基于ZYNQSoC的多轴运动控制系统

1、专业知识整理分享OpenHW12项目申请基于ZYNQSoC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O二年月目录TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 1项目概述1 HYPERLINK l bookmark10 工业应用1 HYPERLINK l bookmark12 系统方案3 HYPERLINK l bookmark14 2工作原理介绍6 HYPERLINK l bookmark16 3项目系统框架图8 HYPERLINK l bookmark18 ZYNQ硬件系统框架图8 HYPER

2、LINK l bookmark20 软件系统框架图9 HYPERLINK l bookmark22 多轴控制器实现10 HYPERLINK l bookmark24 4项目设计预计效果11 HYPERLINK l bookmark26 附录一:项目技术基础13 HYPERLINK l bookmark28 软硬件协同设计架构13 HYPERLINK l bookmark30 软件设计14 HYPERLINK l bookmark32 总结16 HYPERLINK l bookmark34 附录二:ZYNQ基础161项目概述11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

3、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,PermanentMagnetSynchronousMotor)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

4、联的方式来解决，如图1.1所示。(1)双电机齿条传动(2)NASA70-m天线设备图1.1多轴串联控制系统应用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Rockwell1336IMPACTACDrive,其采用主从控制方案实现多轴串联功能。SIEMENSSINUMERIK840D则采用交叉耦合控制(CCC,crosscouplecontrol)方案。FANUC、ABB、Mitsubishielectric都有类似功能的驱动产品。国

5、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

6、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

7、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。设备集成度较高，对驱动电路的体积有一定限制；系统需采用不同通信接口的驱动设备,难以购买成套设备；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。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ZYNQSoC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ZYNQSoC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

8、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

9、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，

10、保证系统的完整性，为用户调试和使用提供方便。图1.3系统整体测试台效果图ZED开发系统采用XilinxZynq-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ARMCortex-A9处理系统和28nmXilinx7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ARMCor

11、tex-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,digitalsignalprocessor)和工控机(IPC，industrypersonalcomputer)，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XilinxZynq-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

12、integratedcircuit)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Matlab多轴串联控希器状态观测器/IN/1_Jrz标准接口轴1Q轴2Q电机驱动板单电机驱动控制器$g单电机驱动控制器上位机电机驱动板轴3。轴4。ZED开发系统图2.1系统工作原理图

13、借助于ZED开发板强大的性能和完善的设计软件，可以实现快速、高效的系统开发。系统工作原理如图2.1所示。前期系统模型和分析利用Matlab完成。通过Matlab与Xilinx产品的相互支持，设计者可以快速确定控制器方案和具体实施细节，包括多轴串联控制器、多轴同步控制器、状态观测器等。控制信号通过标准接口传递给各个电机驱动，控制各轴的运动。各轴的实时状态也通过接口反馈到上位机，并可以传递给Matlab进行数据分析和参数调试。针对多轴串联控制器，本设计采用交叉耦合结构，在线监测各轴工作状态，以此自适应调整各个单轴控制器和多轴控制器。多轴串联控制器对各个单轴驱动器进行实时补偿。并实现同步控制器协同中

14、央电机和两个大齿轮驱动电机的协同旋转。详细系统框图如图2.2所示。图2.2多轴控制系统框图3项目系统框架图31ZYNQ硬件系统框架图操作系统LinuxTOPPERS/FMP同步控制器部分算法ARMCortexA9双核速度控制同步补偿协同控制电机驱动器矢量运算SVPWMPS-PL系统通信电机驱动器矣臺运倉AXI总线DMA通信Interrupts多轴串联拯制器同步补偿消隙补偿电机驱动器SVPWM矢量运算SVPWMProgramLogicZYNQSoC图3.1系统顶层设计系统设计结构图如图3.1所示。主要包括高密度数据处理、控制算法以及基于操作系统的人机交互和任务管理系统等。多个电机驱动使用ZYNQ

