嵌入式單軸控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

黃昭縣，王志成，趙鴻博

(1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049;2. 中國(guó)科學(xué)院 沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所，沈陽(yáng) 110168;3.沈陽(yáng)高精數(shù)控技術(shù)有限公司，沈陽(yáng) 110168)

0 引言

在工控領(lǐng)域中，單軸運(yùn)動(dòng)是最基本、最常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)，因此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活、成本低廉的單軸控制系統(tǒng)一直是國(guó)內(nèi)外伺服系統(tǒng)研發(fā)中的熱點(diǎn)。

傳統(tǒng)的單軸控制系統(tǒng)采用單軸控制器+伺服驅(qū)動(dòng)器的分立方式。首先，這種分立方式中單軸控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器是獨(dú)立的產(chǎn)品，成本較高，而且二者間連接復(fù)雜，通訊時(shí)延較長(zhǎng)［1］。再者，傳統(tǒng)單軸控制器只是完成加減速控制，在上層仍需要一個(gè)復(fù)雜的數(shù)控系統(tǒng)解釋執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制程序，這在一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用中無(wú)疑是極大的浪費(fèi)。

近年來(lái)隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，伺服驅(qū)動(dòng)器的硬件性能得到很大提高，有更多的資源來(lái)支持復(fù)雜功能的實(shí)現(xiàn)，使單軸控制器的功能集成在伺服驅(qū)動(dòng)器中成為可能。

基于以上兩點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種嵌入式單軸控制器，并將其嵌入到高性能伺服驅(qū)動(dòng)器中，使伺服驅(qū)動(dòng)器具有加減速控制和解釋執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制程序的功能，降低了系統(tǒng)成本，增加了系統(tǒng)的靈活性。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 時(shí)序問(wèn)題

典型的軸控制系統(tǒng)如圖1 所示，包括軸控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器和被控對(duì)象三個(gè)部分。軸控制器根據(jù)上位機(jī)傳遞的運(yùn)動(dòng)參數(shù)完成加減速控制，將位移指令傳遞給伺服驅(qū)動(dòng)器;伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行速度位置閉環(huán)矢量控制，將驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳遞給伺服電機(jī)，完成伺服控制。

軸控制器一般由CNC 或PLC 實(shí)現(xiàn)，伺服驅(qū)動(dòng)器一般采用功能強(qiáng)大的DSP，并且基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)控制平臺(tái)。二者分屬于不同的硬件，運(yùn)行于不同的CPU，相對(duì)獨(dú)立，不存在復(fù)雜的時(shí)序問(wèn)題。

嵌入式單軸控制器如圖1 虛框所示，將軸控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器集成在一起，但并不是簡(jiǎn)單地集成到一塊電路板上，而是使兩者共用一個(gè)高性能CPU，需要解決復(fù)雜的時(shí)序問(wèn)題。因此需要良好的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能達(dá)到性能的要求。

圖1 伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 嵌入式單軸控制器體系結(jié)構(gòu)

鑒于伺服驅(qū)動(dòng)器強(qiáng)大的硬件性能和實(shí)時(shí)控制要求，設(shè)計(jì)將軸控制器嵌入到伺服驅(qū)動(dòng)器中，并增加解釋執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制程序的功能。參考文獻(xiàn)［2］中提到的可重構(gòu)伺服驅(qū)動(dòng)器，基于TI 公司的DSP/BIOS 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，利用層次化思想對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

整個(gè)嵌入式單軸控制器體系結(jié)構(gòu)如圖2 所示，分四個(gè)層次:硬件層、驅(qū)動(dòng)層、控制層、應(yīng)用層。硬件層為外部被控對(duì)象(電機(jī))和伺服驅(qū)動(dòng)單元硬件。驅(qū)動(dòng)層是硬件上的第一層軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件層的抽象和封裝，并向上層提供服務(wù)支持?？刂茖又饕ㄖ噶钚蛄械拇鎯?chǔ)、解釋器、函數(shù)庫(kù)和運(yùn)動(dòng)控制器以及電機(jī)三環(huán)矢量控制。其中解釋器完成指令代碼的解釋，函數(shù)庫(kù)是相應(yīng)的指令處理函數(shù)，運(yùn)動(dòng)控制器完成加減速控制。應(yīng)用層是建構(gòu)在最上層的非實(shí)時(shí)性任務(wù)，主要完成系統(tǒng)的人機(jī)交互、通信、參數(shù)管理等功能［2］。

