合包括立式車床回轉(zhuǎn)臺、復合車床對向主軸、龍門起重設備。當前，主要驅(qū)動設備廠商都推出有支持多軸串聯(lián)功能的產(chǎn)品。例如Rockwell1336IMPACTACDrive，其采用主從控制方案實現(xiàn)多軸串聯(lián)功能。SIEMENSSINUME
4、RIK840D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。國外也有眾多學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)帶寬與響應速度十分有限。受限于當時單軸驅(qū)動與主從控制器的性能，當系統(tǒng)運行在環(huán)境復雜，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩響應要求較高的場合，主從控制方案難以滿足應用需求。如何充分利用單軸運行狀態(tài)，建立多軸間狀態(tài)關系
5、？如何設計控制器，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，并逐步應用于多軸串聯(lián)控制系統(tǒng)中。隨著電機驅(qū)動技術和嵌入式技術的不斷發(fā)展，交叉耦合控制方案得到了不斷的完善。多位學者針對不同應用對交叉耦合控制方案進行了深入的分析，并設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)控技術等的發(fā)展，高精度的多軸同步控制系統(tǒng)的發(fā)展也越來越快，需求也在逐漸增大。例如在
6、多軸加工機床、多軸雕刻機、貼片機手臂等系統(tǒng)上的應用。在這些工業(yè)應用中，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，當以下情況發(fā)生時，上述方案的局限性就會突顯出來。（1）設備集成度較高，對驅(qū)動電路的體積有一定限制；（2）系統(tǒng)需采用不同通信接口的驅(qū)動設備，難以購買成套設備；（3）當設備數(shù)量和設備間通
7、信的信息量增加時，將對系統(tǒng)通信模塊的設計帶來巨大挑戰(zhàn)。（4）上位機負擔了大量的計算、通信和實時人機交互任務。上位機的成本會隨著系統(tǒng)的復雜程度不斷提高。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)不同設備間的互聯(lián)。系統(tǒng)設備數(shù)量成倍降低，并且可以實現(xiàn)分布式管理。上位機不用負擔計算任務，硬件成本進一步降低。1.1系統(tǒng)方案傳統(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
8、設計難度大，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，需要實時觀測各個電機的工作情況。由于多軸同步控制器參數(shù)整定比較復雜，需要控制器擁有較強的處理計算能力，甚至可以支持在線動態(tài)參數(shù)整定。上述這些功能的實現(xiàn)，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
