1、北大中文核心期刊国外电子测量技术 ：基于 的多通道伺服电机控制系统设计张华西严飞，刘卿卿，陈佳宇刘银萍（南京信息工程大学大气自动化学院 南京 ；江苏省大气环境与装备技术协同创新中心 南京 ；南京信息工程大学大气物理学院 南京 ）摘要：针对大规模电机集群控制系统的控制难点，提出了一种基于现场可编程门阵列（，）的多通道的伺服电机控制方案。首先，采用纯硬件逻辑部署用户数据报协议（，），使 与上位机的实时交互；其次，针对特定的直线运动场合设计出一种双闭环 控制策略，并在单片 中集成多路伺服驱动控制模块，构建了多路伺服电机驱动控制系统；最后，搭建四路硬件测试平台，并进行实验验证。实验结果表明，到位误差小
2、于 ，位置阶跃响应曲线平滑，速度阶跃响应超调量小于，稳定时间小于 ，实现了快速响应和稳定调速，该系统有望在集群控制中得到广泛应用。关键词：；伺服电机；多通道；双闭环中图分类号：文献标识码：国家标准学科分类代码：，（，；，；，）：，（），（），：；收稿日期：基金项目：江苏省产业前瞻与关键核心技术重点项目（）、国家自然科学基金（）项目资助引言随着工业自动化水平的不断提高，多电机同步控制在工业机器人、生产线传动系统等控制系统中得到了广泛的应用。在纺织与印刷等行业中，为防止过大的张力对材料产生损伤，要求每个环节的多个滚筒同步运转。在多叶准直器等直线加速器设备中，为了满足容积调强放疗，要求每个叶片均能快
3、速准确的定位。目前，工业上多电机同步控制系统主要包括数字信号处理（，）和 复杂可编程逻辑器件（，）的软件方案以及 的硬件方案。和 国外电子测量技术北大中文核心期刊的两种软件设计方案在智能小车等小规模电机控制领域已取得了广泛应用。在多叶准直器等大规模电机控制领域，需要控制的电机多达 个，但软件中串行中断执行方式，限制了自身的工作性能，很难实现高性能的大规模、多电机的同步控制。现场可编程逻辑门阵列拥有高速、低功耗的并行处理能力，克服了上述的不足，并且在工业控制领域得到了成功的应用 。为了提高现场可编程门阵列（，）在多电机控制系统中的性能，李铁才研究组 通过大量的研究和实验，实现了专用的四轴位置伺服
4、系统控制系统级芯片（，），有利于对大规模的电机控制的专用 芯片研究进行指导，但是随着电机控制规模的变大，专用 芯片开发难度也会成倍增加。王邦继等 为了提高控制系统的可拓展性，在基于片上系统（，）上实现了多轴伺服电机的驱动 ，将速度环算法在软核中实现，对实时性要求较高的电流矢量控制算法、信号采集和处理算法采用纯逻辑进行设计，最终通过板卡验证了该系统具有良好的动态响应与稳态，但 系统成本比较高，不利于大规模的电机控制的应用。邱靖超等 用纯逻辑的方式控制多路电机，通过 对单路的控制系统进行验证，并且设计了易于拓展的可多次例化的控制模块，使得系统的灵活性、可移植性得到很大提高，理论上验证了可以拓展控制
5、多路电机同步工作，然而缺少板级验证。综上所述，在大规模电机集成控制系统领域，虽然大量学者对基于 的多路电机控制方面做出了研究，但采用纯逻辑进行大规模电机控制方面还有待提高。本文针对大规模电机控制问题进行深入研究，采用 公司的 为主控制芯片，在单通道电机控制上，集成了位置为内环和速度为外环的双闭环伺服控制系统，速度环控制器采用经典的增量式 控制器，根据反馈的速度实时的调整控制器输出。最后利用现有的平台搭建了四路硬件实验平台，并通过实验验证了方案的有效性，基于 可实现多达 路伺服电机的同步控制。硬件系统整体设计基于 的 路伺服电机控制方案的整体结构框图如图所示。图硬件设计框图硬件系统包括部分，分别
6、是上位机、板卡、伺服电机驱动板、外部设备（带光电编码器伺服电机）。为了实现 板卡和上位机之间的快速通信，通信接口采用千兆以太网，将上位机的含有 路电机目标位置的数据包发送给 板卡。由于 并不擅长做浮点数运算，且在除法和乘法运算时需要消耗大量资源，且对时序有严格的要求，为了提高控制算法的计算效率，设计了对位置信息的数据预处理模块。数据预处理模块中对发送的数据进行流水线操作，解析出每个电机的运动指令和目标位置脉冲数，运动指令和目标位置脉冲数会并行传输到每个电机的控制算法模块。通过在 中集成的电机控制算法模块产生波控制驱动芯片 驱动伺服电机。由光电编码器反馈电机 运 行 的 产 生 的 脉 冲 数，