圖2 嵌入式單軸控制器體系結(jié)構(gòu)

DSP/BIOS 實(shí)際上是一個(gè)代碼很小的實(shí)時(shí)庫(kù)，包含一個(gè)固定優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度器，用戶通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)提供的API 函數(shù)使用實(shí)時(shí)庫(kù)的服務(wù)［3］。為了解決復(fù)雜的時(shí)序問(wèn)題，在控制層設(shè)計(jì)高、中、低三種優(yōu)先級(jí):電機(jī)三環(huán)矢量控制處于高優(yōu)先級(jí)，運(yùn)動(dòng)控制器處于中優(yōu)先級(jí)，解釋器處于低優(yōu)先級(jí)。

整體的工作流程如下:首先，在上位機(jī)中用類匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程，編譯后通過(guò)應(yīng)用層的通訊接口將程序指令代碼序列下載到嵌入式單軸控制器中;然后，控制層的解釋器對(duì)指令代碼程序進(jìn)行解釋，并根據(jù)不同的指令標(biāo)識(shí)符調(diào)用函數(shù)庫(kù)中不同的指令處理函數(shù)進(jìn)行處理，將運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳遞給運(yùn)動(dòng)控制器;最后，運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)不同的加減速控制規(guī)律做軌跡規(guī)劃，將位置指令、啟動(dòng)/停止等命令傳遞給電機(jī)三環(huán)矢量控制，以此來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

在嵌入式單軸控制器中，軸控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器間指令信號(hào)的傳遞由內(nèi)部的共享內(nèi)存替代傳統(tǒng)的通訊接口，消除了時(shí)延，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性;增加解釋器和運(yùn)動(dòng)控制器，使伺服驅(qū)動(dòng)器能夠解釋執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制程序，并能對(duì)加減速進(jìn)行控制，提高了系統(tǒng)的靈活性。

2 解釋器的設(shè)計(jì)

嵌入式單軸控制器中，解釋器的功能是把指令代碼序列解釋為一系列的操作，并將運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)傳遞給運(yùn)動(dòng)控制器。其中每一行指令代碼(如401，100，300，3000)完成一個(gè)操作。每一行指令代碼中“401”是指令標(biāo)識(shí)，“100，300，3000”是參數(shù)。解釋程序讀取一行指令序列后根據(jù)不同的指令標(biāo)識(shí)調(diào)用不同的指令處理函數(shù)，指令處理函數(shù)返回要讀取的下一行指令序列號(hào)并給出運(yùn)動(dòng)參數(shù)和控制指令等。

2.1 指令格式設(shè)計(jì)

首先，對(duì)指令格式進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖3 所示。一條指令由指令標(biāo)志符和參數(shù)組成，有兩種指令格式:一種指令最多有3 個(gè)參數(shù)，每個(gè)參數(shù)占2 個(gè)字節(jié);另一種指令最多有2 個(gè)參數(shù)，參數(shù)1 占2 個(gè)字節(jié)，參數(shù)2 占4 個(gè)字節(jié)。

圖3 指令格式

在嵌入式單軸控制器中用結(jié)構(gòu)體來(lái)存儲(chǔ)指令，結(jié)構(gòu)體如圖4 所示:cmd 存儲(chǔ)指令標(biāo)識(shí)符，p1 存儲(chǔ)參數(shù)1，p2 和p3 存儲(chǔ)第一種格式中的參數(shù)2 和參數(shù)3，p3 存儲(chǔ)第二種格式中參數(shù)2，p2 和p3 與p23 共用一個(gè)聯(lián)合體。

