九路作动装置同步控制系统设计*

厉金鹏,黄振峰,梁 巍,徐 新,覃泽龙

(广西大学机械工程学院,南宁 530004)

0 引言

随着科技、工业需求的不断增长,大功率驱动控制以及多自由度平台的控制等应用场景越来越多,传统的单电机伺服系统很难满足性能需求[1]。多电机的协同工作已经越来越多地应用[2]在工业自动化控制系统[3]中,如运动控制系统[4]、机器人控制系统[5]、电动汽车[6]等。在多电机驱动伺服系统中,由于每台电机的技术参数不同以及外界负载扰动变化、随机干扰[7]等因素的存在,从而会造成电机间的位置和转速不匹配,影响系统整体控制性能,加速传动机构疲劳,影响使用寿命和安全。为了实现电机之间按预期设定关系协调工作[8],必须建立一套高性能多电机同步控制电气系统[9]。在多路伺服机构控制中,各模块之间需要相互配合和协调才能保证较高的同步精度。多电机同步控制[10]过程中误差主要来源于两个方面,一方面是电机指令给定值和实际反馈值之间的误差,称为跟随误差[11],跟随误差可通过设计和完善电机控制算法来减小;另一方面是实际运行工作中各路电机之间的位置或者速度偏差,被称为同步误差,可通过采用先进的通讯技术来降低电机间通讯延时[12],采用合理高效的同步控制策略[13]来减小。

许多相关研究人员设计了多种多电机同步控制系统。卫春芳等[5]设计的系统基于ARM和FPGA的控制架构,应用于双足机器人,能够同步控制其中的多电机。李言民等[8]提出一种运用运动控制卡的同步控制系统,采用交叉耦合模糊PID控制算法,实验结果表明优化了系统超调量,提高了同步控制精度。杨赛东等[10]提出了一种基于改进型速度补偿器的二阶线性自抗扰控制器,仿真结果表明提高了系统的响应性能和抗干扰能力。

本文设计了一种基于时间触发协议(time triggered protocol,TTP)的九路作动装置同步控制系统,应用于飞机发动机尾喷管某作动装置,其功能是根据控制单元的指令,驱动控制电机转动,经减速器后带动丝杆运动,经过传动机构后控制尾喷管扇叶的运动,实现燃气流量调节。本系统采用数字信号处理器(digital signal processing,DSP)和现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)的双芯片控制架构,采用总线式结构设计方案,模块化设计系统硬件和软件,在DSP和FPGA相互配合下完成协同控制,具有优异的跟随性能和同步性能。

1 系统总体方案设计

1.1 系统总体方案设计

九路同步作动装置同步控制器采用总线式结构设计方案,利用TTP总线将9个独立的舵机伺服控制器连接起来,通过高可靠时间触发总线进行舵机状态的数据实时共享。每个舵机控制器在实现舵机驱动控制算法的同时,还要从TTP总线上获取的其他舵机的状态,利用舵机控制器内部的同步控制算法进行同步控制。TTP总线具有故障检测能力、容错通信能力强和通信时间延迟低的优点[14],可有效保证系统的可靠性。同时每个舵机控制器进行伺服控制和同步控制的任务不会太大,不至于影响系统控制性能,系统可扩展性强。

总线型结构控制方案包括9个相同的伺服驱动控制器,系统架构总体框图如图1所示。9个伺服驱动控制器之间内部通过四余度TTP总线进行互联。通过高速通信总线实现数据和信息的共享, 实现分布式协调控制,在外部通信接口上,9个伺服驱动控制器通过RS422通信接口与上位机相连,接收上位机给定的位置控制指令,并将各伺服机构状态反馈给上位机,用于实时监测。

