九路作動(dòng)裝置同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

厲金鵬,黃振峰,梁 巍,徐 新,覃澤龍

(廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,南寧 530004)

0 引言

隨著科技、工業(yè)需求的不斷增長(zhǎng),大功率驅(qū)動(dòng)控制以及多自由度平臺(tái)的控制等應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越多,傳統(tǒng)的單電機(jī)伺服系統(tǒng)很難滿足性能需求[1]。多電機(jī)的協(xié)同工作已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用[2]在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)[3]中,如運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[4]、機(jī)器人控制系統(tǒng)[5]、電動(dòng)汽車(chē)[6]等。在多電機(jī)驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)中,由于每臺(tái)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)不同以及外界負(fù)載擾動(dòng)變化、隨機(jī)干擾[7]等因素的存在,從而會(huì)造成電機(jī)間的位置和轉(zhuǎn)速不匹配,影響系統(tǒng)整體控制性能,加速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)疲勞,影響使用壽命和安全。為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)之間按預(yù)期設(shè)定關(guān)系協(xié)調(diào)工作[8],必須建立一套高性能多電機(jī)同步控制電氣系統(tǒng)[9]。在多路伺服機(jī)構(gòu)控制中,各模塊之間需要相互配合和協(xié)調(diào)才能保證較高的同步精度。多電機(jī)同步控制[10]過(guò)程中誤差主要來(lái)源于兩個(gè)方面,一方面是電機(jī)指令給定值和實(shí)際反饋值之間的誤差,稱為跟隨誤差[11],跟隨誤差可通過(guò)設(shè)計(jì)和完善電機(jī)控制算法來(lái)減小;另一方面是實(shí)際運(yùn)行工作中各路電機(jī)之間的位置或者速度偏差,被稱為同步誤差,可通過(guò)采用先進(jìn)的通訊技術(shù)來(lái)降低電機(jī)間通訊延時(shí)[12],采用合理高效的同步控制策略[13]來(lái)減小。

許多相關(guān)研究人員設(shè)計(jì)了多種多電機(jī)同步控制系統(tǒng)。衛(wèi)春芳等[5]設(shè)計(jì)的系統(tǒng)基于ARM和FPGA的控制架構(gòu),應(yīng)用于雙足機(jī)器人,能夠同步控制其中的多電機(jī)。李言民等[8]提出一種運(yùn)用運(yùn)動(dòng)控制卡的同步控制系統(tǒng),采用交叉耦合模糊PID控制算法,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明優(yōu)化了系統(tǒng)超調(diào)量,提高了同步控制精度。楊賽東等[10]提出了一種基于改進(jìn)型速度補(bǔ)償器的二階線性自抗擾控制器,仿真結(jié)果表明提高了系統(tǒng)的響應(yīng)性能和抗干擾能力。

本文設(shè)計(jì)了一種基于時(shí)間觸發(fā)協(xié)議(time triggered protocol,TTP)的九路作動(dòng)裝置同步控制系統(tǒng),應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管某作動(dòng)裝置,其功能是根據(jù)控制單元的指令,驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),經(jīng)減速器后帶動(dòng)絲桿運(yùn)動(dòng),經(jīng)過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)后控制尾噴管扇葉的運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)。本系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processing,DSP)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(field programmable gate array,FPGA)的雙芯片控制架構(gòu),采用總線式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件和軟件,在DSP和FPGA相互配合下完成協(xié)同控制,具有優(yōu)異的跟隨性能和同步性能。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

九路同步作動(dòng)裝置同步控制器采用總線式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,利用TTP總線將9個(gè)獨(dú)立的舵機(jī)伺服控制器連接起來(lái),通過(guò)高可靠時(shí)間觸發(fā)總線進(jìn)行舵機(jī)狀態(tài)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享。每個(gè)舵機(jī)控制器在實(shí)現(xiàn)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)控制算法的同時(shí),還要從TTP總線上獲取的其他舵機(jī)的狀態(tài),利用舵機(jī)控制器內(nèi)部的同步控制算法進(jìn)行同步控制。TTP總線具有故障檢測(cè)能力、容錯(cuò)通信能力強(qiáng)和通信時(shí)間延遲低的優(yōu)點(diǎn)[14],可有效保證系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)每個(gè)舵機(jī)控制器進(jìn)行伺服控制和同步控制的任務(wù)不會(huì)太大,不至于影響系統(tǒng)控制性能,系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)。

