基于cRIO的快速伺服控制原型系統(tǒng)設(shè)計

， ，

(1.長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022；2.北京航天控制儀器研究所，北京 100854)

0 引言

在精密儀表設(shè)備領(lǐng)域伺服回路的應用場合頗多，隨著儀表設(shè)備集成度越來越高及產(chǎn)品批量化進度日益加快，對伺服控制系統(tǒng)可靠性要求也隨之提高，需要對其進行多次測試驗證。因此若在研制前期階段運用快速控制原型系統(tǒng)進行算法模型的實時驗證，就能有效避免研制周期延長、費用增加等問題?？焖倏刂圃途褪窃谙到y(tǒng)硬件未完善時將控制算法下載到實時仿真設(shè)備并連接實物對象進行調(diào)試驗證[1-2]。這項技術(shù)近年來在國內(nèi)自動控制領(lǐng)域廣泛應用，如王建鋒等人建立了航空發(fā)動機快速控制原型系統(tǒng)[3],王偎蘄等實現(xiàn)了內(nèi)燃機噴油器快速控制原型[4]，呂強等基于快速控制原型設(shè)計了倒立機器人[5]，這些研究工作對快速控制原型技術(shù)進一步發(fā)展起到推動作用。在伺服控制領(lǐng)域，白金澤等人利用MATLAB中的RTW模塊和xPC模塊實現(xiàn)了液壓伺服快速控制原型技術(shù)[6-7]，王曉琳等也開發(fā)了基于MATLAB/RTW的控制器快速原型而實現(xiàn)了沖床伺服驅(qū)動[8]，上述研究均以MATLAB中的實時模塊作為實時環(huán)境并結(jié)合代碼自動生成工具構(gòu)建快速控制原型實現(xiàn)了預期研究目標。

本文基于NI實時測控驗證平臺cRIO設(shè)計了慣導設(shè)備快速伺服回路控制原型系統(tǒng)，經(jīng)過配置后在Labview環(huán)境下編程即可通過底層FPGA實現(xiàn)實時控制，設(shè)計流程簡單且獲得較好的控制效果。

1 快速位置伺服回路組成及原理

精密慣導設(shè)備快速位置伺服回路的原理如圖1所示，該快速位置伺服回路由框架軸、陀螺儀、調(diào)理放大電路、位置校正網(wǎng)絡、功率放大器及力矩電機組成。在框架軸端的干擾力矩作用下，框架軸位置發(fā)生改變，此時陀螺儀敏感軸感受到此位置變化并由于陀螺效應在其輸出軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，經(jīng)過角度傳感器變成電壓信號進而通過調(diào)理電路對信號放大，后由校正網(wǎng)絡控制輸出驅(qū)動力矩電機，最終使框架軸保持穩(wěn)定。

圖1 慣導設(shè)備快速位置伺服回路組成及原理

此位置伺服回路作用過程實為框架軸與陀螺儀輸出軸各自達到力矩平衡狀態(tài)的過程，對于陀螺儀輸出軸，其平衡方程為：

(1)

式中,I、D、K、H分別表示陀螺儀輸出軸的轉(zhuǎn)動慣量、阻尼系數(shù)、彈性系數(shù)及陀螺儀角動量，α、β分別表示軸端干擾力矩下框架轉(zhuǎn)角及陀螺儀輸出軸轉(zhuǎn)角，Mr表示陀螺儀輸出軸上的干擾力矩。

其中陀螺儀輸出軸上的彈性系數(shù)很小，因此彈性力矩Kβ可以忽略。

對于框架軸，其平衡方程為：

(2)

式中，J、C分別表示框架軸的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)，MD、MG分別表示框架軸上的干擾力矩和控制力矩。

在滿足穩(wěn)定的條件下，快速位置伺服回路控制系統(tǒng)要保證調(diào)節(jié)時間在100 ms以內(nèi)，相位裕度γ大于25°，幅值裕度h大于8 dB。

2 快速位置伺服回路控制原型系統(tǒng)設(shè)計

2.1 快速位置伺服控制原型系統(tǒng)總體架構(gòu)

快速控制原型系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖2所示。其中慣導平臺部分包括力矩電機、陀螺儀及對應框架軸，均視作被控對象。信號轉(zhuǎn)接盒作為快速控制原型與實物被控對象的連接樞紐。cRIO仿真平臺用來完成信號采集計算輸出功能，即實現(xiàn)控制原型。驅(qū)動電路完成功率放大驅(qū)動電機的功能。校正網(wǎng)絡經(jīng)過上位機Labview編程實現(xiàn)，伺服回路原型中將位置伺服回路的控制對象慣導平臺的輸出作為cRIO機箱信號采集模塊的輸入，經(jīng)過校正網(wǎng)絡控制輸出脈沖調(diào)寬波，然后由功率級電路進行放大后作用到力矩電機完成位置伺服回路控制功能。

