OpenHW12项目申请

基于ZYNQ SoC的多轴运动控制系统

安富利特别题目

基于Zynq平台的伺服控制或运动控制系统

项目成员：顾强 牛盼情 孙佳将 马浩

华中科技大学

二〇一二年十一月

OpenHW12 基于ZYNQ SoC的多轴运动控制系统

I 目录

1 项目概述 ......................................................................... 1

1.1 工业应用............................................................................. 1

1.2 系统方案............................................................................. 3

2 工作原理介绍 .................................................................. 6

3 项目系统框架图 .............................................................. 8

3.1 ZYNQ硬件系统框架图 ....................................................... 8

3.2 软件系统框架图 ................................................................. 9

3.3 多轴控制器实现 ............................................................... 10

4 项目设计预计效果 ........................................................ 11

5 附录一：项目技术基础 ................................................ 13

5.1 软硬件协同设计架构 ....................................................... 13

5.2 软件设计........................................................................... 14

5.3 总结 .................................................................................. 16

6 附录二：ZYNQ基础 ...................................................... 16

OpenHW12 基于ZYNQ SoC的多轴运动控制系统

1 1 项目概述

1.1 工业应用

运动控制系统广泛应用于工业自动化领域，包括机器人手臂、装配生产线、起重设备、数控加工机床等等。并且随着高性能永磁材料的发展、电力电子技术的发展以及大规模集成电路和计算机技术的发展使得永磁同步电机（PMSM，Permanent Magnet Synchronous Motor）控制系统的设计开发难度降低、成本降低，同时PMSM在运动控制系统中作为执行器件的应用也越来越广泛。大量运动控制器的设计与实现都是基于通用嵌入式处理器。在此基础上，很多学者和研究人员对运动控制系统进行了大量的研究。

多轴控制的发展是为了满足工业机器人、工业传动等应用需求。其主要包括两大方面，多轴串联控制和多轴同步控制。当系统负载较大、传动精度要求很高、运行环境比较复杂的情况下，经常使用多轴串联的方式来解决，如图1.1所示。

（1）双电机齿条传动 （2）NASA 70-m天线设备

图1.1 多轴串联控制系统应用 OpenHW12 基于ZYNQ SoC的多轴运动控制系统

2 多轴串联控制器可以实现包括多轴力矩动态分配、传动补偿校正、多轴位置/速度同步等功能。其主要应用场合包括立式车床回转台、复合车床对向主轴、龙门起重设备。

当前，主要驱动设备厂商都推出有支持多轴串联功能的产品。例如Rockwell 1336 IMPACT AC Drive，其采用主从控制方案实现多轴串联功能。SIEMENS SINUMERIK 840D则采用交叉耦合控制（CCC, cross

couple control）方案。FANUC、ABB、Mitsubishi electric都有类似功能的驱动产品。国内外也有众多学者进行了大量的研究。在20世纪70年代，主从控制方案由于系统结构简单、调试方便被广泛用于这类应用中。然而，主从控制方案未能充分发挥各单轴驱动的性能，系统带宽与响应速度十分有限。受限于当时单轴驱动与主从控制器的性能，当系统运行在环境复杂，转速、转矩响应要求较高的场合，主从控制方案难以满足应用需求。如何充分利用单轴运行状态，建立多轴间状态关系？如何设计控制器，对整个系统进行控制补偿，实现多轴之间的协调同步。针对上述问题，Y. Koren于1980年提出了交叉耦合控制方案，并逐步应用于多轴串联控制系统中。随着电机驱动技术和嵌入式技术的不断发展，交叉耦合控制方案得到了不断的完善。多位学者针对不同应用对交叉耦合控制方案进行了深入的分析，并设计控制算法对各个轴的位置、速度、转矩信号进行补偿和协调。所设计的交叉耦合控制器已在不同的数字处理器平台中得到实现，取得了良好的控制效果。

随着数控技术等的发展，高精度的多轴同步控制系统的发展也越OpenHW12 基于ZYNQ SoC的多轴运动控制系统

3 来越快，需求也在逐渐增大。例如在多轴加工机床、多轴雕刻机、贴片机手臂等系统上的应用。在这些工业应用中，对多台电机运动控制协调的精度需求也不断增加。

上述的应用和研究方案，大多采用多个驱动单元分布式安装控制，通过工业以太网或者现场总线通信。串联协同和同步控制的计算处理主要在上位机中完成。这种方案灵活可靠，应用广泛，特别适合于大型分布式系统，如自动化生产线、重型机床。

