CN108469726A - 一种基于EthernetPowerlink的变参数PID运动控制器实现方法 - Google Patents

一种基于EthernetPowerlink的变参数PID运动控制器实现方法 Download PDF

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Abstract

一种基于Ethernet Powerlink的变参数PID运动控制器实现方法，属于以太网技术与运动控制相结合的技术领域。该控制器作为Ethernet Powerlink从站接收主站发来的期望位置信息，同时在FPGA采集实际位置信息，与期望位置信息做差，传给变参数PID模块，计算结果送到PWM(Pulse Width Modulation)产生模块，将相应占空比的PWM波输入伺服电机驱动器，驱动电机转动到期望位置。该发明基于FPGA器件实现，通过设计实际实验验证了所提方法的可行性，本发明具有实时性高，抗干扰性强，开发成本低等优点，适用于复杂环境下高实时性，高稳定性要求的运动控制领域。

Description

一种基于EthernetPowerlink的变参数PID运动控制器实现 方法
技术领域
本发明涉及一种基于Ethernet Powerlink的变参数PID运动控制器实现方法，特别涉及一种用于复杂环境中的高实时性，高稳定性要求的主从式机器人控制系统中的运动控制器实现方式，属于以太网技术与运动控制相结合的技术领域。
背景技术
随着机器人技术的迅猛发展，在医疗、汽车、农业、军事等领域，机器人正逐渐代替人类完成繁重的工作任务。其中主从式机器人日益受到人们的关注，特别是需在危险或人类无法触及的复杂环境中完成相对较为复杂的任务时，往往普通机器人无法完成。
实时性方面：
在不同领域中，对于主从式机器人的实时性要求也不尽相同。例如在医疗领域，对于机器人的实时性要求很高。现有的主从式机器人通讯方式大多采用传统的现场总线，通讯速率慢，通信距离短，难以满足复杂主从式机器人控制系统的硬实时性要求。发明专利CN106506303 A提出基于实时以太网EtherCAT的控制器，采用控制器与专用comX协议板卡实现，虽然可提高系统实时性，但其需要专用的硬件器件实现，并且需要厂家授权，开发成本较高。
而Ethernet Powerlink可在多种平台实现，不需专用硬件器件，且为开源代码，无需授权，可自由使用。
运动控制算法方面：
传统PID适应性强，对环境参数变化不敏感，易于实现，因此常选用其作为运动控制器算法。但对于复杂大，具有大滞后大惯性的对象控制效果较差，发明专利CN1873562 A提出了基于FPGA实现的模糊自整定PID控制器，该方法采用模糊控制实现对PID参数的自整定，但其在模糊推理，规则查询表设计方面需要大量计算，且在实际应用中，确定不变的模糊规则恐难以适应复杂环境，强干扰的工作环境。专利CN201725180 U提出了利用遗传算法来整定PID参数，通过遗产算法训练得出较好的PID参数，有较强适应性，一定程度上提高了控制性能，但该方法在实现过程中，需要耗费FPGA内大量的逻辑资源，实现成本较高，且考虑对系统实时性的要求，该方法不适用于复杂环境下的高性能运动控制器。
对于变参数PID运动控制器这样比较复杂的从站应用，多采用FPGA(Field-programmable Gate Array)+MCU(Micro Control Unit)的硬件实现方案，但采用专用的MCU会造成控制性能浪费与系统成本的提高，而新推出的FPGA器件，集成了丰富的逻辑资源，使得将全部功能在FPGA器件上成为了可能。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有主从式机器人控制系统实时性低，难以适应复杂环境且硬件实现成本较高的问题。提出一种基于Ethernet Powerlink的变参数PID运动控制器实现方法，该运动控制器由一片FPGA器件实现，可以提高主从式机器人控制系统的实时性，节约硬件成本。
本发明目的通过以下技术方案实现：
