一体化多轴同步运动控制系统及同步控制方法

本发明属于多轴同步运动控制技术领域，具体涉及一种新型一体化多轴同步运动控制系统及同步控制方法。

背景技术：

在多轴同步运动控制技术领域，现有的近似技术有：（1）基于共母线技术的多轴一体化控制器技术，如欧瑞传动电气股份有限公司研发的sd20-d系列双轴伺服驱动器，深圳众为兴技术股份有限公司研发的adt-rc400四合一伺服驱动一体机；（2）基于高性能同步工业网络总线的一体化多轴同步控制器技术，如浙江禾川科技股份有限公司研发的x3e系列四合一伺服驱动一体机，清能德创电气技术(北京)有限公司研发的rc6系列六合一伺服驱动一体机；（3）论文“工业机器人多轴同步控制技术”（哈尔滨工业大学2018年硕士学位论文，作者王振）、“多轴系统高精度同步控制技术”（西安电子科技大学2014年硕士学位论文，作者朱生强）以及“多轴工业机器人非线性环形耦合补偿同步控制”（《机械科学与技术》，2018年，第6期，第910-914页，作者刘克平、秦悦、杨宏韬等）；（4）会议论文“anewros-basedhybridarchitectureforheterogeneousmulti-robotsystems”（会议名称：第27届中国控制与决策会议，会议地点：中国山东青岛，会议时间：2015年5月23日-2015年5月25日，作者chu、dhe等）。

近似技术（1）设计的多轴一体化控制器技术缺点在于同步性能差，与普通的单轴伺服驱动器简单集成在一起效果差别不大。近似技术（2）缺点在于成本高，核心技术自主化程度低；时序级同步只实现了时序关键点的同步、而非时序全过程同步；响应级同步性差。近似技术（3）缺点在于所提的同步控制方法通用性低，时序级同步性差，系统稳定性有待提高。近似技术（4）缺点在于所提的同步控制方法通用性低，计算复杂，系统稳定性有待提高。

导致近似技术（1）缺点的原因在于类多轴同步伺服驱动一体机通过共母线技术将多个传统伺服驱动器的整流模块和开关电源模块进行归一化设计，但是信号采集、伺服控制等部分还是各轴独立的，这种方式相对于多个独立式伺服驱动器减少了集成体机，提高了电源利用率，但是各轴控制部分还是完全独立的，不论是在时序上还是响应上各轴伺服电机之间都缺乏同步机制。导致近似技术（2）缺点的原因在于通过ethercat等工业同步通信网络总线将各轴控制芯片及外部上位控制器同步起来，使用的该类高性能工业同步通信网络总线基础专利为国外企业垄断，通信主站价格高，核心技术自主化程度低，属于卡脖子技术，即使目前该技术已经开源，但是开源的都是比较基础的版本，能够适用于先进装备控制的高级稳定商用版本都是延迟公开并在取得授权后才允许使用的，在激烈的国际先进技术竞争中，这种技术的使用机制会有很大风险；基于ethercat等工业同步通信网络总线的同步机制为将上位控制器和各轴控制芯片按照一定的同步策略，在每一个或多个伺服控制周期的关键点（起点或终点或控制计算结果输出点）进行同步并在关键点到临时进行控制时钟补偿，而除了同步关键点外的其他时序点上，上位控制器和各轴控制芯片依然按照各自独立的时钟进行运算，因此这种同步控制机制无法实现全过程时序级同步；该近似技术重点在于将控制周期的关键点进行同步并在控制周期关键点对控制时钟进行补偿，但是各轴的控制是独立运行控制的，没有通过同步控制算法按各轴响应表现进行同步控制补偿，导致了系统多轴之间的响应级同步性效果不好。导致近似技术（3）缺点的原因在于该类方法以被控对象为基础进行同步控制方法研究，同步控制效果严格依赖于精确建立的被控对象数学模型，当被控对象发生变化或者被控对象数学模型建立条件发生变化时，就会导致所使用的同步控制方法失效，因此方法通用性有待提高；该类方法在总控级上进行同步方法运算，将同步控制方法输出结果发送给各轴进行补偿使用，但是各轴在运行时还是独立控制的，各轴控制器之间没有进行时序同步，因此时序级同步性差；该类同步方法直接将同步控制结果输入到反馈控制器中，对反馈控制系统影响较大，容易引起系统的不稳定。导致近似技术（4）缺点的原因在于该方法综合使用了h2控制方法、h∞控制方法、lmi线性矩阵不等式控制方法，这些方法的使用需要大量矩阵运算的支持，实时性欠缺，计算复杂；另外，该同步方法也是直接将同步控制结果输入到反馈控制器中，对反馈控制系统影响较大，容易引起系统的不稳定。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种一体化多轴同步运动控制系统及同步控制方法，以解决上述近似技术（1）、近似技术（2）、近似技术（3）中存在的同步性能差、成本高、核心技术自主化程度低、非全过程时序级同步等问题，以及上述近似技术（2）、近似技术（3）、近似技术（4）中存在的响应级同步性差、系统稳定性受影响严重、通用性低、计算复杂等问题。

