CN110687843A - 一种基于zynq的多轴多电机伺服装置及其控制方法 - Google Patents

一种基于zynq的多轴多电机伺服装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及自动控制技术领域。本发明为一种基于ZYNQ的多轴多电机伺服装置及其控制方法，包括视觉采集模块、接口模块、视觉并行分割模块、视觉定位处理模块、多处理器协同模块、控制算法及控制指令生成模块、外部应用算法模块、驱动信号生成模块和驱动电路板；ZYNQ芯片包含PS0、PS1、DDR、FPGA和DSP；通过摄像头采集视觉信息，经视觉并行分割模块和视觉定位处理模块确定目标的相对位置，根据目标的相对位置信号和反馈的电流、速度、位移信号生成四环控制指令，以及接收外部控制信号生成最终控制指令，再生成驱动信号，通过驱动电路板控制多个电机并反馈，以提高多轴多电机伺服装置的精确度和性能，减小体积和便于通信。

Description

一种基于ZYNQ的多轴多电机伺服装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种伺服驱动技术。
背景技术
目前伺服***作为现代工业生产设备的重要动力源之一，是工业自动化及机器人不可缺少的基础技术。作为工业控制装置的重要部件，伺服装置一直以来备受关注。随着产品对成本、体积要求越来越高，能支持多轴不同类型电机的伺服驱动装置备受青睐。
为了保证伺服***的控制精度，对电机的位置传感器提出了更高的要求，而常规的伺服驱动器由功率驱动模块、位置传感器、控制模块构成，处理器根据传感器采集到的角度信息，实现位置、速度、力矩三环控制，位置信息的采集单一且精度有限，即使加入了视觉测量技术使对位置的控制精度更高，但使用FPGA处理视觉信息，同时由FPGA生成PWM驱动信号，处理能力有限却占用了大量资源，不便于控制算法及驱动接口的实现，影响驱动器的性能。而且伺服驱动器中一般采用单独的DSP、ARM和FPGA等多处理器方案，不但体积过大，而且通信复杂，芯片级互联的带宽容易成为瓶颈，开发难度大，***模块的集成和扩展有一定的局限性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本发明提供一种基于ZYNQ的多轴多电机伺服装置及其控制方法，提高多轴多电机伺服装置的精确度和性能，减小体积，便于通信。
(二)技术方案
基于上述的技术问题，本发明提供一种基于ZYNQ的多轴多电机伺服装置，包括视觉采集模块、接口模块、视觉并行分割模块、视觉定位处理模块、多处理器协同模块、控制算法及控制指令生成模块、外部应用算法模块、驱动信号生成模块和驱动电路板；
所述ZYNQ芯片包含处理***PS和可编程逻辑PL两部分，其中PS包含ARM核PS0、PS1和内存DDR，PL包含FPGA和DSP，PS和PL通过片内高速AXI总线相连，所述DSP带浮点运算库；
所述接口模块、视觉并行分割模块、和驱动信号生成模块由所述FPGA实现，视觉定位处理模块由所述DSP实现，多处理器协同处理模块、控制算法及控制指令生成模块由PS0实现，外部应用算法模块由PS1实现，所述接口模块连接视觉采集模块和驱动电路板，所述驱动信号生成模块连接驱动电路板；
所述视觉并行分割模块用于视觉信号的预处理；视觉定位处理模块具有通过浮点运算，定位检测出被测对象相对目标的精确相对位置的功能；所述控制算法及控制指令生成模块具有根据反馈的电流、速度、位移信号和被测对象的精确相对位置，生成各电机的四环控制指令的功能。
优选地，所述ZYNQ芯片为Xilinx ZYNQ 7030芯片。
优选地，所述视觉采集模块包括2100万像素的工业摄像头，和USB3.0或PCIE接口。
优选地，所述FPGA和DSP通过所述DDR存取，ZYNQ通过片内AXI高速总线在所述DDR和PS0、PS1存取。
一种基于ZYNQ的多轴多电机伺服装置的控制方法，所述控制方法包含：
所述视觉采集模块采集高速视觉信息，传输到所述接口模块；所述视觉并行分割模块将采集的视觉信号进行预处理；所述视觉定位处理模块通过浮点运算定位检测出被测对象相对目标的精确相对位置；