總線型結(jié)構(gòu)控制方案包括9個(gè)相同的伺服驅(qū)動(dòng)控制器,系統(tǒng)架構(gòu)總體框圖如圖1所示。9個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)控制器之間內(nèi)部通過(guò)四余度TTP總線進(jìn)行互聯(lián)。通過(guò)高速通信總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的共享, 實(shí)現(xiàn)分布式協(xié)調(diào)控制,在外部通信接口上,9個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)控制器通過(guò)RS422通信接口與上位機(jī)相連,接收上位機(jī)給定的位置控制指令,并將各伺服機(jī)構(gòu)狀態(tài)反饋給上位機(jī),用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1 基于TTP的總線型架構(gòu)總體方案圖

伺服驅(qū)動(dòng)控制器是進(jìn)行信息交互、接收指令并實(shí)現(xiàn)精確控制的核心,主要由伺服控制單元、伺服驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)檢測(cè)處理電路及儲(chǔ)能濾波電路組成,總體方案框圖如圖2所示。作動(dòng)裝置包括了作動(dòng)機(jī)構(gòu)絲桿、電機(jī)、剎車(chē)和電位器4個(gè)部分。舵機(jī)的工作過(guò)程:剎車(chē)供電48 V解鎖,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲桿運(yùn)動(dòng),電位器反饋實(shí)際位置。伺服控制單元是系統(tǒng)控制的核心部分,主要完成電機(jī)位移、溫度和旋變等信息的采集、控制和處理各個(gè)控制器間通信的功能。主控制單元具有電機(jī)位置控制、轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制以及故障保護(hù)等功能。伺服驅(qū)動(dòng)器采用先進(jìn)智能功率集成模塊,簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì),提高功率放大器的可靠性。電流傳感器用于采集電流,并在短路電流過(guò)大時(shí)起到保護(hù)作用。儲(chǔ)能濾波電路用于穩(wěn)定電源,消除干擾,確保電源品質(zhì)。將輸入的270 V電源濾波后輸入到DC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊,輸出48 V電源用于解鎖舵機(jī)內(nèi)部的制動(dòng)器供電、控制板供電和驅(qū)動(dòng)模塊供電。

圖2 伺服驅(qū)動(dòng)控制器總體方案圖

1.2 結(jié)構(gòu)布局整體方案

九路伺服控制模塊的劃分布局與接口連接框圖如圖3所示,包括電源濾波模塊、DC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊和9個(gè)舵機(jī)伺服控制模塊。為保證外部供電接口的兼容性、以及電源濾波部分器件功率限制,采用三路供電接口和對(duì)應(yīng)的電源濾波模塊,一個(gè)供電口給三路舵機(jī)伺服控制器進(jìn)行供電。為了保證電壓轉(zhuǎn)換模塊的一致性,DC-DC模塊負(fù)責(zé)將270 V供電轉(zhuǎn)換成48 V給電機(jī)制動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)器供電。9路舵機(jī)伺服控制器通過(guò)RS422接口接收上位機(jī)位置控制指令,按照通信協(xié)議反饋各自的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)。四余度TTP總線上共享各伺服機(jī)構(gòu)的指令、實(shí)際位置、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)位置、主電壓、主電流、相電流、電機(jī)溫度、運(yùn)行狀態(tài)等信息。