本发明具体采用如下技术方案：

一种一体化多轴同步运动控制系统，其包括反馈采样模块和主控模块，所述反馈采样模块用于对多轴伺服电机的运行电流及运行位置进行采样，采样结果输入所述主控模块；所述主控模块包括一soc系统，所述soc系统包括固件描述层、控制管理层和多轴同步实时运动控制层；所述固件描述层用于描述外围接口的逻辑信息，为所述控制管理层提供外围接口的驱动信息；所述控制管理层用于控制和管理控制系统的工作状态；所述多轴同步实时运动控制层接收所述反馈采样模块的采样结果，用于多轴伺服电机的反馈位置检测与计算、反馈电流检测与计算，实现多轴同步电流环控制、多轴时序同步调度和多轴响应同步控制。

一种多轴同步运动控制方法，其包括如下步骤：

多轴同步电流环控制，包括单轴高速电流环控制、多轴并行流水同步电流环调度；

所述单轴高速电流环控制采用并行计算与串行计算相结合的带有pi调节器的空间矢量控制法，包括信号预处理阶段、单轴电流环控制计算阶段、单轴计算结果输出阶段；所述信号预处理阶段完成单轴电流环控制的数据预处理工作；所述单轴电流环控制计算阶段完成单轴电流环控制的数据计算工作；所述单轴计算结果输出阶段完成将单轴电流环控制计算结果输出到ipm功率模块；

所述多轴并行流水同步电流环调度包括信号统一预处理阶段，多轴电流环控制计算阶段、多轴计算结果统一输出阶段；所述信号统一预处理阶段并行完成多轴电流环控制的数据预处理工作；所述多轴电流环控制计算阶段，将电机轴进行分组，各轴组依次完成电流环控制的数据计算工作，每个轴组内各轴电流环控制的数据计算并行完成；多轴计算结果统一输出阶段完成将多轴电流环控制计算结果同时输出到ipm功率模块，实现时序级同步控制多轴电机。

多轴时序同步调度，包括多轴位置环控制误差计算、多轴位置环pi调节、多轴速度环控制误差计算、多轴速度环pi调节，轴组内各轴的位置环控制误差计算、多轴位置环pi调节、多轴速度环控制误差计算、多轴速度环pi调节并行完成，轴组间分时共享复用运算资源；

多轴响应同步控制，采用动态主从耦合同步前馈控制法，根据轨迹位置跟踪误差率确定动态主轴，并将其作为被跟踪轴，将其他轴作为调节跟踪轴，将被跟踪轴和调节跟踪轴的跟踪率相减结果作为同步控制误差，该误差经pd调节器运算后输出作为前馈值输出到电流环输入中。