本发明的一种基于Ethernet Powerlink的变参数PID运动控制器实现方法，其实现平台为FPGA，采用硬件描述语言实现。由于Ethernet Powerlink协议栈为C语言，不能直接运行在FPGA上，所以在FPGA中用逻辑资源实现NIOS软核，运行Ethernet Powerlink协议栈。该控制器作为Ethernet Powerlink从站与主站通讯，接收主站发来的期望位置信息，同时在FPGA实现了码盘采集模块，采集实际位置信息，与期望位置信息做差，输入到变参数PID模块，计算结果送到PWM(Pulse Width Modulation)产生模块，将相应占空比的PWM波输入伺服电机驱动器，驱动电机转动到期望位置。同时为了保证系统安全，设计电机使能模块，在系统通讯中断10周期后，电机使能模块不使能电机，实现安全停车。
上述基于Ethernet Powerlink的变参数PID运动控制器实现方法，所述运动控制器有基于Ethernet Powerlink的从站，其实现步骤如下：
(1)通过Ethernet Powerlink通讯方式，控制器作为从站，接收来自主站的期望位置信息；
(2)通过硬件描述语言实现码盘采集模块，采集实际位置信息；
(3)变参数PID模块根据期望位置与实际位置差值，产生PWM波占空比；
(4)PWM产生模块根据占空比，产生相应的PWM；
(5)将PWM输入到配置好的伺服电机驱动器中，驱动电机转动到期望位置；
(6)电机使能模块实时监视系统运行情况，保证系统安全；
进一步的，步骤(1)中，Powerlink模块用以运行实时以太网实现与主站的数据交换，在FPGA内用硬件描述语言实现了FLASH、SDRAM、JTAG、GPIO驱动，用于与外围的器件的接口，并实现了MAC作为实时以太网的数据链路层，同时在使能了两个以太网物理层接口，便于控制系统组网，得到主站发送的期望位置信息后，通过Powerlink的并行IO端口，在Powerlink同步函数中断中将信息发送到，FPGA内的变参数PID模块。
进一步的，步骤(2)中，码盘采集模块将采集到的实际位置信息，输入到变参数PID模块中，四路码盘差分信号经过差分电路后，根据码盘计数状态机，完成硬件语言编写。
进一步的，步骤(3)中，变参数PID模块主要需要完成比例，积分，微分及PID参数的整定，将获取的位置信息做差，并对差值进行限值，根据相应差值分别得出此时对应的参数，并与此时差值计算得出相应的PWM占空比，并得出电机旋转速度。
进一步的，步骤(5)中，PWM产生模块根据PID模块结果，产生相应占空比的PWM波，输入到驱动器驱动电机旋转到期望位置；其中PWM产生模块主要由计数器与比较器组成，计数8196个CLK信号为一周期，输入时钟500M，PWM波工作频率60KHZ。
本发明的优点：
(1)实时以太网Ethernet Powerlink采用分时槽通讯网络管理SCNM(SlotCommucation Network Management)，在时间上重新组织了各节点的信息交换方式，避免了传输中的数据冲突，且传输速率可达1000Mb/s，一次传输数据包容量大。相比基于传统现场总线的运动控制器，通信速率低，通信周期长，现场总线协议兼容性差，需要专用硬件实现且一次通讯传输数据较少，有效数据负载效率低等缺陷，实时以太网Ethernet Powerlink，可以显著提升主从式机器人运动控制系统的实时性。
(2)变参数PID控制算法，而相比较传统PID控制算法，其对于复杂大滞后系统，可减小系统超调，加快系统调节速率，改善系统整体性能，更为适用于现代复杂控制系统中。而相比更为复杂的PID参数整定方法的PID控制算法，其更易于实现，占用较少的逻辑资源，对FPGA器件要求低，可显著降低硬件成本。
在FPGA内部实现了Powerlink模块，变参数PID模块，PWM波产生模块，码盘计数模块，电机使能模块，不需要多余MCU，整个运动控制器基于一片FPGA器件实现，即可完成控制任务，降低了系统的开发成本。
(3)由于FPGA的并行运算特点，使得在FPGA器件上实现的的运动控制算法，计算速度更快，仅在纳秒级，相比嵌入式处理器，可以显著提高实时性。
本发明具有：实时性高，抗干扰性强，开发成本低等优点。
附图说明
图1为运动控制器整体框图；
图2为powerlink模块实现框图；
图3为码盘采集模块实现原理
图4为变参数PID模块实现框图；
图5为PWM波产生模块框图；
图6为电机使能模块框图；
图7为实施例通讯周期测试结果；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明
一种基于Ethernet Powerlink的变参数PID运动控制器实现方法，其实现平台为FPGA，采用硬件描述语言实现。如图1所示，主要包括Powerlink模块，变参数PID模块，PWM波产生模块，码盘计数模块，电机使能模块。