圖2 快速位置伺服控制原型系統(tǒng)框圖

2.2 cRIO仿真平臺軟硬件搭建

目前快速控制原型仿真平臺有xPCtarget、RT-lab、dSpace、NI cRIO及YH-AStar等。xPCtarget、RT-lab及dSpace快速控制原型平臺均依賴于MATLAB/Simulink工具箱[9-10]，基于模型運用代碼生成工具及實時軟件接口在實時操作系統(tǒng)如VxWorks、QNX、Linux等或?qū)崟r硬件上建立實時控制系統(tǒng)。YH-AStar[11]以YHSIM專用仿真語言為基礎(chǔ)，配置專用IO設(shè)備完成一體化建模及軟硬件仿真工作，但其對用戶專業(yè)仿真知識有較高要求，操作難度大。NI cRIO快速控制原型平臺基于用戶界面良好的Labview圖形化編程環(huán)境，其實時控制器與自定義FPGA結(jié)合可實現(xiàn)兩種接口模式，具備方便易用的可重配置工業(yè)級IO[12]，能提供較高的安全可靠性，快速控制原型上位機代碼易于移植到目標控制器，系統(tǒng)集成度高、輕小便攜，因此采用cRIO快速原型仿真平臺實現(xiàn)快速位置伺服回路控制原型。

圖3 cRIO仿真平臺結(jié)構(gòu)框圖

cRIO仿真平臺的硬件組成如圖3所示，包括可擴展IO模塊、FPGA及實時控制器三部分?？蓴U展I/O模塊實現(xiàn)陀螺儀輸出信號采集，控制信號PWM輸出以及驅(qū)動電路開斷的功能。陀螺儀輸出是處于零附近的小偏信號，所以對模擬量采集要求在零位附近有較高的轉(zhuǎn)換精度，經(jīng)放大的電壓信號變化在-10 V到+10 V范圍內(nèi)，同時考慮快速率及減小死區(qū)，選用100 Ks/s每通道采樣率，16位分辨率的NI 9215數(shù)據(jù)采集模塊。該模塊具有4 個-10 V到+10 V的同步模擬輸入通道，有兩種接口類型可供選擇，一種是螺栓端子接口的，另一種是BNC接口的，前者較后者接線方式復雜且安全可靠性低，所以本文采用BNC接口類型的9215采集模塊。校正網(wǎng)絡輸出作用到直流力矩電機，目前直流力矩電機的控制大多采用PWM控制，考慮到本文位置伺服回路控制靈敏度要求較高，因此選擇PWM數(shù)字輸出模塊更新率也要高，選取5V/TTL更新率高達100 ns的NI 9401數(shù)字I/O模塊。Xilinx Kintex-7系列FPGA用于實現(xiàn)對信號的采集控制、處理運算及存儲，該FPGA直接和每個I/O模塊相連，可高速訪問I/O電路并靈活實現(xiàn)定時、觸發(fā)和同步等功能。實時控制器通過以太網(wǎng)與上位機通信，其64位微處理器與Linux操作系統(tǒng)完成與FPGA端數(shù)據(jù)交互。

快速位置伺服控制原型系統(tǒng)軟件設(shè)計在上位機Labview編譯環(huán)境中開發(fā)。開發(fā)環(huán)境的配置包括IP配置、cRIO設(shè)備識別及訪問I/O 的接口模式選擇。建立項目后存在三種VI程序編寫方式，即本機端VI、RT端VI及FPGA端VI，三者實時性依次增強，對數(shù)據(jù)的處理運算速度也依次提高。根據(jù)設(shè)計要求，需建立RT端VI下載至實時控制器與FPGA交互并實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控，建立FPGA端VI實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集處理和控制輸出功能。LabVIEW 環(huán)境下建立的FPGA vi需要編譯才能運行，被合成了到可編程邏輯門硬件上，這些門電路通過可重構(gòu)的內(nèi)部連線連接。但其編譯過程與傳統(tǒng)Windows上的LabVIEW應用程序不同。當向FPGA寫入代碼時，同時也將這些相同的LabVIEW代碼寫入到了其他目標上，但運行后，LabVIEW則通過不同的進程來運行這些代碼。運行進程生成的VHDL代碼經(jīng)過 Xilinx編譯器編譯，生成硬件可執(zhí)行的bit文件。上述過程通過邏輯映射，時鐘同步和啟用鏈三個環(huán)節(jié)來實現(xiàn)，由此保證了FPGA與Labview的數(shù)據(jù)流能嚴格一致，最終與Labview程序中數(shù)據(jù)并行運行。