较之现有技术，本发明至少具有下列有益效果：

1、本发明提供了一种能以较低成本实现的、多轴伺服电机控制全过程时序级绝对同步的、核心技术自主化程度高的一体化多轴同步运动控制系统，具有同步性能好、成本低、核心技术自主化程度高、全过程时序级同步等优点。

本发明的一体化多轴同步运动控制系统架构中主控芯片只有一片高性能fpga，相应的时序时钟也只有一个，这样就从本质上解决了多主控芯片之间时钟不一致导致的时序不一致问题，不需要额外的硬件接口或通过ethercat等高性能工业通信网络总线来进行同步了。为使得一体化多轴同步运动控制系统的优势得到最大程度的发挥，本发明的多轴同步运动控制方法由多轴同步电流环控制方法、多轴时序同步调度方法、多轴响应同步控制方法组成，多轴同步电流环控制方法实现又包括单轴高速电流环控制方法和多轴并行流水同步电流环调度方法。另外，通过采用并行计算与串行计算相结合的带有pi调节器的空间矢量控制法，实现了单轴高速电流环控制。多轴并行流水同步电流环调度方法，在时序上将系统运算分为信号统一预处理阶段，多轴电流环控制计算阶段、多轴计算结果统一输出阶段和多轴电流环等待阶段。在信号统一处理阶段，依然分为三个时间段并行完成系统中所有电机的数据预处理工作，包括并行完成多轴电机的前馈电流读取模块、速度环生成电流读取模块、反馈电流采样模块、编码器位置采样模块，电角度计算和电机速度计算，电角度正余弦求解。在多轴电流环控制计算阶段，每四个电机轴分为一个轴组，使用四个单轴电流环的分时共享复用矩阵运算器，共计16个乘法器和16个加法器，每个轴组内并行地完成四个电机轴的clark模块变换计算、park模块变换计算、电流环控制误差计算、电流环pi调节器计算、park模块逆变换计算。轴组间再分时复用这16个乘法器和16个加法器，构成新轴组地分时共享复用矩阵运算器，依次运行，直到完成所有轴组的控制。多轴计算结果统一输出阶段负责将控制计算结果同时输出到ipm上，实现全过程时序级同步控制多轴电机。多轴时序同步调度方法包括多轴位置环控制误差计算模块、多轴位置环pi调节器、多轴速度环控制误差计算模块、多轴速度环pi调节器，特点是每四个电机轴分为一个轴组，轴组内电机的位置环控制误差计算模块、多轴位置环pi调节器、多轴速度环控制误差计算模块、多轴速度环pi调节器是并行运算的，轴组间是分时串行共享复用运算资源的。

2、本发明提出了一种旨在提高多轴伺服电机控制响应级同步性的、适用于不同机械本体、不受被控对象机构模型限制的、不影响系统不稳定性的、简单易用的通用多轴同步运动控制前馈补偿方法，具有响应级同步性高、对系统稳定性无影响、通用性强、计算简单等优点。

本发明涉及的多轴响应同步控制方法为动态主从耦合同步前馈控制法，该方法首先定义并求取了各轴的轨迹位置跟踪误差率，然后相比较找出最大的轨迹位置跟踪误差率，再将对应的轴确定动态主轴即被跟踪轴，将其他轴作为调节跟踪轴。最后将被跟踪轴和调节跟踪轴的跟踪误差率相减结果作为同步控制误差，该误差经pd调节器运算输出作为前馈值输出到电流环输入中进行同步补偿。

附图说明

图1是本发明实施例1中一种一体化多轴同步运动控制系统的结构框图；

图2是本发明实施例1中一种一体化多轴同步运动控制系统结构连接逻辑拓扑关系图；

图3是本发明实施例2中单轴电流环控制时序图；

图4是本发明实施例2中多轴电流环控制时序图；

图5是本发明实施例2中动态主从耦合同步前馈控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例1如图1所示，一种一体化多轴同步运动控制系统主要由反馈采样模块和主控模块组成，主控模块设置在主控电路板上，反馈采样模块设置在放大电路板上。反馈采样模块对多轴伺服电机的运行电流及运行位置进行采样，采样结果输入主控模块，用于实现多轴同步电流环控制、多轴时序同步调度和多轴响应同步控制。