该控制器首先作为Ethernet Powerlink从站与主站通讯，接收主站发来的期望位置信息，同时在FPGA实现了码盘采集模块，采集实际位置信息，与期望位置信息做差，输入到变参数PID模块，计算结果送到PWM(Pulse Width Modulation)产生模块，将相应占空比的PWM波输入伺服电机驱动器，驱动电机转动到期望位置。同时为了保证系统安全，设计电机使能模块，在系统通讯中断10周期后，电机使能模块不使能电机，实现安全停车。
上述基于Ethernet Powerlink的变参数PID运动控制器实现方法，所述运动控制器有基于Ethernet Powerlink的从站，其实现步骤如下：
(1)通过Ethernet Powerlink通讯方式，控制器作为从站，接收来自主站的期望位置信息；
(2)通过硬件描述语言实现码盘采集模块，采集实际位置信息；
(3)变参数PID模块根据期望位置与实际位置差值，产生PWM波占空比；
(4)PWM产生模块根据占空比，产生相应的PWM；
(5)将PWM输入到配置好的伺服电机驱动器中，驱动电机转动到期望位置；
(6)电机使能模块实时监视系统运行情况，保证系统安全；
实施例1：
上述基于Ethernet Powerlink的变参数PID运动控制器实现方法，Powerlink模块用以运行实时以太网实现与主站的数据交换。其实现框图如图2所示，在FPGA内用硬件描述语言实现了FLASH、SDRAM、JTAG、GPIO驱动，用于与外围的器件的接口，并实现了MAC(MediaAccess Control)作为实时以太网的数据链路层，是连接物理层的物理介质，与网卡芯片连接。同时在使能了两个以太网物理层接口，便于控制系统组网。得到主站发送的期望位置信息后，通过Powerlink的并行IO端口，在Powerlink同步函数中断中将信息发送到，FPGA内的变参数PID模块。
同时码盘采集模块将采集到的实际位置信息，输入到变参数PID模块中，码盘采集模块实现原理如图3所示，四路码盘差分信号，经过差分电路后，根据图3右半部分为码盘计数状态机，完成硬件语言编写。为减少传输中的失真，四路码盘信号经过拆分电路后进入FPGA计数。
变参数PID模块主要需要完成比例，积分，微分及PID参数的整定。其整体结构如图4所示，Ms为期望位置信息，Ss为实际位置信息，将获取的位置信息做差，并对差值进行限值。根据相应差值分别得出此时对应的Kp、Ki、Kd的参数，并与此时差值计算得出相应的PWM占空比，并得出电机旋转方向。其中Kp、Ki、Kd参数的整定，对控制效果起到关键作用，其整定的方法如公式：
Kp＝Kp0(1+K′p(1-exp(-100e2)))
Ki＝Ki0(K′i+K″iexp(-100e2))
Kd＝Kd0(1+Kdexp(-25e2)
其中KpoKioKdo是按常规PID控制器整定方法频率响应法得到的最佳参数，K'pK'iK”iK'd为修正系数，从上述公式可以看出，K'p越大动态响应越快，K'p一般取小于1。Ki”反映了小偏差时的积分作用，为保证积分作用，Ki”一般取大于1，K'i为大偏差是的积分作用，一般为了避免积分饱和，K'i常取为0。K'd亦为小误差时的微分作用，K'd常取大于1。由于FPGA器件内部资源限制，且上述公式包含大量非线性函数计算，因此将其放到NIOS软核中计算。
可以看出的是相比较遗传算法，模糊规则等PID参数的整定方法，该PID参数整定方法具有易于实现，所耗资源少，实现成本低，实时性好等优点。
PWM产生模块根据PID模块结果，产生相应占空比的PWM波，输入到驱动器驱动电机旋转到期望位置。其实现框图如图5所示，主要由计数器与比较器组成，计数8196个CLK信号为一周期，输入时钟500M，PWM波工作频率60KHZ。
设计中为了保证整个系统的安全性，设计电机使能模块，其实现框图如图6所示。若中断通讯10个周期，则不使能电机，保证电机的安全稳定运行。
图7为Wireshark测量得到的该系统各个阶段的通讯时间图，设置FPGA工作在100MHZ，采用一个主站带六个从站，其中各个以菊花链方式组网。采用请求问答模式，首先主站广播SOC帧，开始同步阶段，实现各节点的同步，主站依次向各个从站发送请求帧Preq，各个从站反馈相应信息Pres，轮训完成后进入异步阶段，用于传输实时性要求较低的数据，传输完成后，一个周期结束，从所得结果可知，该系统运行周期接近450微秒，实时性很高。