7、经 过 编 码 器 芯 片 传输给 板卡，电机控制算法模块根据反馈的脉冲数和脉冲速率解析出当前运动位置和速度，形成一个闭环伺服控制系统，以达到控制位置和速度的目的。每一路电机控制算法模块控制一个电机驱动芯片 和编码器反馈芯片 ，彼此相互独立、无干扰、并行驱动。同时系统具备各个电机数据相互共享，以便发生运动故障时迅速调整自身的运动状态。数据预处理本设计系统采用网口作为 与上位机通信方式，以太网芯片型号为 ，采用 协议进行北大中文核心期刊国外电子测量技术通信，考虑 在处理 数据效率比较低，在 内部先进行 协议转 协议的预处理，其协议转换如图所示。图 转 协议图中，与 分别为以太网 芯片对 端的传输
8、的参考时钟与双沿传输数据端口，为了方便 内部数据处理需要将其做串并转换。由于 善于做定点数运算，上位机端发送目标位置时将数据放大 倍并以十六进制格式发送 数据，其中首位为方向位，表示电机正转，表示电机反转，后 表示电机的位置信息，电机的位置信息由低 小数部分和高 整数部分组成，剩余的 作为冗余，数据格式如图所示。图 数据格式系统采用 线程光电编码器作为闭环反馈检测元件，为了提高电机的扭矩采用的行星减速齿轮箱减速比位 ，推导得到光电反馈脉冲计数与实际距离的关系式如下：（）式中：是电机运行的倍频脉冲计数；表示物体实际移动距离；表示行星齿轮减速比；表示编码器分辨率；表示倍频；表示实际丝杠的螺距。式（
9、）反应实时用来决策物体运动需要消耗大量的逻辑资源，且会产生比较大的累计误差，因此系统将 的数据转换成倍频脉冲数，每一次 整定均以目标脉冲计数和实时脉冲计数进行对比，消除了累计误差，提高了 控制器的效率。对于通道的拓展就需要个除法器，多电机控制系统对 控制器的效率要求比较高，在满足响应速度要求的情况下，本文采用流水线方式进行数据预处理，数据从 缓冲器中依次流出，只需消耗一个除法器资源。通道伺服电机脉冲数计算结果如图所示。电机控制模块设计单路电机的驱动及控制完全由电机控制模块完成，其结构设计如图所示。每一个电机控制模块都包含有位置环控制器、速度环控制器、波产生器、速度解析模图 抓取数值图双闭环控制
10、系统结构块和位置解析模块。位置环和速度环的双闭环 控制模式能够更好满足精准定位控制要求，其中位置环为电机控制系统的位置精度控制单元，为整个控制器的外环，系统接收上位机发送的目标位置转化成系统所需要的脉冲数，根据目标脉冲数和实际脉冲数的差异输出目标速度给速度环。内环速度环通过 输出不同占空比的波，经过电机驱动芯片对信号进行放大驱动伺服电机运行。设计采用的编码器反馈信号为相位相差 的、脉冲信号，既可以采取四倍频进行计数，以获得更加精准的实时位置和实时速度，同时根据、的相位关系解析出当前电机的转动方向。实时位置只需要采用一个计数器，对、的脉冲的上升沿和下降沿进行计数，实时计数的结果与目标位置脉冲数作
11、差作为位置环的输入，指导位置环进行加速和加速。为了实时的反馈电机正在运行的速度，根据实际测试采用 为速度更新的标识信号，速度环控制将以此进行速度调节。位置环控制器设计由于系统针对到位精度进行控制，物体的启动和停止是均需要平稳，简单的设置位置环会导致速度环 调节速度过快，在启动和停止时出现抖动现象，影响了系统的平稳运行。在满足快速性的情况，本文提出一种梯形速度规划方式，根据物体的实时位置差设定当前需要的速度，设定方法如下：，（）国外电子测量技术北大中文核心期刊式中：为系统需要输出的速度；为电机带载后能达到的最大运行速度；为当前位置；为目标位置；为设定的最大运动行程；为当前位置与目标位置距离。经过