其中，主控模块包括io接口电路、dram存储器、eeprom存储器、led显示模块、串口通信模块、扩展通信模块、无线通信模块、按键模块、隔离电路以及soc系统。

io接口电路、led显示模块、串口通信模块、扩展通信模块、无线通信模块、按键模块为与外界交互的外围接口。io接口电路用于控制外部的被控数字量对象、检测数字量传感器信号；led显示模块用于显示系统的工作信息，以方便调试人员和使用人员及时了解系统的工作状态；串口通信模块用于与其他智能终端如示教器进行串口通信；扩展通信模块用于多个本系统级联使用时的通信链接；无线通信模块用于将本系统的工作信息与其他信息化系统（如机联网系统、mes系统等）服务器的网络链接交互数据；按键模块作用为调试时切换工作模式使用。隔离电路位于外围接口与soc系统之间，用于减少外围电路中的噪声信号对soc系统的干扰。dram存储器和eeprom存储器用于存储soc系统工作必需的输入数据信息和soc系统工作产生的输出数据信息。其中，dram存储器存储即时信息，存储读写速度快，eeprom存储器存储永久性信息，存储读写速度比dram慢。

soc系统为基于高性能fpga设计的nios系统，nios系统由固件描述层、控制管理层和多轴同步实时运动控制层组成。固件描述层用于描述外围接口的逻辑信息，给soc系统提供外围接口的驱动信息。控制管理层包括安全控制模块、系统调度模块、io控制模块、工具补偿模块、电源管理模块、通信管理模块，用于控制和管理整机系统的工作状态，包括对整机系统的运行安全进行监测和调整、对系统工作资源进行管理分配、生成io控制信息、配置工具信息并进行补偿、对电源系统进行监测并调整管理、配置通信信息等。多轴同步实时运动控制层包括多轴响应同步控制器、多轴时序同步调度器、单轴同步位置环控制器、单轴同步速度环控制器、多轴同步电流环控制器、反馈电流计算模块、反馈位置计算模块，用于多轴伺服电机的反馈位置检测与计算、反馈电流检测与计算，单轴伺服电机电流环控制、速度环控制、位置环控制等，并完成多轴响应同步控制方法的运算和多轴时序同步调度与管理。

放大电路板包括共母线整流模块、共母线滤波模块、共母线开关电源模块、反馈电流采样电路、反馈位置采样电路，其中反馈电流采样电路、反馈位置采样电路即组成反馈采样模块。共母线整流模块用于给多轴伺服电机提供统一的整流母线电压，共母线滤波模块用于对整流后的母线电机进行统一滤波，共母线开关电源用于将滤波后的电源统一转换为所需要的直流电源。反馈电流采样电路用于对伺服电机的运行电流传感器进行采样检测，反馈位置采样电路用于对伺服电机运行位置传感器进行采样检测。

上述组成模块的逻辑结构连接拓扑关系如图2所示。

实施例2一种多轴同步运动控制方法，包括如下步骤：

多轴同步电流环控制、多轴时序同步调度、多轴响应同步控制。

其中，多轴同步电流环控制包括单轴高速电流环控制、多轴并行流水同步电流环调度。

单轴高速电流环控制采用并行计算与串行计算相结合的带有pi调节器的空间矢量控制法，该方法能够最大程度上提高控制器的运算速度并节省计算资源，包括：

单轴信号预处理阶段，如图3所示，在整个电流环控制时序上占用第一-第三时间段（t1-t3），包括前馈电流读取、速度环生成电流读取、反馈电流采样、编码器位置采样、电机速度计算、电角度计算、正余弦计算，在该图3中work1内容为：前馈电流读取、速度环生成电流读取、反馈电流采样、反馈位置采样，work2内容为：计算电机速度、计算电角速度，work2内容为：正余弦求解，work4内容为：clark变换，work5内容为：park变换，work6内容为：电流环控制误差计算，work7内容为：pi调节器运算，work8内容为：park逆变换，work9内容为：svpwm计算；

