ZMP控制卡在多軸控制系統中的應用

沈振興

(北京慧摩森電機系統技術有限公司，北京)

1 多軸運動執行機構

本文介紹的多軸平臺為雙驅龍門式結構，采用先進的直線電機驅動技術，使用MicroE高精度光柵尺反饋做閉環控制，光柵尺分辨率50 nm。保證高的運行速度以及良好的定位精度。驅動器采用科爾摩根AKD伺服驅動器。可通過SynqNet總線和運動控制卡通信。選用高性能的基于SynqNet總線技術的ZMP運動控制卡控制。運動控制卡系統自帶相關應用軟件，包括Motion Console，Motion Scope其具有簡單的下載方式以及操作界面。用戶可以用Motion Scape進行基本的PID調節操作也可以通過轉換固件版本的方式使用Mechaware中功能函數修改合適的PID參數進行調節。ZMP卡的高級功能，也是用戶最希望的就是用戶可以使用Mechaware提供的功能函數在MatLab中進行伺服算法仿真和開發。多軸平臺見圖1所示。

2 ZMP控制卡

ZMP-SynqNet-PCI運動控制卡采用實時64位雙精度浮點Motorola PowerPC微處理器，CPU 466 MHz、16 MB 133 MHz SDRAM，強大的處理能力和運算速度，使理論上處理4個伺服軸時節點伺服刷新率高達48 kHz，處理12個伺服軸時節點伺服刷新率高達16 kHz。可以迅速建立任何系統的模型，并通過SynqNet控制器加以實現：多種濾波器、狀態觀察器、狀態反饋、坐標轉換、使用ZMP的64位雙精度計算、復雜傳動跟隨方法、增益切換、振動控制、復雜多入多出的工廠模型、易于定義的臺架控制拓撲結構，以及可以設計自定義控制方案等強大功能。

3 SYNQNET總線技術

SynqNet是 Motion Engineering Inc(MEI)公司設計的一個架構在100Base-T物理層的運動控制網絡。此網絡代替標準的±10 V模擬量接口，從而能在復雜的環境中顯示其優勢。其中ZMP控制卡安裝接線非常簡單，只需要將帶屏蔽的網線與驅動器通過SynqNet總線相連。從而實現控制功能。支持多達32個協調軸，實現多軸協調控制，針對噪聲抗擾度和電纜短路的電氣隔離、冗余自恢復的容錯網絡，自動網絡組態和完整性檢驗，確保網絡的可靠性。見圖2所示。

圖2 電機在SynqNet網絡中的應用

通過SynqNet網絡，一個網絡下的所有節點可以通過每個伺服周期內發送的同步幀來統一每個節點的時鐘信號以達到所有節點的同步控制，在每個伺服周期的開始控制器會先以廣播的方式向網絡中所有的節點發送一個同步幀SynqNet packet，然后以流的方式將命令幀Demand packet以及控制幀Control packet依次送達到每個節點，并且將各個節點的反饋信息Feedback packet與狀態信息Status packet帶回。同步幀用于統一校準所有節點的時鐘，命令幀包含經過DA轉換的模擬量軌跡數據也就是把脈沖量轉換過來的電流值，命令幀的值是否執行要看控制幀，控制幀中包含了所有的控制信息。也就是說在每個伺服周期內都會發送依次含有這三個幀的數據包給每個節點，這樣就可以保證一個網絡下節點的同步誤差在一個伺服周期內。

4 MechaWare

MechaWare軟件工具實現和MATLAB?/Simulink的協同工作，系統操作美觀、直接、方便，這里以簡單的PID設置為例進行說明，PID與復位塊組成一個比例、積分和導數(PID)濾波器。經過濾波器濾波之后輸出給執行機構的模塊。此系統最大的優點是：在一些分析工具中，采取補償的方式來改進機械性能，如采用精確建模和非線性擾動的軟件算法來實現。然而在很多實例中，不能精確地反饋出設備位置，溫度摩擦等引起的變化效果，而這些導致系統共振，引起偏差并表現在運動上，利用Mechaware的Matlab/Simulink編程，可以輕松地實現高級系統的建模和仿真。見圖3。

圖3 PID模型

這里的PID與復位塊被使用后過濾。這個塊提供了一個簡單的接口添加到你的控制回路的PID參數。上面的傳遞函數被封裝到模塊中，見圖4。

可以通過C語言設置簡單的

其主要優點是將復雜的傳遞函數用簡單的模塊化形式表示出來，可以方便地改變其參數，根據PID的算術公式進行Simulink拼接，經搭好的輸入輸出塊封裝完成更加簡練的PID參數設置，模塊更是和C語言形成一對一的設置，達到與C語言有效的結合目的。

將封裝好的塊應用到整個控制系統回路中，避免了控制程序冗長繁瑣等特點，使整個系統拼接更加方便快捷。見圖5。

圖5 程序示例

圖顯示的是驅動器與伺服電機之間經過編碼器建立反饋，形成高精度的伺服控制系統，伺服電機實時的將其運動狀態與信息上傳給ZMP控制卡。作為Synqnet總線上的節點，驅動器可以和控制卡進行通訊，通過總線接受上位機的各種操作、控制和參數設定命令，使得電機按照指令執行。其中編碼器反饋信號傳遞給Feedback作為實際位置輸入，與指令位置輸入經過數學運算后輸入到PID比例、微分、積分形式控制器中，經過修改PID參數完成對控制曲線完善的作用。

簡單的CMD指令保證控制卡程序方便容易的下載到驅動器里面，通過界面完成每個軸的監控。見圖6。

其中Motion Scope可以對采樣的波形實時監看，見圖7。

系統自帶MPI編程庫，編程人員能以更方便快捷易懂的方式通過C++進行編程見圖8所示。

MATLAB的數據可視化功能，可以對控制曲線實現Bode圖像顯示，IO輸入設置等。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動畫和表達式作圖。見圖9所示。

圖6 軟件界面

圖7 運動曲線實時監視

圖8 軟件編程

圖9 波特圖

5 結束語

隨著科學技術的不斷發展，各行各業對各類專業人才的計算機技能要求越來越高，這就要求我們對運動系統更加熟悉。本文以直線電機平臺控制為例闡述了ZMP卡在運動控制系統中的應用，用過Mechaware軟件工具實現和MATLAB/Simulink的協同工作，用戶可以很快的建立任何系統的控制模型，并通過ZMP控制卡加以實現。高性能的SynqNet以太網總線技術，解決了用戶在多軸控制系統中的復雜接線問題，對于傳統的通過模擬量控制而言，具有較高的可靠性。