圖4 指令存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)體

在文獻(xiàn)［6］中提到的可重構(gòu)伺服驅(qū)動(dòng)器調(diào)試工具中，這些指令用類匯編的標(biāo)識(shí)符表示，如運(yùn)動(dòng)類指令中的DRIVID 表示運(yùn)動(dòng)到某個(gè)位置。編程時(shí)采用“標(biāo)識(shí)符+參數(shù)”的方式，例如DRIVID 1000 表示運(yùn)動(dòng)1000個(gè)脈沖。在單軸控制器中，這些指令用數(shù)字標(biāo)識(shí)符表示，如DRIVID 用101 表示。

指令參數(shù)可以是立即數(shù)和變量，根據(jù)不同的功能設(shè)計(jì)了3 種變量類型，S 型:在程序中只讀，不可寫及修改，主要用于上位機(jī)的編程;M 型:程序中可讀可寫，主要用于程序運(yùn)行中數(shù)據(jù)的暫時(shí)存儲(chǔ);B 型:位變量，取值為0 或1。主要用于控制信號(hào)。

2.2 指令集的設(shè)計(jì)

編程中常用的指令主要包括運(yùn)動(dòng)類指令、控制類指令、運(yùn)算類指令、跳轉(zhuǎn)類指令、邏輯類指令和數(shù)據(jù)傳送類指令，如表1 所示［4］。

在表1 中，對(duì)指令參數(shù)約定如下:

#line 表示行號(hào)

#data 表示立即數(shù)

#［S］ 表示參數(shù)存儲(chǔ)在S 型變量中

#［M］ 表示參數(shù)存儲(chǔ)在M 型變量中

#［B］ 表示參數(shù)是某個(gè)B 型變量

為方便描述，在下面表格中，若無(wú)特別說(shuō)明，#［S］表示既可以是S 型變量，也可以是M 型變量。

表1 指令集

續(xù)表

2.3 狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)有限狀態(tài)機(jī)控制解釋器的運(yùn)行，狀態(tài)機(jī)有5個(gè)工作狀態(tài)，如圖5 所示:解釋器在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)完成初始化任務(wù)，包括對(duì)M 型變量和B 型變量的初始化;然后進(jìn)入begin 狀態(tài)，由begin 狀態(tài)進(jìn)入run;在run 中，解釋器根據(jù)不同的指令標(biāo)志符調(diào)用不同的指令處理函數(shù)，然后根據(jù)指令函數(shù)的返回值決定進(jìn)入end、wait 還是繼續(xù)run。在運(yùn)行過(guò)程中，如果遇到錯(cuò)誤指令，則返回錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)并斷電停機(jī)。

圖5 解釋器狀態(tài)圖

3 運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

運(yùn)動(dòng)控制器從解釋器獲取運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)和控制命令，根據(jù)實(shí)際需求選取不同的加減速控制算法，在每個(gè)插補(bǔ)周期到來(lái)時(shí)給出位置指令，傳遞給電機(jī)三環(huán)矢量控制來(lái)完成電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。主要工作就是完成加減速控制和軌跡規(guī)劃。

3.1 加減速算法的實(shí)現(xiàn)思想

在伺服驅(qū)動(dòng)器位置環(huán)控制模式下，給定目標(biāo)位置、加速度和最大速度后，加減速控制算法在插補(bǔ)周期中斷到來(lái)之前計(jì)算出當(dāng)前周期的位置增量，然后加上前一個(gè)周期的位置給定得到當(dāng)前周期的位置給定，底層位置環(huán)通過(guò)周期地刷新位置指令來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。每個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)插補(bǔ)步長(zhǎng)即位置增量體現(xiàn)了速度的大小，插補(bǔ)步長(zhǎng)越大，速度越大;插補(bǔ)步長(zhǎng)越小，速度越小。通過(guò)這種遞推的方式，位置指令向目標(biāo)位置遞增或遞減，最終到達(dá)目標(biāo)位置。

3.2 直線加減速算法的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)加減速算法的實(shí)現(xiàn)思想，在上述嵌入式伺服控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)中的控制層實(shí)現(xiàn)直線加減速控制，算法流程圖如圖6 所示。得到運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)后判斷當(dāng)前位置是否等于目標(biāo)位置，相等則退出加減速控制，不相等則進(jìn)一步判斷是大于還是小于目標(biāo)位置并作出相應(yīng)處理得到位置給定。