15、的PL逻辑部分完全实现。ZYNQ系统框架如图3.2所示。ARMCortex-A9处理核心主要负责人机交互、系统通信、任务管理和部分实时控制任务。其分别安装通用操作系统(GPOS,generalpurposeoperatingsystem)和实时操作系统(RTOS,real-timeoperatingsystem)。通用操作系统主要用于管理人机交互任务和系统通信，可实现本系统与上位机设备的连接。实时操作系统主要管理系统的控制任务，合理分配系统资源。并通过与Zynq可编程逻辑的数据交换，实现系统高速并行处理。除此之外，本设计针对系统硬件进行了存储扩展，以提高系统的存储控制和运行速度。并在此基础上，

16、ZYNQ可编程逻辑单元负责大量的控制算法和信号处理计算，包括系统辨识、多轴控制算法等。利用可重配置标准接口，|LAN|UART|USB|手持设备(如Android)固定设备(如电脑)ZynqSoCProgrammableLogic系统可以实现控制不同类型的电机驱动。Cortex-A9MPCore扩储CPU1(GPOS)人机交互和系统通信J_K部AMBAAX总总线接口实时控制和计算任务GPIO传感器CPU2(RTOS)线11图3.2硬件系统框架图3.2软件系统框架图本项目将采用软/硬件协同设计的方式进行开发。项目针对系统需求进行软/硬件协同划分。在硬件开发的同时进行软件设计与实现,并及时进行协同

17、和调整。详细软件系统框架如图3.3所示。Cortex-A9CPU1搭载Linux操作系统，主要负责信息交互与高性能处理设备扩展。Cortex-A9CPU2搭载TOPPERS/ASP实时操作系统，负责传感器信息采集、通用外设调度以及与ZYNQSoC可编程逻辑单元的信息交互。人机交互和高性能扩展以太网方式的信息交互USB方式的信息交互CPUI(GPOS)运行Linux传感器信息实时采样串口调试信息显示实时处理系统|XPU2(RTOSp运行/TOPPERS/ASP丿MPGOreA-f数据交换-1iCortexb9图3.3软件系统框架3.3多轴控制器实现控制器实现对多个电机闭环控制系统的协同，使用模糊

18、控制器等实现多电机同步算法。模糊控制是利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法，由于在多轴控制之中，虽然能对各个电机建立模型，但对于多个电机之间存在耦合关系之后，模型的建立相当困难，并且控制器要求的输入变量较多，所以使用模糊数学处理该控制器较为方便。但是在模糊控制器的实现中，对于规则整定参数调节等方便存在一定的难度，所以对于规则表的自整定也是研究的热门话题。我们决定使用者粒子群优化算法(ParticleSwarmoptimization，PSO)实现参数、规则表的整定。实现框图如图3.4所示。输入信号处理模糊控制器模糊化解模糊化PSO等输出信号处理多轴控制器J控制器控制对象丿Vy图3.4控制器结

19、构图对于PSO算法，我们考察了之前论文的实现情况，使用XilinxIIPro系列FPGAXC2VP30即可实现5并行的的PSO。而ZYNQ逻辑资源量远大于该FPGA的资源量。所以实现这些算法，同时实现模糊控制器以及多个电机的电流、速度闭环控制器是绰绰有余的。当然我们实现GA/PSO算法也可以考虑使用ARM-A9核实现，这要考虑具体算法的时间复杂度以及编程复杂度，同时考虑计算量等,最终使用最少的资源拿出最好的解决方案。4项目设计预计效果本项目利用基于XilinxZynq-7000系列处理器的ZED开发系统，实现多轴串联控制系统以及多电机高性能同步控制系统。实际实验平台依照图1.3设计实现。实验平

20、台中绿色齿轮由左右两台电机带动，黄色齿轮由中间电机带动。预计设计效果为：在ZYNQ的PL部分实现实验平台上所有三台PMSM电机的电流环控制模块。实现多轴控制算法及电机对象状态观测，可驱动至少2台电机运行于串联连接状态。控制系统可有效发挥各单轴驱动性能，保证系统响应迅速，抗扰动能力强。具体到该平台上就是实现左右两台电机通过多轴串联控制器实现消除齿轮间隙(消隙)、增加带宽等高性能驱动。实现控制器参数在线学习、自调整。能够精确控制多个运动轴之间的协同运动。具体到该平台上就是在绿色大齿轮和黄色齿轮的转动上做协同控制，保证两个齿轮上固定的细连接杆不断。系统搭载Linux多核操作系统和TOPPERS/FM