Claims (5)

1.一种基于Ethernet Powerlink的变参数PID运动控制器实现方法，所述运动控制器有基于Ethernet Powerlink的从站，其实现步骤如下：
(1)通过Ethernet Powerlink通讯方式，控制器作为从站，接收来自主站的期望位置信息；
(2)通过硬件描述语言实现码盘采集模块，采集实际位置信息；
(3)变参数PID模块根据期望位置与实际位置差值，产生PWM波占空比；
(4)PWM产生模块根据占空比，产生相应的PWM；
(5)将PWM输入到配置好的伺服电机驱动器中，驱动电机转动到期望位置；
(6)电机使能模块实时监视系统运行情况，保证系统安全；
2.根据权利要求1所述的基于Ethernet Powerlink的变参数PID运动控制器实现方法，其特征是：步骤(1)中，Powerlink模块用以运行实时以太网实现与主站的数据交换，在FPGA内用硬件描述语言实现了FLASH、SDRAM、JTAG、GPIO驱动，用于与外围的器件的接口，并实现了MAC作为实时以太网的数据链路层，同时在使能了两个以太网物理层接口，便于控制系统组网，得到主站发送的期望位置信息后，通过Powerlink的并行IO端口，在Powerlink同步函数中断中将信息发送到，FPGA内的变参数PID模块。
3.根据权利要求1所述的基于Ethernet Powerlink的变参数PID运动控制器实现方法，其特征是：步骤(2)中，码盘采集模块将采集到的实际位置信息，输入到变参数PID模块中，四路码盘差分信号经过差分电路后，根据码盘计数状态机，完成硬件语言编写。
4.根据权利要求1所述的基于Ethernet Powerlink的变参数PID运动控制器实现方法，其特征是：步骤(3)中，变参数PID模块主要需要完成比例，积分，微分及PID参数的整定，将获取的位置信息做差，并对差值进行限值，根据相应差值分别得出此时对应的参数，并与此时差值计算得出相应的PWM占空比，并得出电机旋转速度。
5.根据权利要求1所述的基于Ethernet Powerlink的变参数PID运动控制器实现方法，其特征是：步骤(5)中，PWM产生模块根据PID模块结果，产生相应占空比的PWM波，输入到驱动器驱动电机旋转到期望位置；其中PWM产生模块主要由计数器与比较器组成，计数8196个CLK信号为一周期，输入时钟500M，PWM波工作频率60KHZ。
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