CN112147942A - 基于fpga+dsp的双运动平台同步控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于FPGA+DSP的双运动平台同步控制系统及控制方法，其克服了现有技术中存在的双运动平台无法实现高速高精度同步控制的问题，有效实现双运动平台的高速高精度同步控制。本发明包括双运动平台的定位及同步控制单元和位置测量单元，双运动平台的定位及同步控制单元包括DSP处理器和驱动电路，双运动平台分别与驱动电路连接，驱动电路通过控制接口与DSP处理器连接，位置测量单元包括测量电路和FPGA，双运动平台并分别与测量电路、归零电路和限位电路连接，测量电路、归零电路和限位电路分别通过位置检测接口与FPGA连接，FPGA通过通信接口与上位机连接。

Description

基于FPGA+DSP的双运动平台同步控制系统及控制方法

技术领域：

本发明属于运动平台控制领域，涉及一种基于FPGA+DSP的双运动平台同步控制系统及控制方法。

背景技术：

目前，双运动平台同步控制广泛应用于现代化工业生产中，主要领域涉及机器人控制、机械传动和机床加工等，成果较多，应用也较广泛。

同步控制涉及到各分系统之间的关系，所以从它们之间相互关系可以分为并联(非耦合)式和交叉耦合式两种结构。

并联式同步控制结构相对而言比较简单易实现。其基本工作原理是：对于两个子系统，同时输入满足某种数学关系或者完全相同的轨迹指令信号，让各个子系统独立运动而实现同步运动。虽然并联式同步运动控制结构具有结构简单、易于实现的优点，但缺点也很明显，两个子系统的控制器输出仅仅依赖于自身的位置跟踪误差，各轴之间不共享误差信息，相当于对两个不具有耦合关系的独立系统进行同步控制。当其中一个子系统产生跟踪误差后，误差信息反馈给自身的闭环控制器进行修正；而另一个子系统仍然保持原来的运动状态。因此，任何一个子系统的跟踪误差将直接反映到同步误差上，整个系统不能对同步误差进行有效的补偿。

交叉耦合同步控制结构不同于并联式同步控制结构，其要在两个被控系统之间建立一定的耦合关系，即将同步误差或者子系统的跟踪误差反馈至子系统中，使得两个子系统的输出趋于同步。按照两个子系统同步控制结构中的作用或地位，交叉耦合式同步控制结构又可以划分为主从式同步控制与协调式同步控制结构两种。主从式同步控制结构中两个子系统分为主系统与从系统。其基本工作原理是：将系统的同步误差或者主系统的跟踪误差反馈至从系统的控制环节，以让从系统尽快跟踪主系统。协调式同步控制结构是相对于主从式同步控制而言，两个子系统以协调为主，不区分主从系统。其基本工作原理是：无论哪一个子系统出现扰动或者变化，对每一个子系统均会产生影响。

因此，如何在现有运动平台控制研究的基础之上，实现双运动平台高速高精度同步控制，是一个急需解决的问题。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于FPGA+DSP的双运动平台同步控制系统及控制方法，其克服了现有技术中存在的双运动平台无法实现高速高精度同步控制的问题，有效实现双运动平台的高速高精度同步控制。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于FPGA+DSP的双运动平台同步控制系统，其特征在于：包括双运动平台的定位及同步控制单元和位置测量单元，双运动平台的定位及同步控制单元包括DSP处理器和驱动电路，双运动平台分别与驱动电路连接，驱动电路通过控制接口与DSP处理器连接，位置测量单元包括测量电路和FPGA，双运动平台并分别与测量电路、归零电路和限位电路连接，测量电路、归零电路和限位电路分别通过位置检测接口与FPGA连接，FPGA通过通信接口与上位机连接。

双运动平台的定位及同步控制单元中，驱动电路包括运动平台a驱动电路及运动平台b驱动电路；DSP处理器与运动平台a驱动电路及运动平台b驱动电路之间通过控制接口进行连接，运动平台a驱动电路、运动平台b驱动电路分别直接驱动位于运动平台a、运动平台b上的电机进行运动。

位置测量单元中，测量电路包括运动平台a光栅测量电路及运动平台b光栅测量电路，位于运动平台a、运动平台b导轨上的光栅尺分别连接运动平台a光栅测量电路、运动平台b光栅测量电路，运动平台a光栅测量电路、运动平台b光栅测量电路与FPGA之间通过位置检测接口连接。

