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ZMP控制卡的在多軸控制系統(tǒng)中應(yīng)用
Multi-Axis Motion Control System Base on ZMP Controler
沈振興
（北京慧摩森電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)有限公司，北京）
前言： 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由大量元件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)存在著極大的非線性，因而它的設(shè)計(jì)、運(yùn)行是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程。ZMP控制卡是一款基于SynqNet總線技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品，其自帶的Mechaware軟件工具包，可供用戶方便的在MATLAB /Simulink中建模和仿真。ZMP運(yùn)動(dòng)控制卡的總線技術(shù)，伺服算法及仿真功能在本文中進(jìn)行了敘述。
關(guān)鍵詞：ZMP控制卡，總線技術(shù)，MATLAB /Simulink，直線電機(jī)，伺服算法及仿真
多軸運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)
 本文介紹的多軸平臺(tái)為雙驅(qū)龍門式結(jié)構(gòu)，采用先進(jìn)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，使用MicroE高精度光柵尺反饋?zhàn)鲩]環(huán)控制，光柵尺分辨率50nm。保證高的運(yùn)行速度以及良好的定位精度。驅(qū)動(dòng)器采用科爾摩根AKD伺服驅(qū)動(dòng)器 �？赏ㄟ^SynqNet 總線和運(yùn)動(dòng)控制卡通信。選用高性能的基于SynqNet總線技術(shù)的ZMP運(yùn)動(dòng)控制卡控制。運(yùn)動(dòng)控制卡系統(tǒng)自帶相關(guān)應(yīng)用軟件，包括Motion Console Motion Scope 其具有簡(jiǎn)單的下載方式以及操作界面 。用戶可以用Motion Scape進(jìn)行基本的PID調(diào)節(jié)操作也可以通過轉(zhuǎn)換固件版本的方式使用Mechaware中功能函數(shù)修改合適的PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。ZMP卡的高級(jí)功能，也是用戶最希望的就是用戶可以使用Mechaware提供的功能函數(shù)在MatLab中進(jìn)行伺服算法仿真和開發(fā)。
ZMP控制卡
ZMP-SynqNet-PCI運(yùn)動(dòng)控制卡采用實(shí)時(shí)64位雙精度浮點(diǎn)Motorola PowerPC微處理器，CPU 466MHz、16MB 133MHz SDRAM，強(qiáng)大的處理能力和運(yùn)算速度，使理論上處理4個(gè)伺服軸時(shí)節(jié)點(diǎn)伺服刷新率高達(dá)48kHz，處理12個(gè)伺服軸時(shí)節(jié)點(diǎn)伺服刷新率高達(dá)16kHz�？梢匝杆俳⑷魏蜗到y(tǒng)的模型，并通過SynqNet 控制器加以實(shí)現(xiàn)：多種濾波器、狀態(tài)觀察器、狀態(tài)反饋、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、使用ZMP 的64 位雙精度計(jì)算、復(fù)雜傳動(dòng)跟隨方法、增益切換、振動(dòng)控制、復(fù)雜多入多出的工廠模型、易于定義的臺(tái)架控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及可以設(shè)計(jì)自定義控制方案等等強(qiáng)大功能。
SYNQNET總線技術(shù)
電機(jī)在SynqNet網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用
SynqNet是Motion Engineering Inc(MEI)公司設(shè)計(jì)的一個(gè)架構(gòu)在100Base-T物理層的運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)。此網(wǎng)絡(luò)代替標(biāo)準(zhǔn)的±10V模擬量接口，從而能在復(fù)雜的環(huán)境中顯示其優(yōu)勢(shì)。其中ZMP控制卡安裝接線 非常簡(jiǎn)單，只需要將帶屏蔽的網(wǎng)線與驅(qū)動(dòng)器通過SynqNet總線相連。從而實(shí)現(xiàn)控制功能。支持多達(dá)32個(gè)協(xié)調(diào)軸，實(shí)現(xiàn)多軸協(xié)調(diào)控制，針對(duì)噪聲抗擾度和電纜短路的電氣隔離、冗余自恢復(fù)的容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)和完整性檢驗(yàn)，確保網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
通過SynqNet網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)下的所有節(jié)點(diǎn)可以通過每個(gè)伺服周期內(nèi)發(fā)送的同步幀來統(tǒng)一每個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘信號(hào)以達(dá)到所有節(jié)點(diǎn)的同步控制，在每個(gè)伺服周期的開始控制器會(huì)先以廣播的方式向網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)同步幀SynqNet packet，然后以流的方式將命令幀Demand packet以及控制幀Control packet依次送達(dá)到每個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的反饋信息Feedback packet與狀態(tài)信息Status packet帶回。同步幀用于統(tǒng)一校準(zhǔn)所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘，命令幀包含經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換的模擬量軌跡數(shù)據(jù)也就是把脈沖量轉(zhuǎn)換過來的電流值，命令幀的值是否執(zhí)行要看控制幀，控制幀中包含了所有的控制信息。也就是說在每個(gè)伺服周期內(nèi)都會(huì)發(fā)送依次含有這三個(gè)幀的數(shù)據(jù)包給每個(gè)節(jié)點(diǎn)，這樣就可以保證一個(gè)網(wǎng)絡(luò)下的節(jié)點(diǎn)的同步誤差在一個(gè)伺服周期內(nèi)。