圖3 控制器平面結(jié)構(gòu)布局方案

九路同步機(jī)構(gòu)控制器模塊高度方向布局方案如圖4所示。每個(gè)驅(qū)動(dòng)控制器包含驅(qū)動(dòng)板、隔離板、控制板和通信板。通信板負(fù)責(zé)外部通信和TTP總線通信。控制板采集電信號(hào),解算主電壓、主電流、相電流等信號(hào),實(shí)現(xiàn)控制算法,產(chǎn)生PWM波。隔離板用于隔離控制板和驅(qū)動(dòng)板之間的電信號(hào)。為了提高系統(tǒng)地抗干擾能力,對(duì)控制板產(chǎn)生的三路差分PWM波及故障信號(hào)進(jìn)行信號(hào)隔離處理。驅(qū)動(dòng)板的作用是將控制電路輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大,以驅(qū)動(dòng)功率管工作。驅(qū)動(dòng)板能夠使功率開(kāi)關(guān)管可靠地通斷;盡可能小的開(kāi)通關(guān)斷延遲,具有電氣隔離,使控制電路與驅(qū)動(dòng)電路絕緣。

圖4 控制器垂直方向結(jié)構(gòu)布局方案

1.3 軟硬件功能總體方案

九路同步機(jī)構(gòu)控制器的軟硬件功能模塊劃分如圖5所示,包括DSP處理器、FPGA處理器、模擬信號(hào)采集、數(shù)字通信接口和功率驅(qū)動(dòng)控制接口等部分。信號(hào)采集用專門(mén)的delta-sigma AD轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)。AD芯片將位置、主電壓、電流等信號(hào)采集進(jìn)來(lái),利用SPI總線與FPGA相連。旋變解調(diào)模塊用于采樣和讀取電機(jī)的位置及轉(zhuǎn)速信息。RS422接口用于接收上位機(jī)發(fā)送的位置控制指令。TTP總線接口與FPGA相連,用于控制器之間的數(shù)據(jù)共享。DSP與FPGA之間采用外部存儲(chǔ)接口(external memory interface,EMIF)交換數(shù)據(jù)。FPGA通過(guò)EMIF接口將采集回來(lái)的電機(jī)狀態(tài)以及控制指令發(fā)送給DSP,用于實(shí)現(xiàn)控制算法。DSP通過(guò)控制算法產(chǎn)生PWM波,發(fā)送給FPGA。FPGA結(jié)合電機(jī)工作的時(shí)序邏輯和故障保護(hù)邏輯處理PWM波,得到功率管的導(dǎo)通狀態(tài),并發(fā)送給功率驅(qū)動(dòng)模塊。