运动平台的归零电路将归零信号通过位置检测接口传送到FPGA中，控制系统进行归零操作。

运动平台的限位电路包括运动平台a、运动平台b的两端分别设有的两级限位开关，前一级用于切断控制输入，后一级用于切断控制输出，限位电路将运动平台的状态信息通过位置检测接口传送到FPGA，控制系统进行限位操作。

通信接口采用USB2.0接口与上位机进行通讯，接收上位机发送的指令和数据以及向上位机发送双运动平台的状态数据。

一种基于FPGA+DSP的双运动平台同步控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)开始；

2)是否进行归零运动？是则进入下一步；否则进入步骤5)；

3)控制运动平台进行归零；

4)归零运动是否结束？是则进入下一步；否则返回上一步；

5)是否终止运动？是则进入步骤8)；否则进入下一步；

6)运动平台运动到指定位置；

7)运动平台是否运动到指定位置？是则进入下一步；否则返回上一步；

8)存储数据；

9)结束。

8、根据权利要求7所述的基于FPGA+DSP的双运动平台同步控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)FPGA接收到上位机发送的预先规划且合理的起始位置及运动轨迹指令后，运动平台控制系统控制开始，并判断是否需要进行归零运动，如果是，则控制运动平台进行归零运动，如果不是则执行下一步；

2)FPGA经通信接口实时接收上位机发送的信息，判断是否终止运动，如果是，则存储数据并结束控制流程，如果不是则执行下一步；

3)控制系统中的双运动平台定位及同步控制单元通过接收的位置信息，驱动运动平台a和运动平台b的上电机运行，使平台运动到指定位置，同时双运动平台位置测量单元实时计算运动平台的位置，作为运动平台定位及同步的控制参数；

4)在运动平台运动的过程中，DSP处理器控制并实现运动平台a、运动平台b之间的同步，直到完成上位机规划的轨迹且运动到指定位置，存储数据并结束控制流程。

9、根据权利要求8所述的基于FPGA+DSP的双运动平台同步控制系统的控制方法，其特征在于：双运动平台定位及同步控制单元误差校正包括以下步骤：

1)运动控制模块中运动平台a的运动控制模块和运动平台b的运动控制模块将加载上位机预先规划的运动轨迹数据；运动控制模块中运动平台a的运动控制模块将规划的运动数据和系统传感器采样到的运动数据进行比较得到差值，并将其转化为驱动相应运动执行模块的信号；运动控制模块中运动平台b的运动控制模块将规划的运动数据和系统传感器采样到的运动数据进行比较得到差值，再加上同步误差校正模块输出的误差校正信号，最终将其转化为驱动相应运动执行模块的信号；

2)运动执行模块中运动平台a的运动执行模块接收到相应运动控制模块输出的驱动信号执行相应的运动；同时运动平台b的运动执行模块接收到相应运动控制模块输出的驱动信号执行相应的运动；

3)运动平台a和运动平台b的位置信息由位置检测模块反馈到输入端同规划的轨迹相减分别得到运动平台a的跟踪误差和运动平台b的跟踪误差。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果是：

1、本发明采用FPGA+DSP作为双运动平台控制系统的主控芯片，处理器内部资源丰富。与上位机的通信接口采用USB2.0，接口扩展性好，且便于系统升级。传统控制系统将位置测量部分用单独电路进行处理，且读取其中一路数据时另一路数据需要等待，占用系统工作时间；本发明中运动平台定位及同步控制由DSP实现，可以同时输出两路控制信号驱动运动平台进行相应的运动。本发明将位置测量部分在FPGA内部实现，可并行进行，效率高，可靠性好。

2、本发明可以实现运动平台a、运动平台b的灵活运动，随意调节；且能通过同步控制算法对同步误差进行校正，提高了双运动平台各自的高精度定位及彼此的同步性能。

附图说明：

图1为双运动平台同步控制系统硬件原理框图；

图2为FPGA+DSP为主控芯片的双运动平台控制系统原理框图；

图3为运动平台控制系统控制流程图；

图4为双运动平台同步控制策略框图。

图中，r-上位机规划的轨迹、410-是运动控制模块、420-运动执行模块、430-同步误差校正模块、410a-运动平台a的运动控制模块、410b-运动平台b的运动控制模块、420a-运动平台a的运动执行模块、420b-运动平台b的运动执行模块。

具体实施方式：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：

参见图1，本发明的技术方案所针对的应用对象为双运动平台，其同步控制硬件由上位机110、主控板卡120、驱动器+电机130、运动平台140、传感器150组成。所说的上位机110将预先规划且合理的起始位置及运动轨迹指令发送给主控板卡120，主控板卡120控制驱动器+电机130进而驱动运动平台140运动，运动平台140的位置信息由传感器150反馈至主控板卡120。