12、上述规划后，可以改善启动时的稳定性，同时使电机在运行结束时保持一个合理的刹车速度，不会出现急停刹车的现象，减少系统运行中惯性对定位精度的影响。其速度梯形图如图所示，其中表示 ，表示 ，表示，表示 。图速度梯形图 速度环控制器设计）算法分析已知 控制算法数学表达式为：（）（）（）（）（）式中：为采样时间；为比例增益；为积分时间常数；为微分时间常数；（）为控制量。对其进行离散化，得到时刻的输出：（）（）（）（）（）（）进一步得到位置式 为：（）（）（）（）（）（）式中：为采样序列（，）；积分系数；微分系数。同样，时刻输出：（）（）（）（）（）（）由式（）、（）可得增量：（）（）（）（）（）（）（）
13、递推得到增量式 为：（）（）（）（）（）（）其中，；。由式（）可知，位置 由于存在（），使得系统存在累计误差，且用 需要消耗大量的逻辑资源，处理效率很低，而式（）只需个乘法和个加法即可，因此本文采用增量式 进行控制系统的设计。）控制器的 设计方案由式（）可知，在增量式数字 算法中，需要存储最近个误差采样值（）、（）和（），由于 内部对乘法器消耗资源比较多，经过对算法分析进行优化，只需要消耗个乘法器和两个加法器即可实现，增量式 控制算法的结构如图所示。图增量式 控制算法结构图中，、和 分别是（）、（）和（）误差采样值，、是给定采样值的系数，（）为增量式 控制系统的输出增量。最后得到 控制器的输出
14、值为：（）（）（）（）考虑（）不能直接作为输出量控制占空比，需要对输出的（）进 行限 幅，以此 获 得 速 度环 占 空 比，输 出占空比值为：（），（）（），（），（）（）其中，为波最大占空比，根据系统需求选择 ，中并不善于做小数的乘法 运 算，此 处 将（）右移位，再乘以去近似值，并通过对输出最大值进行约束，得到系统需要的占空比。例化模块 多路电机的控制采用例化模块的方式，在顶层文件中将各个子模块进行连接，在顶层文件中设置查找表，每个电机的运动控制参数只需要在查找表中进行更新。通道伺服电机控制系统 视图如图所示，其中 为数据预处理模块，转移模块，负责将数据传输给各个电机驱动模块，为电机驱动
15、模块。更多通道的开发只需要对电机控制模块 在顶层中进行例化，同时在查找表中增加电机的运动控制参数即可，极大的简化了设计的多路电机控制的设计复杂性。在大规模电机应用领域，在硬件上不需要太大的改动，所有电机控制器均由 内部进行逻辑部署。同时由于采用的是千兆以太网进行北大中文核心期刊国外电子测量技术图通道伺服电机控制系统 图通信，板卡和上位机的通信时间很短，能够快速的传输大量电机的数据。实验结果和分析基于上述设计搭建图所示直流电机驱动平台，包括 直 流 电 源、开 发 板、电 机 驱 动 板 和 电 机，采 用 作为主控芯片，电机驱动板采用 作为电机驱动芯片，采用 线程双通道的编码器，减速比的行星减
16、速齿轮箱 。图通道硬件调试平台根据编码器反馈的脉冲数，再用螺距为 进行换算，以便更合理的评估电机的实时速度和到位精度。经过 平台对系统的 参数进行调整，控制器中 控制参数设置为，位置环和速度环采样周期均为 。通过将电机速度和位置数据实时上传给上位机，经再由 拟合后，测得伺服系统的速度、位置阶跃响应曲线如图 和 所示。图 电机速度阶跃响应曲线图 为设置速度为 的速度阶跃响应曲线，从图 可知，路电机的速度阶跃响应曲线相似，电机的速国外电子测量技术北大中文核心期刊图 位置阶跃响应曲线度阶跃响平均在 时候达到稳定状态，平均转速误差为，实验结果表明，单个电机控制模块经过路例化后在保持调速的稳定性和快速性方面性能一致。由图 可知，路电机的位置阶跃响应曲线平滑且相近，电机在启动和停止的时位置变化均无突变抖动产生，均能够稳定的运行到指定位置，表明经过路例化后的电机控制器的鲁棒性方面性能一致。为了验证本系统到位精度的准确性，分别对个电机做了 组实验，运行距离设置为，测试得到的结果如表所示。分析表可知，路电机稳定后的到位精度均值均为 ，最大误差为 ，最小误差为 ，能表 位置统计（）编号第组第组第组第组第组