一類基于Ether CAT的欠驅動系統伺服實驗平臺研制與測試驗證

許東芳 楊鵬程 青先國 李卓玥 肖 凱

（核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都 610213）

0 引言

傳統的Profibus、CANopen和Modbus等現場總線性能的限制決定了以往控制系統的架構，例如控制系統的位置環和速度環控制等都被設計在上位機里，現場總線只是用來傳遞相關控制算法的參數，如圖1所示，到目前為止，只能實時控制伺服電機底層的位置環。但是，基于EtherCAT，可以實時控制伺服驅動電機底層的速度環和轉矩環，從而實現智能控制算法。本文將介紹基于EtherCAT直驅一類欠驅動伺服系統，該系統可實時控制伺服驅動電機底層速度和輸出轉矩。另外，本文還將介紹一類欠驅動系統運行過程中液面晃動狀況的檢測系統，該檢測系統可提供液面狀況數據信息檢測。利用伺服控制系統及試驗平臺對該類欠驅動系統的控制開展測試驗證，可為今后工業機器人等工業現場的應用作好實驗準備。

圖1 伺服控制系統架構發展趨勢

1 一類基于Eth e r CAT的欠驅動系統伺服實驗平臺研制

1.1 一類基于EtherCAT驅動的電機伺服平臺研制

本文介紹的平臺基于EtherCAT的主從框架，主要包括硬件、用戶和內核三個層面，其中用戶層面為用戶提供了大量的接口，通過大量的適應性開發可實現伺服驅動系統的各種功能。硬件層面即指通過網絡接口控制器底層伺服驅動設備相連接，來構建一個EtherCAT的網絡系統。圖2所示為基于EtherCAT的伺服控制系統。

圖2 基于Ether CAT技術的主從框架

圖1是最新發展趨勢，即基于EtherCAT現場總線技術的直驅控制架構，圖3為EtherCAT中CANopen的實現原理。傳統的Linux系統內核只能達到一定軟實時的要求，然后給用戶提供基本的操作，不能保證硬實時。但是通過實時補丁，Linux系統內核可以實現硬實時。

圖3 CANopen的實現原理

本文使用的開源主站可通過EtherCAT建立與底層伺服驅動設備的通信。通過設置EtherCAT相關字節使伺服系統運行為不同的模式，控制伺服系統底層設備的速度和轉矩。另外，由于可以實現1 kHz的通信周期，因此可實現先進智能控制算法。

1.2 欠驅動系統狀態信息檢測系統開發

為了檢測該類欠驅動系統運動過程中的一系列狀態信息，即本文中的液體及貯液容器的運動狀態信息，驗證該欠驅動系統控制算法，開發了欠驅動系統狀態信息檢測系統。包括在欠驅動系統運行過程中周期性地捕獲系統狀態信息圖像，校準工業相機各項外部參數，校正液體狀態信息圖像的畸變，以及后期處理液體狀態信息圖像。

該系統使用工業相機，在欠驅動系統運行時以每秒125幀的最快速度捕捉液體狀態信息。對于圖像失真問題，參考經典的張氏標定方法，根據工業相機的各項外部物理參數，矯正圖像如圖4所示。閾值分離后對校正后的圖像進行預處理，經過一系列圖像處理及運算，如圖5所示，可得到其邊緣信息，然后計算得到液體晃動信息，并通過映射計算液體的高度，得到液體晃動的方向。

圖4 畸變校正前后圖像對比

圖5 欠驅動系統狀態信息檢測系統處理流程及示例

1.3 一類欠驅動伺服系統實驗平臺的開發

為了對EtherCAT通信技術及欠驅動實驗平臺的功能性能進行測試驗證，研制了一種可實現快速運動的一類欠驅動伺服系統實驗平臺。該實驗平臺選用支持EtherCAT通信的山洋電氣R2系列伺服系統，為了更好地將電機輸出在欠驅動系統上，利用膜片聯軸器與電機相連。一類欠驅動伺服系統實驗平臺如圖6所示。

圖6 一類欠驅動伺服系統實驗平臺

2 欠驅動系統控制算法驗證

2.1 開放貯液容器液體晃動描述及實驗設置

貯液容器中的溶液的晃動狀態抑制的控制為一類典型欠驅動控制系統，通過控制貯液運動平臺來控制容器中液體的運動狀態。首先，在位置控制模式下，考慮欠驅動系統即貯液容器的運動情況。位置控制方式采用梯形速度規劃。通過1.2節液體晃動狀態信息檢測系統的處理，可獲得圖7所示的實驗結果，用其表征液體在運動過程中的晃動情況。

圖7 位置控制模式下溶液晃動響應

圖7所示的欠驅動系統中容器中液體的晃動情況主要是由于承載平臺的加速度變化引起的。本文采取的速度控制流程如圖8所示。

圖8 欠驅動系統伺服實驗平臺控制流程

2.2 欠驅動系統實驗平臺及控制算法測試驗證

該實驗驗證基于輸入整形PID欠驅動系統控制方法(PID-ZVD)和欠驅動系統最優控制方法(LQRZVD)。由于本文主要考慮一類欠驅動系統實驗平臺的開發和基于EtherCAT的通信技術驗證，欠驅動系統控制算法的推導和設計本文不再贅述。本實驗中欠驅動伺服系統將采用周期速度控制的方式，控制頻率最高為1 kHz，欠驅動系統控制方法在開發的基于EtherCAT的主站上執行，實驗平臺中的伺服電機驅動器為從站，構成主從控制模式。

圖9為LQR-ZVD欠驅動系統控制方法和PIDZVD欠驅動系統控制方法的輸出響應。其中LQRZVD欠驅動控制方法穩定時間顯著增快且最大速度也更小。

圖9 位置和速度響應

圖10顯示了PID-ZVD實驗過程中液體晃動的狀態。可以看到，貯液容器在開始移動時明顯在晃動，隨后逐漸穩定。LQR-ZVD實驗過程中的液體晃動如下圖11所示。

圖10 PID-ZVD欠驅動系統控制方法的晃幅響應

圖11 LQR-ZVD欠驅動系統控制方法的晃幅響應

測試結果顯示，欠驅動運動過程中在保證運動速度的同時，晃動的幅度相較平緩，在開始運動后，液面就迅速趨于平緩，并且最大速度小，最大加速度也明顯減小。

兩種欠驅動系統控制方法都能很好的實現這一類欠驅動系統的控制目標，實現這一類欠驅動系統運動的控制，充分驗證了本文實驗平臺的可用性以及EtherCAT通信技術的實時性和有效性。

3 總結與展望

開發的基于EtherCAT的一類欠驅動伺服系統實驗平臺實現了與伺服設備的EtherCAT通訊，以及底層伺服設備的速度環、轉矩環的閉環控制，實現其1 kHz的通訊周期。研發的欠驅動系統狀態信息檢測系統及實驗平臺，實現了高速準確的液體輸送和液體動態信息處理。實驗驗證和分析表明，基于EtherCAT的伺服系統實驗平臺滿足實驗要求，更好地實現了直接驅動控制和智能控制算法，為后續在工業現場的應用奠定了實驗基礎。