圖5 軟硬件功能模塊連接方案圖

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

同步控制系統(tǒng)的硬件主要包括DSP和FPGA主控制單元、電源濾波電路、電壓轉(zhuǎn)換電路、泄放電路、功率驅(qū)動(dòng)模塊、AD采樣電路、位置保護(hù)電路、旋變解調(diào)電路和串口通信模塊電路。主控制單元采用的是創(chuàng)SIM-TL2837xF核心板,板載DSP、FPGA、晶振等硬件資源。外部開(kāi)關(guān)電源輸出作為電源濾波電路輸入,經(jīng)濾波處理后輸出給控制器,然后再通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換電路,轉(zhuǎn)換成各個(gè)電路工作電壓。當(dāng)絲桿運(yùn)動(dòng)到指定位置時(shí),電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng),機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,這部分能量無(wú)法釋放出去,會(huì)使電路內(nèi)電壓升高,即產(chǎn)生泵升電壓,電壓過(guò)高會(huì)破壞驅(qū)動(dòng)芯片,將電能通過(guò)泄放電路消耗在泄放電阻上,保護(hù)驅(qū)動(dòng)器。功率驅(qū)動(dòng)模塊采用FNB35060T集成驅(qū)動(dòng)芯片,該驅(qū)動(dòng)芯片具有集成度高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),外圍電路簡(jiǎn)單,且擁有故障診斷功能,可靠性強(qiáng)。AD采樣電路中的AD芯片采用的是TI公司的ADS131M08芯片,能夠?qū)崿F(xiàn)8通道同步采樣,數(shù)據(jù)位寬為24位。AD采樣電路將電壓、電流、位置等信號(hào)采樣并經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路傳給AD芯片。位置保護(hù)電路是在軟件位置保護(hù)失效時(shí)或電機(jī)失控時(shí),防止絲桿超出可運(yùn)動(dòng)的有效行程。旋變解碼芯片采用的是AD2S1210,旋變解調(diào)電路通過(guò)該芯片將電機(jī)反饋回來(lái)的信號(hào)解調(diào)成電機(jī)的位置和轉(zhuǎn)速。串口通信模塊電路采用隔離式芯片ADM2582E實(shí)現(xiàn)通信,采用差分模式傳輸信號(hào),提高通信信號(hào)的品質(zhì)。它能夠?qū)π盘?hào)和電源隔離,抗干擾能力強(qiáng),該模塊可實(shí)現(xiàn)RS422和RS485通信。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心組成部分。系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖6所示。FPGA軟件架構(gòu)主要由SPI通信模塊,串口通信模塊、基于SCI協(xié)議的TTP通信模塊、時(shí)間同步模塊、EMIF讀寫(xiě)控制模塊和PWM邏輯控制模塊組成。SPI通信模塊負(fù)責(zé)與AD芯片和旋變解碼模塊通信。串口通信模塊主要用于與上位機(jī)通信,接收上位機(jī)指令幀,發(fā)送給DSP;將DSP組好的數(shù)據(jù)幀發(fā)送給上位機(jī),用于在線監(jiān)測(cè)。TTP通信模塊基于SCI協(xié)議,發(fā)送和接收每個(gè)控制器的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。本系統(tǒng)中TTP總線一共設(shè)計(jì)有四路通道,將總線通道A、B、C用作數(shù)據(jù)共享,總線通道D作為余度處理和方便作系統(tǒng)擴(kuò)展。總線數(shù)據(jù)排列時(shí)序如圖7所示。三路用于數(shù)據(jù)共享的總線通道,每隔通道上包含3個(gè)控制器的數(shù)據(jù),總線通道A上依次發(fā)送控制器1、4、7的數(shù)據(jù),總線通道B上依次發(fā)送控制器2、5、8的數(shù)據(jù),總線通道C上依次發(fā)送控制器3、6、9的數(shù)據(jù)?？偩€上每個(gè)控制器的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為48個(gè)字節(jié),傳輸時(shí)間是76.8 μs。每幀數(shù)據(jù)的通信時(shí)間為100 μs,用于數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理,總線上各個(gè)控制器數(shù)據(jù)之間相互錯(cuò)開(kāi),互不干擾,數(shù)據(jù)傳輸可靠性強(qiáng)。9個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)控制器的所有數(shù)據(jù)交換在1 ms內(nèi)完成,便于保證協(xié)調(diào)控制的同步性和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。時(shí)間同步模塊用于控制整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間同步,保證整個(gè)系統(tǒng)都工作在一個(gè)全局時(shí)鐘下,減小通信延時(shí)。EMIF讀寫(xiě)控制模塊通過(guò)控制數(shù)據(jù)總線和地址總線來(lái)實(shí)現(xiàn)DSP和FPGA之間的數(shù)據(jù)交互。PWM邏輯控制模塊會(huì)根據(jù)DSP產(chǎn)生的差分PWM,進(jìn)行邏輯保護(hù),當(dāng)檢測(cè)到產(chǎn)生的PWM同時(shí)為高電平時(shí),FPGA會(huì)馬上關(guān)斷PWM。處理過(guò)流信號(hào)和絲桿超出限位信號(hào),發(fā)生故障時(shí),馬上關(guān)斷PWM,停止驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