圖6 直線加減速算法流程圖

由圖6 可知，直線加減速控制的關(guān)鍵就是求出ΔPos，即插補(bǔ)步長(zhǎng)。ΔPos 計(jì)算有多種方法，經(jīng)常采用的是簡(jiǎn)單直觀的面積計(jì)算法。在直線加減速控制算中，加速度是恒定的，即Vk=Vk-1+Vacc;位置增量等于平均速度與插補(bǔ)周期之積，即ΔPos= (Vk+Vk-1)/2·Δt，位置增量的計(jì)算問(wèn)題轉(zhuǎn)變成了速度Vk的刷新問(wèn)題，已知插補(bǔ)周期兩端的速度即可求得插補(bǔ)步長(zhǎng)。算法流程圖如圖7 所示。

圖7 ΔPos 算法流程圖

3.3 改進(jìn)的直線加減速算法

在傳統(tǒng)直線加減速中，加速段和減速段中的加速度是常數(shù)，在系統(tǒng)啟動(dòng)和加減速結(jié)束時(shí)存在加速度突變，加速度不具有連續(xù)性，仍會(huì)產(chǎn)生一定沖擊，因而不適用于高速高精的應(yīng)用場(chǎng)合。

文獻(xiàn)［5］提出了一種基于滑動(dòng)平均濾波器的改進(jìn)方法對(duì)直線加減速算法進(jìn)行改進(jìn)。參考文獻(xiàn)［5］對(duì)每個(gè)插補(bǔ)周期的ΔPos 進(jìn)行移動(dòng)平均濾波處理，得到和S形加減速算法相似的控制效果，效果圖如圖8 所示。

圖8 改進(jìn)的直線加減速算法

4 驗(yàn)證與分析

為了驗(yàn)證嵌入式單軸控制器，以沈陽(yáng)高精數(shù)控有限公司的可重構(gòu)伺服驅(qū)動(dòng)器為基礎(chǔ)，將單軸控制器嵌入到伺服驅(qū)動(dòng)器中，實(shí)際的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖9所示。

圖9 嵌入式單軸控制器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制實(shí)例，如圖10 所示，電機(jī)以加速度500、最大速度50000 運(yùn)動(dòng)到200000 脈沖的位置后延時(shí)5s，然后將加速度和最大速度改變?yōu)?00 和100000，運(yùn)動(dòng)返回原點(diǎn)，最后跳轉(zhuǎn)到第0 行重新開(kāi)始執(zhí)行。

圖10 定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制程序

利用文獻(xiàn)［6］設(shè)計(jì)的可重構(gòu)伺服驅(qū)動(dòng)器調(diào)試工具進(jìn)行編程，然后編譯下載到伺服驅(qū)動(dòng)器中，點(diǎn)擊上電運(yùn)行，實(shí)際的運(yùn)行效果如圖11 所示:電機(jī)以最大速度50000 運(yùn)動(dòng)到200000 脈沖位置，然后延時(shí)5s，以最大速度100000 反向轉(zhuǎn)動(dòng)返回原點(diǎn)，然后往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)表明電機(jī)按照預(yù)定程序轉(zhuǎn)動(dòng)，驗(yàn)證了嵌入式單軸控制器的正確性。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了嵌入式單軸控制器，在高性能可重構(gòu)伺服驅(qū)動(dòng)器中實(shí)現(xiàn)，解決了復(fù)雜的時(shí)序控制問(wèn)題。

(2)設(shè)計(jì)的指令集能夠滿足用戶的需求，可以用這些指令的組合完成豐富的功能。

(3)運(yùn)動(dòng)控制器中對(duì)直線加減速進(jìn)行移動(dòng)平均濾波處理得到與S 形加減速相似的控制效果，提高了直線加減速控制的性能。

(4)設(shè)計(jì)的典型單軸控制器，為實(shí)現(xiàn)嵌入式多軸控制器奠定了基礎(chǔ)。

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