所述控制算法及控制指令生成模块根据反馈的电流、速度、位移信号和被测对象的精确相对位置，生成各电机的四环控制指令，即一级控制指令；所述外部应用算法模块接收外部其它控制信号，结合运动控制算法，生成二级控制指令；所述控制算法及控制指令生成模块结合一级控制指令和二级控制指令生成最终的控制指令；
所述驱动信号生成模块接收控制算法及控制指令生成模块的各个电机的最终控制指令，并行生成各个电机对应的PWM驱动信号，通过驱动电路板，并行控制各个不同类型的多个电机，并将各个电机的电流、速度、位移信号并行反馈至所述接口模块；
所述多处理器协同模块则控制数据在所述FPGA和DSP的处理，控制通过AXI片内高速总线在DDR、PS0、PS1的数据存取。
进一步的，所述视觉信号的预处理包括对帧数据根据需求按帧进行并行边沿类和并行分割类分割处理，去除与目标无关的冗余信息。
进一步的，所述被测对象相对目标的精确相对位置通过对预处理后的视觉信息进行特征提取，检测被测对象在当前帧中的位置，经数据融合，定位检测得到。
进一步的，所述外部其它控制信号包括按键和人机交互平台提供的其它控制信号或其它摄像头提供的视觉信息。
进一步的，驱动电路板上的电流传感器采集电流信号，电机上的电机编码器采集电机转速和转角，从而生成所述的电流、速度、位移反馈信号。
进一步的，所述PWM驱动信号包括步进电机驱动信号、无刷直流电机驱动信号、永磁同步电机驱动信号和其它电机驱动信号，且所述PWM驱动信号为多对互补信号或单个PWM驱动信号，PWM的频率和占空比均能独立、同时调节，以便同时驱动多种不同类型的电机。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
(1)本发明采用ZYNQ芯片，将ARM、FPGA和DSP融合在一个SoC中，相比于单独的ARM、FPGA、DSP处理器混合方案，体积减小，各处理器间通过片内总线AXI通信，不会出现通信瓶颈，且通讯速度更快，抗干扰能力更强，便于模块的集成与扩展，而ZYNQ自带的ARM中搭载了嵌入式Linux操作***，简化了***设计，降低了软件开发的难度，提高了***的拓展性；
(2)本发明对ZYNQ芯片各部分的合理分工，如引入的视觉定位技术在ZYNQ上通过FPGA进行并行视觉分割和通过DSP进行浮点视觉定位处理，充分利用了FPGA并行处理能力强、带宽大、可扩展性强、接口灵活的优点，和DSP运算能力强的优点，大大提高了整体的性能；
(3)相比于现有驱动装置中采用FPGA单独进行的视觉测量，一方面利用DSP进行浮点运算，速度快且准确度更高；另一方面降低了FPGA的资源占用，从而利用FPGA增加驱动装置对视觉采集接口和多轴多种不同类型电机个数的支持；
(4)本发明在传统三环控制的基础上引入了视觉***的外环闭环控制，通过视觉定位技术采集被控对象相对于目标的精确位置，提高了驱动装置的控制精度和抗干扰能力；
(5)本发明的PWM驱动信号可以是多对互补信号，也可以是单个PWM信号，且PWM的频率和占空比均能独立、同时调节，因此能实现多种不同类型电机的多轴控制，如步进电机、无刷直流电机和永磁同步电机等，电机控制方式多样化，实用性更好，且减少了驱动装置的使用数量，减小体积，节约成本。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明实施例一种基于ZYNQ的多轴多电机伺服装置的框图示意图；
图2为本发明实施例一种基于ZYNQ的多轴多电机伺服装置的控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明提出一种基于ZYNQ的多轴多电机伺服装置，包括视觉采集模块、接口模块、视觉并行分割模块、视觉定位处理模块、多处理器协同模块、控制算法及控制指令生成模块、外部应用算法模块、驱动信号生成模块和驱动电路板；
如图1所示，所述ZYNQ芯片为Xilinx ZYNQ 7030芯片，包含处理***PS和可编程逻辑PL两部分，其中PS包含ARM核PS0、PS1和内存DDR，PL包含FPGA和DSP，PS和PL通过片内高速AXI总线相连，DSP带浮点运算库，FPGA和DSP通过内存DDR存取。
所述视觉采集模块包括2100万像素的工业摄像头，和USB3.0或PCIE接口，采集高速视觉信息，并通过USB3.0或PCIE接口输入至所述FPGA的接口模块；