单轴电流环控制计算阶段，在整个电流环控制时序上占用第四-第九时间段（t4-t9）包括clark变换、park变换、电流控制误差计算、电流环pi调节、park逆变换、svpwm计算。

单轴计算结果输出阶段：输出单轴电流环控制计算结果到ipm功率模块，实现对响应igbt的控制。

单轴电流环等待阶段：输出控制电机的时候，电机响应需要一定的时间，因此需要设定这个等待阶段。

其中t1时间段并行完成前馈电流读取、速度环生成电流读取、反馈电流采样、编码器位置采样。

t2时间段完成电角度计算和电机速度计算，计算公式如公式（1）和公式（2）所示。

其中，为采样间隔时间，为电机极数。

t3时间段完成正余弦求解，为了加快求解速度同时尽量少用宝贵的fpga运算资源，本发明设计了一种基于快速查表辅助的泰勒展开计算法，该方法可以最大程度上提高求解速度和求解精度，同时降低了查表深度和查表广度。该方法设计了一种特殊结构的正余弦值表，表中共含有99个数组，每个数组保存了角度值、相应正弦值、相应余弦值，数组1－数组10保存角度值为表序列为0至0.9、步长为0.1的角度及其正余弦值，数组11－数组99保存角度值为表序列为1至89、步长为1的角度及其正余弦值。然后将待求解的角度值θ分解为整数部分θ1、小数部分第一位θ2和小数部分除第一位外的其他部分θ3，即θ＝θ1＋θ2＋θ3。再在表中分别查出θ1的正余弦值sinθ1、cosθ1和θ2的正余弦值sinθ2、cosθ2，最后由公式（3）计算θ的正余弦值。

以上t4时间段至t8时间段的依次运算顺序完成clark模块变换计算、park模块变换计算、电流环控制误差计算、电流环pi调节器计算、park模块逆变换计算，这些计算都是类似的矩阵元素乘加运算。因此，为了节约计算资源，本发明专利设计通过一种分时共享复用矩阵运算器实现t4时间段至t8时间段的所有运算。分时共享复用矩阵运算器算法如公式（4）所示，在实现上由计算输出寄存器组、计算输入系数１寄存器组、计算输入系数2寄存器组、专用临时寄存器组、4个乘法器、4个加法器构成，其中t4时间段、t5时间段、t8时间段其中4个乘法器和2个加法器有效，t6时间段其中4个加法器有效，t7时间段全部的4个乘法器和4个加法器都有效。分时共享复用矩阵运算器在计算时首先根据特定时间按段选择相应的系数1数组寄存器和系数2数组寄存器，然后其中的有效乘法器同时并行乘法运算并保存乘积结果到专用临时寄存器组中，再然后其中的有效加法器同时并行完成对专用临时寄存器组中乘积结果的加法运算，最后将运算结果存放在计算输出数组寄存器中。

其中，和为电机坐标系和轴上的电流分量，和为电机相和相电流，和为电机坐标系和轴上的电流分量，为电机电角度，和为电机坐标系和轴上的电流误差，分别为轴参考电流，轴前馈电流，轴反馈电流，轴参考电流，轴反馈电流，分别为当前周期的轴控制电压和轴控制电压，，分别为上一周期的轴控制电压和轴控制电压，，，，分别为轴pi调节器比例增益、轴pi调节器积分增益、轴pi调节器比例增益、轴pi调节器积分增益，分别为坐标系和轴上的控制电压。