图1 基于TTP的总线型架构总体方案图

伺服驱动控制器是进行信息交互、接收指令并实现精确控制的核心,主要由伺服控制单元、伺服驱动电路、信号检测处理电路及储能滤波电路组成,总体方案框图如图2所示。作动装置包括了作动机构丝杆、电机、刹车和电位器4个部分。舵机的工作过程:刹车供电48 V解锁,电机转动带动丝杆运动,电位器反馈实际位置。伺服控制单元是系统控制的核心部分,主要完成电机位移、温度和旋变等信息的采集、控制和处理各个控制器间通信的功能。主控制单元具有电机位置控制、转速闭环控制以及故障保护等功能。伺服驱动器采用先进智能功率集成模块,简化驱动电路设计,提高功率放大器的可靠性。电流传感器用于采集电流,并在短路电流过大时起到保护作用。储能滤波电路用于稳定电源,消除干扰,确保电源品质。将输入的270 V电源滤波后输入到DC-DC电源转换模块,输出48 V电源用于解锁舵机内部的制动器供电、控制板供电和驱动模块供电。

图2 伺服驱动控制器总体方案图

1.2 结构布局整体方案

九路伺服控制模块的划分布局与接口连接框图如图3所示,包括电源滤波模块、DC-DC电源转换模块和9个舵机伺服控制模块。为保证外部供电接口的兼容性、以及电源滤波部分器件功率限制,采用三路供电接口和对应的电源滤波模块,一个供电口给三路舵机伺服控制器进行供电。为了保证电压转换模块的一致性,DC-DC模块负责将270 V供电转换成48 V给电机制动器和驱动器供电。9路舵机伺服控制器通过RS422接口接收上位机位置控制指令,按照通信协议反馈各自的运行状态和数据。四余度TTP总线上共享各伺服机构的指令、实际位置、电机转速、电机位置、主电压、主电流、相电流、电机温度、运行状态等信息。

图3 控制器平面结构布局方案

九路同步机构控制器模块高度方向布局方案如图4所示。每个驱动控制器包含驱动板、隔离板、控制板和通信板。通信板负责外部通信和TTP总线通信。控制板采集电信号,解算主电压、主电流、相电流等信号,实现控制算法,产生PWM波。隔离板用于隔离控制板和驱动板之间的电信号。为了提高系统地抗干扰能力,对控制板产生的三路差分PWM波及故障信号进行信号隔离处理。驱动板的作用是将控制电路输出的脉冲信号进行功率放大,以驱动功率管工作。驱动板能够使功率开关管可靠地通断;尽可能小的开通关断延迟,具有电气隔离,使控制电路与驱动电路绝缘。

图4 控制器垂直方向结构布局方案

1.3 软硬件功能总体方案

九路同步机构控制器的软硬件功能模块划分如图5所示,包括DSP处理器、FPGA处理器、模拟信号采集、数字通信接口和功率驱动控制接口等部分。信号采集用专门的delta-sigma AD转换芯片实现。AD芯片将位置、主电压、电流等信号采集进来,利用SPI总线与FPGA相连。旋变解调模块用于采样和读取电机的位置及转速信息。RS422接口用于接收上位机发送的位置控制指令。TTP总线接口与FPGA相连,用于控制器之间的数据共享。DSP与FPGA之间采用外部存储接口(external memory interface,EMIF)交换数据。FPGA通过EMIF接口将采集回来的电机状态以及控制指令发送给DSP,用于实现控制算法。DSP通过控制算法产生PWM波,发送给FPGA。FPGA结合电机工作的时序逻辑和故障保护逻辑处理PWM波,得到功率管的导通状态,并发送给功率驱动模块。

图5 软硬件功能模块连接方案图

2 系统软硬件设计

2.1 系统硬件设计

同步控制系统的硬件主要包括DSP和FPGA主控制单元、电源滤波电路、电压转换电路、泄放电路、功率驱动模块、AD采样电路、位置保护电路、旋变解调电路和串口通信模块电路。主控制单元采用的是创SIM-TL2837xF核心板,板载DSP、FPGA、晶振等硬件资源。外部开关电源输出作为电源滤波电路输入,经滤波处理后输出给控制器,然后再通过电压转换电路,转换成各个电路工作电压。当丝杆运动到指定位置时,电机停止转动,机械能转化为电能,这部分能量无法释放出去,会使电路内电压升高,即产生泵升电压,电压过高会破坏驱动芯片,将电能通过泄放电路消耗在泄放电阻上,保护驱动器。功率驱动模块采用FNB35060T集成驱动芯片,该驱动芯片具有集成度高、驱动能力强,外围电路简单,且拥有故障诊断功能,可靠性强。AD采样电路中的AD芯片采用的是TI公司的ADS131M08芯片,能够实现8通道同步采样,数据位宽为24位。AD采样电路将电压、电流、位置等信号采样并经过信号调理电路传给AD芯片。位置保护电路是在软件位置保护失效时或电机失控时,防止丝杆超出可运动的有效行程。旋变解码芯片采用的是AD2S1210,旋变解调电路通过该芯片将电机反馈回来的信号解调成电机的位置和转速。串口通信模块电路采用隔离式芯片ADM2582E实现通信,采用差分模式传输信号,提高通信信号的品质。它能够对信号和电源隔离,抗干扰能力强,该模块可实现RS422和RS485通信。