圖6 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

圖7 總線數(shù)據(jù)排列時(shí)序

DSP軟件架構(gòu)主要包括控制模塊、同步控制補(bǔ)償模塊、軟件保護(hù)模塊、串口通信模塊、總線數(shù)據(jù)處理模塊和EMIF數(shù)據(jù)交互模塊?？刂颇K實(shí)現(xiàn)三環(huán)控制算法。通過(guò)三閉環(huán)控制形式,可以確保系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度。同步控制補(bǔ)償模塊實(shí)現(xiàn)同步控制算法,保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)同步控制精度。軟件保護(hù)模塊是為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性,驅(qū)動(dòng)控制器自身設(shè)置了分級(jí)保護(hù)機(jī)制,包括舵機(jī)位置限位保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)等保護(hù)。產(chǎn)生故障時(shí),該模塊會(huì)產(chǎn)生狀態(tài)字,狀態(tài)字可以上傳給上位機(jī),使操作人員可以知道舵機(jī)發(fā)生的故障信息,并做出相應(yīng)的操作去保護(hù)控制器和舵機(jī)。串口通信模塊主要是用于數(shù)據(jù)的組幀和解幀,將舵機(jī)的信息組幀傳給FPGA,將上位機(jī)數(shù)據(jù)解幀用于控制?？偩€數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)制定好的總線通信協(xié)議,完成數(shù)據(jù)幀的組幀和解幀,完成總線數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。EMIF數(shù)據(jù)交互模塊用于實(shí)現(xiàn)DSP和FPGA之間的數(shù)據(jù)互通,FPGA采集到的AD芯片數(shù)據(jù)、旋變解調(diào)數(shù)據(jù)和上位機(jī)數(shù)據(jù)均通過(guò)EMIF發(fā)送給DSP。

2.3 伺服控制方法

由于9路同步控制占用資源較多,DSP處理器計(jì)算能力有限,DSP實(shí)現(xiàn)伺服控制算法的實(shí)現(xiàn),FPGA實(shí)現(xiàn)接口擴(kuò)展。整體控制框圖如圖8所示。所控制的電機(jī)為永磁同步電機(jī),電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)減速器,帶動(dòng)絲桿運(yùn)動(dòng)。整個(gè)系統(tǒng)控制主要是實(shí)現(xiàn)三閉環(huán)控制,包括絲桿位置閉環(huán)、速度閉環(huán)和電流環(huán)閉環(huán)控制。位置環(huán)作為整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)的最外環(huán),采用比例控制結(jié)合積分控制的復(fù)合控制方式,位置環(huán)滿足對(duì)位置指令的快速響應(yīng),且具有較低穩(wěn)態(tài)位置誤差。轉(zhuǎn)速環(huán)采用比例控制,轉(zhuǎn)速環(huán)增強(qiáng)系統(tǒng)的抗負(fù)載擾動(dòng)能力,抑制轉(zhuǎn)速波動(dòng)[15]。電流環(huán)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的最內(nèi)環(huán),采用比例控制,電流閉環(huán)用于提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速性,抑制電流環(huán)內(nèi)干擾,限制最大電流保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

圖8 作動(dòng)裝置反饋控制框圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為檢驗(yàn)控制系統(tǒng)最終達(dá)到的控制效果,將本系統(tǒng)應(yīng)用于某型直線舵機(jī)。九路作動(dòng)裝置同步控制系統(tǒng)中的單個(gè)控制器與電源濾波模塊如圖9所示,控制板如圖10所示。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的性能,對(duì)系統(tǒng)分別進(jìn)行單電機(jī)和多電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)。單電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)包括階躍響應(yīng)、靈敏度測(cè)試和正弦響應(yīng),多電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)為同步性能測(cè)試。上位機(jī)可以發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)反饋,并將數(shù)據(jù)保存下來(lái),便于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。實(shí)驗(yàn)中,外部供電270 V。