参见图2，本发明提供的系统包括与上位机110进行通讯的通信接口205，主控芯片FPGA201、DSP202，控制接口204，运动平台a驱动电路212、运动平台b驱动电路213，运动平台a光栅测量电路206、运动平台b光栅测量电路209，运动平台a归零电路207、运动平台b归零电路210，运动平台a限位电路208、运动平台b限位电路211，位置检测接口203。该系统可实现运动平台的定位及同步控制、位置测量、位置限位、位置归零以及接收上位机的控制指令等功能。

参见图2和图3，整个控制系统的功能实现方法如下：

1)运动平台控制系统的主控芯片FPGA201通过通信接口205，接收到上位机110发送的预先规划且合理的起始位置及运动轨迹指令后，运动平台控制系统控制开始，并判断是否需要进行归零运动，如果是则控制运动平台进行归零运动。在归零过程中，运动平台a及运动平台b分别以慢速向零位光栅零点方向运行。在到达零位光栅零点时，光栅零点分别经运动平台a归零电路207及运动平台b归零电路210，通过位置检测接口203输出归零信号至运动平台主控芯片FPGA201，FPGA201便立即执行清零，使位置测量程序中的可逆计数器清零，从而确定此次开机后的运动平台a、运动平台b坐标原点。如果不需要归零则执行下一步。

2)主控芯片FPGA201经通讯接口205，实时接收上位机110发送的信息，判断是否终止运动。如果是，则存储数据并结束控制流程，如果不是则执行下一步。

3)主控芯片DSP202经控制接口204以及运动平台a驱动电路212和运动平台b驱动电路213，分别驱动运动平台a、运动平台b运动。在平台运动的过程中，运动平台a光栅测量电路206将运动平台a的位置信息通过位置检测检测接口203传到FPGA201中，同时运动平台b光栅测量电路209将运动平台b的位置信息通过位置检测接口203传到FPGA201中。FPGA201将接收到的位置信息处理后送入DSP202，DSP202将此信息跟上位机110发送的运动轨迹指令进行比较，以确定运动平台是否运动到指定位置。如果没有运动到指定位置，则驱动运动平台继续运动，直至运动到指定位置为止。

4)在平台运动的过程中DSP202通过算法控制并实现运动平台a、运动平台b之间的同步，直到完成上位机规划的轨迹且运动到指定位置，存储数据并结束控制流程。其中，运动平台a及运动平台b在运动过程中保持同步的算法在DSP202中实现，其同步控制策略框图如图4所示。其中，r为上位机规划的轨迹。运动控制模块410根据接收的跟踪误差信号及误差校正信号控制运动执行模块420按照规划的轨迹运动。运动执行模块420接收并执行运动控制模块410的指令驱动运动平台运动。同步误差校正模块430由运动平台a和运动平台b之间的同步误差经同步算法最终得到误差校正信号。

整个同步误差校正过程如下：

①系统启动后，运动控制模块410中运动平台a的运动控制模块410a和运动平台b的运动控制模块410b将加载上位机预先规划的运动轨迹数据r。运动控制模块410中运动平台a的运动控制模块410a将规划的运动数据和系统传感器采样到的运动数据进行比较得到差值，并将其转化为驱动运动执行模块420a的信号；运动控制模块410中运动平台b的运动控制模块410b将规划的运动数据和系统传感器采样到的运动数据进行比较得到差值，再加上同步误差校正模块430输出的误差校正信号，最终将其转化为驱动运动执行模块420b的信号。

②运动执行模块420中运动平台a的运动执行模块420a接收到运动控制模块410a输出的驱动信号执行相应的运动；同时运动平台b的运动执行模块420b接收到运动控制模块410b输出的驱动信号执行相应的运动。

