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ZMP控制卡的在多軸控制系統(tǒng)中應用
Multi-Axis Motion Control System Base on ZMP Controler
沈振興
（北京慧摩森電機系統(tǒng)技術有限公司，北京）
前言： 運動控制系統(tǒng)由大量元件組成的復雜系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)存在著極大的非線性，因而它的設計、運行是一項龐大的系統(tǒng)工程。ZMP控制卡是一款基于SynqNet總線技術的運動控制產(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運動控制卡的總線技術，伺服算法及仿真功能在本文中進行了敘述。
關鍵詞：ZMP控制卡，總線技術，MATLAB /Simulink，直線電機，伺服算法及仿真
多軸運動執(zhí)行機構(gòu)
 本文介紹的多軸平臺為雙驅(qū)龍門式結(jié)構(gòu)，采用先進的直線電機驅(qū)動技術，使用MicroE高精度光柵尺反饋做閉環(huán)控制，光柵尺分辨率50nm。保證高的運行速度以及良好的定位精度。驅(qū)動器采用科爾摩根AKD伺服驅(qū)動器 �？赏ㄟ^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(tǒng)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(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)進行調(diào)節(jié)。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(shù)在MatLab中進行伺服算法仿真和開發(fā)。
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 466MHz、16MB 133MHz 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(jié)點伺服刷新率高達48kHz，處理12個伺服軸時節(jié)點伺服刷新率高達16kHz。可以迅速建立任何系統(tǒng)的模型，并通過SynqNet 控制器加以實現(xiàn)：多種濾波器、狀態(tài)觀察器、狀態(tài)反饋、坐標轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，以及可以設計自定義控制方案等等強大功能。
SYNQNET總線技術
電機在SynqNet網(wǎng)絡中的應用
SynqNet是Motion Engineering Inc(MEI)公司設計的一個架構(gòu)在100Base-T物理層的運動控制網(wǎng)絡。此網(wǎng)絡代替標準的±10V模擬量接口，從而能在復雜的環(huán)境中顯示其優(yōu)勢。其中ZMP控制卡安裝接線 非常簡單，只需要將帶屏蔽的網(wǎng)線與驅(qū)動器通過SynqNet總線相連。從而實現(xiàn)控制功能。支持多達32個協(xié)調(diào)軸，實現(xiàn)多軸協(xié)調(diào)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(wǎng)絡，自動網(wǎng)絡組態(tài)和完整性檢驗，確保網(wǎng)絡的可靠性。
通過SynqNet網(wǎng)絡，一個網(wǎng)絡下的所有節(jié)點可以通過每個伺服周期內(nèi)發(fā)送的同步幀來統(tǒng)一每個節(jié)點的時鐘信號以達到所有節(jié)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(wǎng)絡中所有的節(jié)點發(fā)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(jié)點，并且將各個節(jié)點的反饋信息Feedback packet與狀態(tài)信息Status packet帶回。同步幀用于統(tǒng)一校準所有節(jié)點的時鐘，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。也就是說在每個伺服周期內(nèi)都會發(fā)送依次含有這三個幀的數(shù)據(jù)包給每個節(jié)點，這樣就可以保證一個網(wǎng)絡下的節(jié)點的同步誤差在一個伺服周期內(nèi)。
MechaWare
MechaWare軟件工具實現(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(shù)(PID)濾波器。經(jīng)過濾波器濾波之后輸出給執(zhí)行機構(gòu)的模塊。此系統(tǒng)最大的優(yōu)點是：在一些分析工具中，采取補償?shù)姆绞絹砀倪M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(xiàn)。然而在很多實例中，不能精確的反饋出設備位置，溫度摩擦等引起的變化效果，而這些導致系統(tǒng)共振，引起偏差并表現(xiàn)在運動上，利用Mechaware 的Matlab/Simulink編程，可以輕松的實現(xiàn)高級系統(tǒng)的建模和仿真。
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(shù)。上面的傳遞函數(shù)被封裝到模塊中
可以通過C語言設置簡單的
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)點是將復雜的傳遞函數(shù)用簡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的算術公式進行Simulink拼接，經(jīng)搭好的輸入輸出塊封裝完成更加簡練的PID參數(shù)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(jié)合目的。
將封裝好的塊應用到整個控制系統(tǒng)回路中，避免了控制程序冗長繁瑣等特點，使整個系統(tǒng)拼接更加方便快捷。
此圖顯示的是，驅(qū)動器與伺服電機之間經(jīng)過編碼器建立反饋，形成高精度的伺服控制系統(tǒng)，伺服電機實時的將其運動狀態(tài)與信息上傳給ZMP控制卡。作為Synqnet總線上的節(jié)點，驅(qū)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(shù)設定命令，使得電機按照指令執(zhí)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(jīng)過數(shù)學運算后輸入到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(qū)動器里面，通過界面完成每個軸的監(jiān)控。
其中Motion Scope可以對采樣的波形實時監(jiān)看
系統(tǒng)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
MATLAB的數(shù)據(jù)可視化功能，可以對控制曲線實現(xiàn)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。
小結(jié)
隨著科學技術的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對各類專業(yè)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(tǒng)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(tǒng)中的應用，用過Mechaware軟件工具實現(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控制卡加以實現(xiàn)。高性能的SynqNet以太網(wǎng)總線技術，解決了用戶在多軸控制系統(tǒng)中的復雜接線問題，對于傳統(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)技術有限公司 職位：項目經(jīng)理
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