2.2 系统软件设计

软件是系统功能实现的核心组成部分。系统软件架构如图6所示。FPGA软件架构主要由SPI通信模块,串口通信模块、基于SCI协议的TTP通信模块、时间同步模块、EMIF读写控制模块和PWM逻辑控制模块组成。SPI通信模块负责与AD芯片和旋变解码模块通信。串口通信模块主要用于与上位机通信,接收上位机指令帧,发送给DSP;将DSP组好的数据帧发送给上位机,用于在线监测。TTP通信模块基于SCI协议,发送和接收每个控制器的数据,实现数据共享。本系统中TTP总线一共设计有四路通道,将总线通道A、B、C用作数据共享,总线通道D作为余度处理和方便作系统扩展。总线数据排列时序如图7所示。三路用于数据共享的总线通道,每隔通道上包含3个控制器的数据,总线通道A上依次发送控制器1、4、7的数据,总线通道B上依次发送控制器2、5、8的数据,总线通道C上依次发送控制器3、6、9的数据。总线上每个控制器的数据帧长度为48个字节,传输时间是76.8 μs。每帧数据的通信时间为100 μs,用于数据传输和数据处理,总线上各个控制器数据之间相互错开,互不干扰,数据传输可靠性强。9个伺服驱动控制器的所有数据交换在1 ms内完成,便于保证协调控制的同步性和数据的实时性。时间同步模块用于控制整个系统的时间同步,保证整个系统都工作在一个全局时钟下,减小通信延时。EMIF读写控制模块通过控制数据总线和地址总线来实现DSP和FPGA之间的数据交互。PWM逻辑控制模块会根据DSP产生的差分PWM,进行逻辑保护,当检测到产生的PWM同时为高电平时,FPGA会马上关断PWM。处理过流信号和丝杆超出限位信号,发生故障时,马上关断PWM,停止驱动电机。

图6 系统软件架构

图7 总线数据排列时序

DSP软件架构主要包括控制模块、同步控制补偿模块、软件保护模块、串口通信模块、总线数据处理模块和EMIF数据交互模块。控制模块实现三环控制算法。通过三闭环控制形式,可以确保系统的动态性能和稳态精度。同步控制补偿模块实现同步控制算法,保证系统的动态同步控制精度。软件保护模块是为了保证系统运行的安全性,驱动控制器自身设置了分级保护机制,包括舵机位置限位保护、过流保护、过压保护等保护。产生故障时,该模块会产生状态字,状态字可以上传给上位机,使操作人员可以知道舵机发生的故障信息,并做出相应的操作去保护控制器和舵机。串口通信模块主要是用于数据的组帧和解帧,将舵机的信息组帧传给FPGA,将上位机数据解帧用于控制。总线数据处理模块实现制定好的总线通信协议,完成数据帧的组帧和解帧,完成总线数据的接收和发送。EMIF数据交互模块用于实现DSP和FPGA之间的数据互通,FPGA采集到的AD芯片数据、旋变解调数据和上位机数据均通过EMIF发送给DSP。

2.3 伺服控制方法

由于9路同步控制占用资源较多,DSP处理器计算能力有限,DSP实现伺服控制算法的实现,FPGA实现接口扩展。整体控制框图如图8所示。所控制的电机为永磁同步电机,电机转动经减速器,带动丝杆运动。整个系统控制主要是实现三闭环控制,包括丝杆位置闭环、速度闭环和电流环闭环控制。位置环作为整个闭环控制系统的最外环,采用比例控制结合积分控制的复合控制方式,位置环满足对位置指令的快速响应,且具有较低稳态位置误差。转速环采用比例控制,转速环增强系统的抗负载扰动能力,抑制转速波动[15]。电流环作为整个控制系统的最内环,采用比例控制,电流闭环用于提高系统动态响应快速性,抑制电流环内干扰,限制最大电流保障系统安全可靠运行。