2.3 外圍驅(qū)動電路設(shè)計

由cRIO數(shù)字模塊輸出的信號電流位于毫安級，無法驅(qū)動力矩電機，設(shè)計驅(qū)動電路如圖4所示。GH281-4光電耦合器使cRIO輸出的PWM控制信號隔離傳輸至驅(qū)動芯片。LMD18200功率橋驅(qū)動芯片的輸入端為方向控制信號DIP及PWM控制信號PIP，DIP與外部信號源提供的3.3 V比較控制光電耦合器1導通與關(guān)斷，PIP與外部信號源提供的5 V比較控制光電耦合器2導通與關(guān)斷。為提高電壓上升時間在驅(qū)動芯片輸出端VO1、VO2分別接10uF的電容，輸出為幅值28 V的PWM信號。通過外接電源提供的PWM+5 V、VCC_PWM(28 V)用作方向控制(引腳2)及PWM控制(引腳4)邏輯比較時的參考電壓。芯片電源端VS由28 V電源提供。

圖4 外圍驅(qū)動電路

驅(qū)動功率橋芯片運行有雙極性和單極性兩種方式。若采用雙極性驅(qū)動方式，在每個PWM周期里電動機電樞電壓極性呈正負變化。但若采用單極性驅(qū)動方式，在每個PWM周期內(nèi)，電動機電樞電壓表現(xiàn)為單極性。前者對應的電機系統(tǒng)可實現(xiàn)低速平穩(wěn)運行的同時也存在一些缺陷，比如電流波動大，功率損耗較大等，特別是必須增加死區(qū)來避免開關(guān)管直通的危險，限制了開關(guān)頻率的提高，比較適用于中小功率直流電動機的控制。本文伺服回路采用的直流電動機功率相對較大，因此采用單極性驅(qū)動方式。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

cRIO控制原型系統(tǒng)功能實現(xiàn)主要依靠FPGA端VI程序?qū)崿F(xiàn)，如圖5所示。

圖5 Labview FPGA VI程序

其中功能模塊主要由以下5個子模塊組成，以此實現(xiàn)伺服控制功能：

1)模擬量采集模塊：采集經(jīng)陀螺儀前置放大后輸出的電壓信號。為保證位置伺服回路的控制速率，將陀螺儀輸出電壓采集經(jīng)過時鐘頻率為40 MHz的單周期定時循環(huán)完成求均值降噪。

2)控制計算模塊：實現(xiàn)伺服回路校正網(wǎng)絡。該位置伺服回路控制的校正網(wǎng)絡采用經(jīng)典超前滯后控制，經(jīng)過Matlab建模仿真后將控制器模型經(jīng)雙線性變換離散化進行數(shù)字控制。為了充分利用FPGA并行執(zhí)行任務的能力，運用雙層流水線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)陀螺儀輸出電壓信號和校正網(wǎng)絡控制輸出的的迭代運算。

3)數(shù)字輸出模塊：完成PWM控制信號輸出。利用循環(huán)定時器改變數(shù)字輸出的高低電平持續(xù)時間，從而實現(xiàn)任意占空比的脈沖信號輸出。由于受到驅(qū)動電路光耦隔離芯片傳遞速率的限制，PWM信號的載波頻率不宜過高。

4)參數(shù)設(shè)置模塊：主要進行控制器參數(shù)等的配置。采用簇結(jié)構(gòu)實現(xiàn)各輸入控件的集成一體化，使界面整潔美觀的同時降低了配置錯誤率。

5)數(shù)據(jù)傳遞模塊：運用DMA FIFO在FPGA端與RT端傳遞數(shù)據(jù)，運用寄存器在并行循環(huán)間傳遞數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)運行過程如圖6所示，系統(tǒng)上電為驅(qū)動使能斷開狀態(tài)，初始化將陀螺前放輸出電壓信號清零，寄存器清零，使能打開。進行參數(shù)設(shè)置后開始采集陀螺前放輸出電壓，連續(xù)采集四幀在單周期定時循環(huán)內(nèi)完成求均值降噪后，輸出到校正網(wǎng)絡進行控制器解算，計算后的控制輸出進行占空比換算，通過寄存器將值傳遞到PWM輸出模塊的輸入端，該模塊輸出PWM波完成對驅(qū)動電路的控制。