圖9 單個(gè)控制器與電源濾波模塊

圖10 控制板

3.1 單電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的位置控制,進(jìn)行階躍響應(yīng)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示,圖11a表示階躍響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)的舵機(jī)的位置指令和位置反饋,圖11b表示電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由圖可得,最大的階躍指令為50 mm,最大的階躍行程為100 mm,-50 mm～50 mm為絲桿伸出全行程,50 mm～-50 mm為絲桿縮回全行程。絲桿伸出全行程用時(shí)0.89 s,電機(jī)的最大平均轉(zhuǎn)速為-11 500 rpm,絲桿的平均速度為112.36 mm/s;絲桿縮回全行程用時(shí)0.91 s,電機(jī)的最大平均轉(zhuǎn)速為11 600 rpm,絲桿的平均速度為109 mm/s。通過(guò)計(jì)算舵機(jī)的位置指令和位置反饋的差值,系統(tǒng)的定位精度不超過(guò)0.2 mm。

(a) 舵機(jī)位置指令和位置反饋曲線 (b) 電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

控制靈敏度測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。在機(jī)構(gòu)0 mm處,發(fā)送步長(zhǎng)為0.2 mm的階躍指令,系統(tǒng)可以響應(yīng)指令,說(shuō)明系統(tǒng)的控制靈敏度不大于0.2 mm。

圖12 控制系統(tǒng)靈敏度測(cè)試曲線 圖13 3 Hz頻率響應(yīng)曲線

為測(cè)試系統(tǒng)的帶寬,對(duì)系統(tǒng)輸入幅值為6.5 mm,頻率為3 Hz的正弦波,測(cè)試一定頻率下機(jī)構(gòu)跟隨指令的響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。系統(tǒng)輸入頻率為3 Hz的正弦波時(shí),系統(tǒng)輸出幅值為6.47 mm,幅值衰減小于3 dB,輸出相移為10.8°。由此可知系統(tǒng)的帶寬不小于3 Hz。

3.2 同步性能測(cè)試

為了測(cè)試系統(tǒng)的同步性能,實(shí)驗(yàn)中選擇6路作動(dòng)裝置,進(jìn)行6路舵機(jī)的位置控制。位置誤差表示舵機(jī)的位置指令和位置反饋之差,通過(guò)比較舵機(jī)間的位置誤差來(lái)測(cè)試系統(tǒng)的同步性能。為了便于比較同步效果,先不發(fā)送同步控制指令,舵機(jī)的行程為先伸出40 mm,再回0,然后縮回40 mm,最后回0。接著發(fā)送同步控制指令,運(yùn)行同步控制模塊,進(jìn)行相同行程的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)比較前后兩次行程的同步誤差衡量該系統(tǒng)的同步性能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。圖14a表示舵機(jī)的位置反饋,表示舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。圖14b可知,在同步控制前,各臺(tái)舵機(jī)之間的最大同步誤差可達(dá)1.6 mm,同步控制后,各臺(tái)舵機(jī)之間的最大同步誤差為0.15 mm,可以看出,本文設(shè)計(jì)的同步控制系統(tǒng)可極大提高同步控制精度,同步性能好。

(a) 位置反饋曲線 (b) 同步誤差曲線

4 結(jié)論

本文對(duì)九路作動(dòng)裝置同步控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),采用DSP和FPGA的雙芯片控制架構(gòu),DSP用于實(shí)現(xiàn)控制算法,FPGA用于實(shí)現(xiàn)時(shí)間觸發(fā)通信、外部接口擴(kuò)展和實(shí)時(shí)邏輯處理。采用總線式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,應(yīng)用TTP總線實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制器之間的數(shù)據(jù)和信息共享,通信時(shí)間延遲低,可擴(kuò)展性強(qiáng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了分布式驅(qū)動(dòng)控制,容錯(cuò)能力和可靠性強(qiáng),利于系統(tǒng)集成,解決了傳統(tǒng)集中式方案設(shè)計(jì)復(fù)雜、可靠性差的問(wèn)題。設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件和軟件,硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì),整體緊湊,結(jié)構(gòu)清晰,布局方便,能有效減少模塊間的耦合干擾;模塊化設(shè)計(jì)軟件使系統(tǒng)移植性更強(qiáng),可讀性更好,且可靠性更高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的九路作動(dòng)裝置同步控制系統(tǒng),運(yùn)行良好,具有優(yōu)異的跟隨性能和同步性能。