然而，当以下情况发生时，上述方案的局限性就会突显出来。

（1）设备集成度较高，对驱动电路的体积有一定限制；

（2） 系统需采用不同通信接口的驱动设备，难以购买成套设备；

（3）当设备数量和设备间通信的信息量增加时，将对系统通信模块的设计带来巨大挑战。

（4）上位机负担了大量的计算、通信和实时人机交互任务。上位机的成本会随着系统的复杂程度不断提高。

本方案针对上述问题，依托ZYNQ SoC丰富灵活的资源配置，将单电机驱动控制算法、多轴控制算法、实时人机交互集成于ZYNQ SoC中。系统集成化程度得到全面的提升，配置更加灵活，可以实现不同设备间的互联。系统设备数量成倍降低，并且可以实现分布式管理。上位机不用负担计算任务，硬件成本进一步降低。

1.2 系统方案

传统数字处理器实现多轴串联控制器的方案存在诸多限制。交叉OpenHW12 基于ZYNQ SoC的多轴运动控制系统

4 耦合控制器设计难度大，实现困难。为了实现各个电机驱动间的连接，使得系统可以运用于不同的场合，系统需要匹配不同的电机驱动接口。为了实现转矩的动态分配和传动补偿，需要实时观测各个电机的工作情况。由于多轴同步控制器参数整定比较复杂，需要控制器拥有较强的处理计算能力，甚至可以支持在线动态参数整定。上述这些功能的实现，需要复杂的硬件设计、强大的实时计算能力、昂贵的系统配置和较高的系统功耗。针对上述需求，如何通过改进系统结构，采用高效的开发方法和工具实现多轴串联控制系统，具有重要的应用价值和学术研究价值。

本设计通过齿轮传动，将多台PMSM电机装配在一起，为系统提供更大的力矩输出和更高的带宽。我们通过设计多轴串联控制系统，将不同的电机驱动连接起来，控制各个驱动器保持实时协调同步。并且，该系统还将包括多轴串联控制器辅助调试和可视化人机交互接口等一系列功能。

我们将双轴PMSM电机共同连接在一个较大的齿轮盘上，并在齿轮中央同轴安装一台PMSM电机。实现大齿轮盘与中间同轴电机的旋转同步。系统实现3D效果图如下图1.3所示。

本设计拟将多轴控制系统从底层驱动至上位机人机交互等一整套完整的功能，通过分层实现的方法逐一实现PMSM驱动、驱动级协同、基于操作系统的人机交互等层次设计。在进一步提高系统效率和通用性、降低硬件成本的基础上，保证系统的完整性，为用户调试和使用提供方便。 OpenHW12 基于ZYNQ SoC的多轴运动控制系统

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图 1.3 系统整体测试台效果图

ZED开发系统采用Xilinx Zynq-7000系列处理器。Zynq-7000系列处理器基于Xilinx可扩展处理平台。单片处理器拥有双核ARM Cortex-

A9处理系统和28nm Xilinx 7系列可编程逻辑单元。其可编程逻辑单元通过动态可重配置可以实现不同电机驱动接口的连接。高速片内总线实现信息在Zynq-7000处理单元间的无缝传递。丰富的外部设备接口保证Zynq-7000处理器对系统状态的实时观测。Zynq-7000处理器强大的处理能力、丰富的计算手段可以实现多轴串联控制器参数的在线整定。在此基础上，双核ARM Cortex-A9处理系统可以实现系统任务实时管理与人机交互。相比数字信号处理器（DSP, digital signal

processor）和工控机（IPC，industry personal computer），基于可编程逻辑单元的控制器可以发挥其并行处理的优势，在更短的时间实现复杂的控制算法。这样，基于Xilinx Zynq-7000系列处理器的ZED开发系统可以实现一整套多轴同步控制系统。从底层的多轴串联控制算法，到系统上层的人机交互与基于模型的计算机辅助调试功能，都可OpenHW12 基于ZYNQ SoC的多轴运动控制系统

6 以在一块芯片中完成。因此，整个系统的低功耗和电路的可复用性也可以实现。同时，上述方案与ASIC（application-specific integrated

circuit）相比，该方案通用性优势明显，且系统成本大幅度降低。

所以，采用ZED开发系统设计多轴同步控制系统，不仅对多轴控制系统的发展、推广有重要的工程应用价值。同时，将有助于多轴控制系统的理论分析与工程设计相结合，具有学术研究价值。与此同时，本项目将采用嵌入式软/硬件协同设计的方式进行开发，借助ZED开发系统的技术支撑，力求在开发效率、开发成本和系统性能等方面得到全面的优化。

2 工作原理介绍

图2.1 系统工作原理图

借助于ZED开发板强大的性能和完善的设计软件，可以实现快