基于zynq-soc的多轴运动控制系统

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1、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二〇一二年十一月OpenHW12基于ZYNQSoC的多轴运动控制系统目录1项目概述11.1工业应用11.2系统方案32工作原理介绍63项目系统框架图83.1ZYNQ硬件系统框架图83.2软件系统框架图93.3多轴控制器实现104项目设计预计效果115附录一：项目技术基础135.1软硬件协同设计架构135.2软件设计145.3总结166附录二：

2、ZYNQ基础16IOpenHW12基于ZYNQSoC的多轴运动控制系统1项目概述1.1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

3、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18OpenHW12基于ZYNQSoC的多轴运动控制系统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

4、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

5、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。

6、多位学者针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18OpenHW12基于ZYNQSoC的多轴运动控制系统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

7、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。（1）设备集成度较高，对驱动电路的体积有一定限制；（2）系统需采用不同通信接口的驱动设备，难以购买成套设备；（3）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。（4）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

8、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，硬件成本进一步降低。1.1系统方案18OpenHW12基于ZYNQSoC的多轴运动控制系统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