图8 作动装置反馈控制框图

3 试验结果与分析

为检验控制系统最终达到的控制效果,将本系统应用于某型直线舵机。九路作动装置同步控制系统中的单个控制器与电源滤波模块如图9所示,控制板如图10所示。为了验证系统的性能,对系统分别进行单电机和多电机控制实验。单电机控制实验包括阶跃响应、灵敏度测试和正弦响应,多电机控制实验为同步性能测试。上位机可以发送指令和接收数据反馈,并将数据保存下来,便于实验结果的分析。实验中,外部供电270 V。

图9 单个控制器与电源滤波模块

图10 控制板

3.1 单电机控制实验

为了验证系统的位置控制,进行阶跃响应测试。实验结果如图11所示,图11a表示阶跃响应的实验的舵机的位置指令和位置反馈,图11b表示电机的转速。由图可得,最大的阶跃指令为50 mm,最大的阶跃行程为100 mm,-50 mm～50 mm为丝杆伸出全行程,50 mm～-50 mm为丝杆缩回全行程。丝杆伸出全行程用时0.89 s,电机的最大平均转速为-11 500 rpm,丝杆的平均速度为112.36 mm/s;丝杆缩回全行程用时0.91 s,电机的最大平均转速为11 600 rpm,丝杆的平均速度为109 mm/s。通过计算舵机的位置指令和位置反馈的差值,系统的定位精度不超过0.2 mm。

(a) 舵机位置指令和位置反馈曲线 (b) 电机转速响应曲线

控制灵敏度测试实验结果如图12所示。在机构0 mm处,发送步长为0.2 mm的阶跃指令,系统可以响应指令,说明系统的控制灵敏度不大于0.2 mm。

图12 控制系统灵敏度测试曲线 图13 3 Hz频率响应曲线

为测试系统的带宽,对系统输入幅值为6.5 mm,频率为3 Hz的正弦波,测试一定频率下机构跟随指令的响应。实验结果如图13所示。系统输入频率为3 Hz的正弦波时,系统输出幅值为6.47 mm,幅值衰减小于3 dB,输出相移为10.8°。由此可知系统的带宽不小于3 Hz。

3.2 同步性能测试

为了测试系统的同步性能,实验中选择6路作动装置,进行6路舵机的位置控制。位置误差表示舵机的位置指令和位置反馈之差,通过比较舵机间的位置误差来测试系统的同步性能。为了便于比较同步效果,先不发送同步控制指令,舵机的行程为先伸出40 mm,再回0,然后缩回40 mm,最后回0。接着发送同步控制指令,运行同步控制模块,进行相同行程的运动。通过比较前后两次行程的同步误差衡量该系统的同步性能,实验结果如图14所示。图14a表示舵机的位置反馈,表示舵机的运动过程。图14b可知,在同步控制前,各台舵机之间的最大同步误差可达1.6 mm,同步控制后,各台舵机之间的最大同步误差为0.15 mm,可以看出,本文设计的同步控制系统可极大提高同步控制精度,同步性能好。

(a) 位置反馈曲线 (b) 同步误差曲线

4 结论

本文对九路作动装置同步控制系统进行了设计,采用DSP和FPGA的双芯片控制架构,DSP用于实现控制算法,FPGA用于实现时间触发通信、外部接口扩展和实时逻辑处理。采用总线式结构设计方案,应用TTP总线实现各个控制器之间的数据和信息共享,通信时间延迟低,可扩展性强。该系统实现了分布式驱动控制,容错能力和可靠性强,利于系统集成,解决了传统集中式方案设计复杂、可靠性差的问题。设计了系统硬件和软件,硬件电路采用模块化设计,整体紧凑,结构清晰,布局方便,能有效减少模块间的耦合干扰;模块化设计软件使系统移植性更强,可读性更好,且可靠性更高。实验结果表明,本文设计的九路作动装置同步控制系统,运行良好,具有优异的跟随性能和同步性能。