圖6 快速控制原型系統(tǒng)運行過程框圖

4 實驗驗證

驅(qū)動電路能否按要求輸出PWM占空比是系統(tǒng)能否實現(xiàn)閉環(huán)控制的前提，在上位機 設(shè)置PWM輸出頻率為2 kHz，分別進行斷使能、45%、50%、55%的占空比驗證，結(jié)果如圖7所示，其中(A)表示在上位機進行斷使能操作后的驅(qū)動電路輸出，結(jié)果顯示為0，表明操作有效；(B)、(C)、(D)依次表示按上位機指令要求驅(qū)動電路應輸出PWM占空分別為45%、50%、55%時對應的實測PWM波型，可以看出三者的占空比存在0.1%的誤差，對于2 kHz的載波頻率，相當于0.5 us的延時，輸出結(jié)果符合較為理想，表明cRIO程序設(shè)計及驅(qū)動電路設(shè)計合理。

圖7 占空比波形

完成占空比驗證后，將設(shè)計好的快速位置伺服回路控制原型設(shè)備與某型慣導系統(tǒng)連接，驗證快速控制原型設(shè)備軟硬件功能。階躍干擾響應可用回路閉合過程模擬，此過程框架角波動反映了系統(tǒng)在干擾力矩作用下的動態(tài)響應情況，在框架軸位置處于任意位置狀態(tài)下閉合回路，框架角波動曲線如圖8所示，可以看出伺服控制從響應到達穩(wěn)定的時間約為88 ms，滿足系統(tǒng)指標要求。

圖8 閉合回路時框架角波動曲線

通過頻率響應分析儀TD1250測量系統(tǒng)幅相頻率曲線的方式對系統(tǒng)的頻域特性進行分析。實驗中設(shè)置分析儀激勵信號為正弦信號，分二次掃頻測試，每10倍頻程40個點，第一次輸入信號為10V，頻率為5～10 Hz；第二次輸入信號為2 V，頻率為10～200 Hz。讀取上位機數(shù)據(jù)并進行處理。測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 仿真與實驗幅相曲線

圖9中“+”標記曲線代表實驗系統(tǒng)實際測量的幅相頻率特性，實線型曲線為Matlab建模仿真結(jié)果。對比兩條曲線，可以看出實驗測試結(jié)果與仿真結(jié)果曲線一致性良好，數(shù)學仿真分析得幅值裕度為12 dB,相位裕度為33.9°，半實物仿真結(jié)果分析得幅值裕度為11.5 dB，相位裕度約為35°，均滿足設(shè)計指標要求。

通過上述對cRIO快速位置伺服回路控制原型系統(tǒng)的開環(huán)測試及實物在環(huán)測試驗證了本文系統(tǒng)設(shè)計的正確性，實驗結(jié)果表明位置伺服回路工作正常，性能滿足設(shè)計需求。然而實際測量結(jié)果和理論設(shè)計還是存在差距，圖7中PWM波形在上升沿和下降沿均出現(xiàn)尖峰，可能是受到功率芯片開關(guān)死區(qū)的影響，也可能是因為驅(qū)動電路濾波電容的選擇不合適。另外，由于慣導設(shè)備中相關(guān)機械結(jié)構(gòu)可能存在老化變形，伺服回路仿真模型與實際會有不可避免的偏差，這是導致穩(wěn)定裕度與幅值裕度的測試結(jié)果與仿真存在微小差異的主要原因。圖9中幅相頻率曲線在中頻段實際測試與仿真的吻合度要高于低頻和高頻段，可能是由于激勵信號的設(shè)置引起的。下一步將針對這些問題進一步進行系統(tǒng)調(diào)試優(yōu)化。

5 結(jié)束語

本文在分析了慣導設(shè)備快速位置伺服回路原理的基礎(chǔ)上，搭建cRIO控制原型半實物仿真平臺并編寫Labview軟件程序，最后通過半實物仿真平臺實驗驗證了該快速位置伺服回路控制原型系統(tǒng)功能實現(xiàn)正常，滿足控制回路調(diào)節(jié)時間在100 ms以內(nèi)，幅值裕度大于8 dB，相位裕度大于25°，符合預期的設(shè)計指標要求。表明該快速位置伺服控制原型系統(tǒng)兼具實時性、便捷性，是一種高效測試驗證模型及控制性能的手段。

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