多轴并行流水同步电流环调度将多轴同步电流环在时序上分为信号统一预处理阶段，多轴电流环控制计算阶段、多轴计算结果统一输出阶段和多轴电流环等待阶段，如图4所示。在信号统一预处理阶段，依然分为三个时间段并行完成系统中所有电机的数据预处理工作，对应单轴电机的t1时间段并行完成的前馈电流读取模块、速度环生成电流读取模块、反馈电流采样模块、编码器位置采样模块，t2时间段完成的电角度计算和电机速度计算以及t3时间段完成的正余弦求解。在多轴电流环控制计算阶段，每四个电机轴分为一个轴组，每个轴组的四个单轴电流环控制计算分时共享复用矩阵运算器，共计16个乘法器和16个加法器，每个轴组内四个电机轴的t4时间段至t8时间段的clark模块变换计算、park模块变换计算、电流环控制误差计算、电流环pi调节器计算、park模块逆变换计算并行完成；轴组间再分时复用这16个乘法器和16个加法器，构成新轴组的分时共享复用矩阵运算器，依次运行，直到完成所有轴组的控制计算。多轴计算结果统一输出阶段负责将控制计算结果同时输出到ipm功率模块，实现时序级同步控制多轴电机。

多轴时序同步调度方法包括多轴位置环控制误差计算模块、多轴位置环pi调节器、多轴速度环控制误差计算模块、多轴速度环pi调节器，每四个电机轴分为一个轴组，轴组内电机的位置环控制误差计算模块、多轴位置环pi调节器、多轴速度环控制误差计算模块、多轴速度环pi调节器并行运算，轴组间分时共享复用运算资源。本发明以上电机轴组分组依据主要有两方面，一方面是在实际产品需求中，大部分以四个轴的伺服系统为一个分类，如直角坐标机器人、scara机器人等均是四轴或者三轴，关节型机器人大部分是六轴的但是在实际应用中也经常配合外部双轴的变位机一起使用，可以认为是八轴系统，也就是两个四轴的系统，因此，本发明将四个电机轴分为一个轴组。第二方面的原因在于综合考量fpga计算资源的优化使用、计算速度等多方面性能后作出的分组，fpga的计算资源是有限的，使用计算资源越少意味着成本越低，系统的性价比就越高，但是无限制的降低资源使用会约束计算速度等系统性能，因此，本发明将四个电机轴分为一个轴组。

本发明以上实施例设计的多轴响应同步控制方法为动态主从耦合同步前馈控制法，控制框图如图5所示，该方法将根据轨迹位置跟踪误差率确定动态主轴作为被跟踪轴，然后将其他轴作为调节跟踪轴，将被跟踪轴和调节跟踪轴的跟踪率相减结果作为同步控制误差，该误差经pd调节器运算后输出作为前馈值输出到电流环输入中。

图5中，和分别为第轴和第轴的参考输入轨迹的位置值，和分别为第轴和第轴的实际检测到的反馈位置值，pi表示比例积分调节器，pd表示比例微分调节器，和分别为参考速度和实际反馈速度，和分别为轴参考电流和实际反馈电流，和分别为轴参考电流和实际反馈电流，和分别为轴和轴电压，park表示park变换，clark表示clark变换，parkinverse表示park逆变换，和分别为轴和轴电压，ipm为智能功率模块，、和分别为伺服电机三相之间的电压，、和分别为伺服电机三相的电流，pmsm表示伺服电机，enc表示编码器，为电机极对数。

轨迹位置跟踪误差率定义如下式所示。

其中，表示第轴的轨迹位置误差跟踪率，表示保证所在分母不为零的微小正常数。

完成求取各轴的轨迹位置跟踪误差率后，然后进行比较，求取最大的轨迹位置跟踪误差率，将最大的轨迹位置跟踪误差率对应的轴定位动态主轴，即被跟踪轴，求取其他各轴轨迹位置跟踪误差率与动态主轴的轨迹位置跟踪误差率的差值作为同步控制误差，输入pd控制器中，经pd控制器运算，最后将输出结果作为前馈量送入其他各轴电流环中进行同步补偿。

尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。