③运动平台a和运动平台b的位置信息由位置检测模块反馈到输入端同规划的轨迹相减，分别得到运动平台a的跟踪误差和运动平台b的跟踪误差。

5)此外，为确保运动平台在意外情况下失控，以高速冲到某一端的极限位置产生严重碰撞导致结构损坏和精度损失，在运动平台a、运动平台b的两端分别设有两级限位开关，前一级用于切断控制输入，后一级用于切断控制输出，确保运动平台在到达限位位置时基本处于停止状态，有效的保证运动平台的精度和结构的安全。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡是利用本发明的说明书及附图内容所做的等同结构变化，均应包含在发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于FPGA+DSP的双运动平台同步控制系统，其特征在于：包括双运动平台的定位及同步控制单元和位置测量单元，双运动平台的定位及同步控制单元包括DSP处理器和驱动电路，双运动平台分别与驱动电路连接，驱动电路通过控制接口与DSP处理器连接，位置测量单元包括测量电路和FPGA，双运动平台并分别与测量电路、归零电路和限位电路连接，测量电路、归零电路和限位电路分别通过位置检测接口与FPGA连接，FPGA通过通信接口与上位机连接。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA+DSP的双运动平台同步控制系统，其特征在于：双运动平台的定位及同步控制单元中，驱动电路包括运动平台a驱动电路及运动平台b驱动电路；DSP处理器与运动平台a驱动电路及运动平台b驱动电路之间通过控制接口进行连接，运动平台a驱动电路、运动平台b驱动电路分别直接驱动位于运动平台a、运动平台b上的电机进行运动。

3.根据权利要求2所述的基于FPGA+DSP的双运动平台同步控制系统，其特征在于：位置测量单元中，测量电路包括运动平台a光栅测量电路及运动平台b光栅测量电路，位于运动平台a、运动平台b导轨上的光栅尺分别连接运动平台a光栅测量电路、运动平台b光栅测量电路，运动平台a光栅测量电路、运动平台b光栅测量电路与FPGA之间通过位置检测接口连接。

4.根据权利要求3所述的基于FPGA+DSP的双运动平台同步控制系统，其特征在于：运动平台的归零电路将归零信号通过位置检测接口传送到FPGA中，控制系统进行归零操作。

5.根据权利要求4所述的基于FPGA+DSP的双运动平台同步控制系统，其特征在于：运动平台的限位电路包括运动平台a、运动平台b的两端分别设有的两级限位开关，前一级用于切断控制输入，后一级用于切断控制输出，限位电路将运动平台的状态信息通过位置检测接口传送到FPGA，控制系统进行限位操作。

6.根据权利要求5所述的基于FPGA+DSP的双运动平台同步控制系统，其特征在于：通信接口采用USB2.0接口与上位机进行通讯，接收上位机发送的指令和数据以及向上位机发送双运动平台的状态数据。

7.一种基于FPGA+DSP的双运动平台同步控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)开始；

2)是否进行归零运动？是则进入下一步；否则进入步骤5)；

3)控制运动平台进行归零；

4)归零运动是否结束？是则进入下一步；否则返回上一步；

5)是否终止运动？是则进入步骤8)；否则进入下一步；

6)运动平台运动到指定位置；

7)运动平台是否运动到指定位置？是则进入下一步；否则返回上一步；

8)存储数据；

9)结束。

8.根据权利要求7所述的基于FPGA+DSP的双运动平台同步控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)FPGA接收到上位机发送的预先规划且合理的起始位置及运动轨迹指令后，运动平台控制系统控制开始，并判断是否需要进行归零运动，如果是，则控制运动平台进行归零运动，如果不是则执行下一步；

2)FPGA经通信接口实时接收上位机发送的信息，判断是否终止运动，如果是，则存储数据并结束控制流程，如果不是则执行下一步；

3)控制系统中的双运动平台定位及同步控制单元通过接收的位置信息，驱动运动平台a和运动平台b的上电机运行，使平台运动到指定位置，同时双运动平台位置测量单元实时计算运动平台的位置，作为运动平台定位及同步的控制参数；

4)在运动平台运动的过程中，DSP处理器控制并实现运动平台a、运动平台b之间的同步，直到完成上位机规划的轨迹且运动到指定位置，存储数据并结束控制流程。

9.根据权利要求8所述的基于FPGA+DSP的双运动平台同步控制系统的控制方法，其特征在于：双运动平台定位及同步控制单元误差校正包括以下步骤：

1)运动控制模块中运动平台a的运动控制模块和运动平台b的运动控制模块将加载上位机预先规划的运动轨迹数据；运动控制模块中运动平台a的运动控制模块将规划的运动数据和系统传感器采样到的运动数据进行比较得到差值，并将其转化为驱动相应运动执行模块的信号；运动控制模块中运动平台b的运动控制模块将规划的运动数据和系统传感器采样到的运动数据进行比较得到差值，再加上同步误差校正模块输出的误差校正信号，最终将其转化为驱动相应运动执行模块的信号；

2)运动执行模块中运动平台a的运动执行模块接收到相应运动控制模块输出的驱动信号执行相应的运动；同时运动平台b的运动执行模块接收到相应运动控制模块输出的驱动信号执行相应的运动；

3)运动平台a和运动平台b的位置信息由位置检测模块反馈到输入端同规划的轨迹相减分别得到运动平台a的跟踪误差和运动平台b的跟踪误差。

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