MechaWare
MechaWare軟件工具實(shí)現(xiàn)和MATLAB® /Simulink的協(xié)同工作，系統(tǒng)操作美觀、直接、方便，這里以簡(jiǎn)單的PID設(shè)置為例進(jìn)行說明，PID與復(fù)位塊組成一個(gè)比例、積分和導(dǎo)數(shù)(PID)濾波器。經(jīng)過濾波器濾波之后輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模塊。此系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是：在一些分析工具中，采取補(bǔ)償?shù)姆绞絹砀倪M(jìn)機(jī)械性能，如采用精確建模和非線性擾動(dòng)的軟件算法來實(shí)現(xiàn)。然而在很多實(shí)例中，不能精確的反饋出設(shè)備位置，溫度摩擦等引起的變化效果，而這些導(dǎo)致系統(tǒng)共振，引起偏差并表現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)上，利用Mechaware 的Matlab/Simulink編程，可以輕松的實(shí)現(xiàn)高級(jí)系統(tǒng)的建模和仿真。
這里的PID與復(fù)位塊被使用后過濾。這個(gè)塊提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的接口添加到你的控制回路的PID參數(shù)。上面的傳遞函數(shù)被封裝到模塊中
可以通過C語言設(shè)置簡(jiǎn)單的
class PID_RBlock: public virtual Block
{
public:
virtual void WriteIntegrator() const = 0; // User accessible coefficients
double Kp;
double Ki;
double Kd;
double IMax;
double Ksm;
double Sum;
double Delta;
};
其主要優(yōu)點(diǎn)是將復(fù)雜的傳遞函數(shù)用簡(jiǎn)單的模塊化形式表示出來，可以方便的改變其參數(shù)，根據(jù)PID的算術(shù)公式進(jìn)行Simulink拼接，經(jīng)搭好的輸入輸出塊封裝完成更加簡(jiǎn)練的PID參數(shù)設(shè)置，模塊更是和C語言形成一對(duì)一的設(shè)置，達(dá)到與C語言有效的結(jié)合目的。
將封裝好的塊應(yīng)用到整個(gè)控制系統(tǒng)回路中，避免了控制程序冗長(zhǎng)繁瑣等特點(diǎn)，使整個(gè)系統(tǒng)拼接更加方便快捷。
此圖顯示的是，驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)之間經(jīng)過編碼器建立反饋，形成高精度的伺服控制系統(tǒng)，伺服電機(jī)實(shí)時(shí)的將其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與信息上傳給ZMP控制卡。作為Synqnet總線上的節(jié)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)器可以和控制卡進(jìn)行通訊，通過總線接受上位機(jī)的各種操作、控制和參數(shù)設(shè)定命令，使得電機(jī)按照指令執(zhí)行。其中編碼器反饋信號(hào)傳遞給Feedback作為實(shí)際位置輸入，與指令位置輸入經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算后輸入到PID比例、微分、積分形式控制器中，經(jīng)過修改PID參數(shù)完成對(duì)控制曲線完善的作用。
簡(jiǎn)單的CMD指令保證控制卡程序方便容易的下載到驅(qū)動(dòng)器里面，通過界面完成每個(gè)軸的監(jiān)控。
其中Motion Scope可以對(duì)采樣的波形實(shí)時(shí)監(jiān)看
系統(tǒng)自帶MPI編程庫(kù)，編程人員能以更方便快捷易懂的方式通過C++進(jìn)行編程
MATLAB的數(shù)據(jù)可視化功能，可以對(duì)控制曲線實(shí)現(xiàn)Bode圖像顯示，IO輸入設(shè)置等。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動(dòng)畫和表達(dá)式作圖。
小結(jié)
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)各類專業(yè)人才的計(jì)算機(jī)技能要求越來越高，這就要求我們對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)更加熟悉。本文以直線電機(jī)平臺(tái)控制為例闡述了ZMP卡在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，用過Mechaware軟件工具實(shí)現(xiàn)和MATLAB® /Simulink的協(xié)同工作，用戶可以很快的建立任何系統(tǒng)的控制模型，并通過ZMP控制卡加以實(shí)現(xiàn)。高性能的SynqNet以太網(wǎng)總線技術(shù)，解決了用戶在多軸控制系統(tǒng)中的復(fù)雜接線問題，對(duì)于傳統(tǒng)的通過模擬量控制而言，具有較高的可靠性。
作者：沈振興 單位：北京慧摩森電子系統(tǒng)技術(shù)有限公司 職位：項(xiàng)目經(jīng)理
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