21、P多核实时操作系统。系统功能覆盖底层信息传递至上位机图形显示。用户上位机操作实验平台运转，并且可利用上位机调试和监测整个系统。系统支持可重配置通用接口，可连接不同电机驱动。系统通用性强，可应用与不同场合。项目采用软/硬件协同设计方式进行开发。系统开发效率高,并且易于根据用户需求开发定制型服务和扩展功能。5附录一：项目技术基础参与比赛项目：第三届OpenHW开源硬件与嵌入式大赛，项目名称为“基于软硬件协同处理的小型轮式机器人平台”项目连接： HYPERLINK /project/index_view_1945.htm /project/index_view_1945.htm。51软硬件协同设计架

22、构该项目中使用Xilinx公司Spartan6系列FPGA芯片XC6SLX16和ARM7处理器NXPLPC2478基本结构，设计了一种层次化的处理平台、三种协同处理架构以及通用协同处理片内结构，并在轮式机器人应用中进行具体设计，完成了数字图像处理、双闭环运动控制、点阵液晶显示、智能手机平台控制。结果显示，软硬件协同处理架构大大提升了系统性能，设计开发方法更加快了开发进程。该平台在工业控制领域具有一定广泛意义和推广价值，该架构下的轮式机器人适合研究自动驾驶、自动泊车、图像处理、智能控制算法等机器人应用。随着基于FPGA的SOPC技术的发展，使用SOPC技术来实现可重配置的机器人控制器也成为了机器

23、人平台研究的热点。然而基于开发控制系统的商业性、系统可升级性、算法复杂度以及工具链、生态链成熟度的角度考虑，使用基于ARM的CPU作为主控制器更易于实现该平台。同时，非常有商业前景的实时嵌入式操作系统TOPPERS在ARM7上的移植可以丰富系统的应用及加强实时性。项目系统结构图如下图5.1所示。系统实现了FPGA与ARM系统的片外EMC总线。CommunicationInterface(USB)（UART）(EthernetjUSB1FoUSBAMBASDRAMXTNorFlashSDCardSSPDNAMicrocontrollerPeripheral(ARM)InterruptContro

24、lGPIO,TIMER,EINTEMCSlaveRTOS(TOPPERS)StorageSystem/Dynamic、EMC/厂fSatieEMCi(mcCPU(ARM7TDMI-S)Static、EMCiFPGABRAMControlRegFileMemoryInterfaceUserIPnDigitalDataChannelExtendedSensorrDataMuxAddrIDecfAddrIDecJBRAM、-ControlARegFile-HiMemoryInterfaceray*scalcImageinputGrayscaleImage20406080100120204060801

25、0012020406080100120图5.2实现及处理结果5.3总结我们之前的项目开发基础使用两个芯片实现这种软硬件协同设计结构，但是由于使用片外异步总线EMC,使数据传输速率受限，使软硬件协同设计的优势不能发挥到极致，现在使用ZED开发平台可以实现片内AMBAAXI总线，可以提高通信速率，对于软硬件协同设计也很有促进，同时由于之前没有实现USB主机和android设备进行通讯，现在也可以在这块zed开发板上实现，这样速度更快更稳定，我们就可以将电机的人机交互直接在android上实现，同时由于zynq上有cortexA9双核，我们可以在其中一个核心上运行GPOS，主要负责人机交互和信息交互

26、，zynq内核的arm和fpga可以通过内部总线方式进行通讯，这样速度更加快速，我们就可以做更多扩展，以太网部分我们可以实现一个网页用于监控这个系统的运行状况和进行调试。6附录二：ZYNQ基础在之前参数的美信DIY大赛中，我们对ZYNQ做了初步探索实现。系统实现框图如下6.1所示。在该系统中，在PS部分我们实现了双核的启动运行等的移植，并移植实现了TOPPERS/FMP多核操作系统，在演示系统中我们使用的系统移植了NTShell串口人机交互程序，能够使用串口进行在线的实时的对电机闭环控制器以及协同控制器参数的修改。操作界面如图6.2所示。ZynqEPP_ProgrammableLogic图6.1美信DIY大赛系统图卜=回F