所述接口模块由所述FPGA实现，连接视觉采集模块和驱动电路板，接收外部信号，如视觉信号、电机反馈信号。
所述视觉并行分割模块由所述FPGA实现，将采集的帧数据根据需求按帧进行并行边沿类和并行分割类分割处理，去除与目标无关的冗余信息，即视觉信息的预处理。
所述视觉定位处理模块由所述DSP实现，对预处理后的视觉信息进行特征提取，检测被测对象在当前帧中的位置，经数据融合，定位检测出被测对象相对目标的相对位置，且浮点运算能力使得该相对位置更加精确。
所述多处理器协同处理模块由PS0实现，控制数据在所述FPGA和DSP的处理，控制通过AXI片内高速总线在所述DDR、PS0、PS1的数据存取。
所述控制算法及控制指令生成模块由PS0实现，根据电流、速度、位移反馈信号和被测对象的相对位置信号，生成四环控制指令，即一级控制指令，如图2所示，再结合PS1的外部应用算法模块生成的二级控制指令生成最终控制指令。
所述外部应用算法模块由PS1实现，接收控制总线、按键和外部其它控制信号或其它摄像头提供的视觉信息，结合运动控制算法，生成二级控制指令。
所述驱动信号生成模块由所述FPGA实现，接收PS0的控制算法及控制指令生成模块的最终控制指令，生成各个电机的驱动信号。
所述驱动电路板连接所述FPGA的接口模块和驱动信号生成模块，根据驱动信号生成模块生成的PWM驱动信号分别控制各个电机，且将采集的电流、转角和转速值反馈回所述FPGA的接口模块。
所述FPGA的接口模块、视觉信号分割模块、驱动信号生成模块和所述DSP的视觉信号定位模块，均从所述DDR中提取信号，处理后缓存于所述DDR中。
各模块实现的控制方法如下：
视觉采集模块采集高速视觉信息，传输到接口模块，接口模块接收并缓存于所述内存DDR中；视觉并行分割模块从所述DDR中提取视觉信息，将采集的帧数据根据需求按帧进行并行边沿类和并行分割类分割处理，去除与目标无关的冗余信息，并将预处理后的视觉信号存入所述DDR中；视觉定位处理模块从所述DDR中提取预处理后的视觉信号，对预处理后的视觉信息进行特征提取，检测被测对象在当前帧中的位置，经数据融合，定位检测出被测对象相对目标的精确相对位置，存入所述DDR中；
驱动电路板上的电流传感器采集电流信号，电机上的电机编码器采集电机转速和转角，生成速度、位移信号，将反馈的电流、速度、位移信号传输到接口模块，并缓存于所述DDR中；
控制算法及控制指令生成模块根据反馈的电流、速度、位移信号和被测对象的精确相对位置，生成各电机的四环控制指令，即一级控制指令；外部应用算法模块接收控制总线、按键和人机交互平台提供的其它控制信号或其它摄像头提供的视觉信息，结合运动控制算法，生成二级控制指令；控制算法及控制指令生成模块结合一级控制指令和二级控制指令生成最终的控制指令；
驱动信号生成模块接收控制算法及控制指令生成模块的各个电机的最终控制指令，并行生成各个电机对应的PWM驱动信号，通过驱动电路板，并行控制各个不同类型的多个电机，并将各个电机的电流、速度、位移信号并行反馈至接口模块；
多处理器协同模块则控制数据在所述FPGA和DSP的处理，控制通过AXI片内高速总线在所述DDR、PS0、PS1的数据存取。
由于所述FPGA包含多个IP核，因此可以并行处理视觉信号，可以并行生成各个不同类型的多个电机的PWM驱动信号，包括步进电机驱动信号、无刷直流电机驱动信号、永磁同步电机驱动信号和其它电机驱动信号，因此，所述PWM驱动信号为多对互补信号或单个PWM驱动信号，且PWM的频率和占空比均能独立、同时调节，以便同时驱动多种不同类型的电机，包括步进电机、无刷直流电机、永磁同步电机和其它类型电机。
综上可知，通过上述的一种基于ZYNQ的多轴多电机伺服装置及其控制方法，具有如下优点：
(1)本发明采用ZYNQ芯片，将ARM、FPGA和DSP融合在一个SoC中，相比于单独的ARM、FPGA、DSP处理器混合方案，体积减小，各处理器间通过片内总线AXI通信，不会出现通信瓶颈，且通讯速度更快，抗干扰能力更强，便于模块的集成与扩展，而ZYNQ自带的ARM中搭载了嵌入式Linux操作***，简化了***设计，降低了软件开发的难度，提高了***的拓展性；
(2)本发明对ZYNQ芯片各部分的合理分工，如引入的视觉定位技术在ZYNQ上通过FPGA进行并行视觉分割和通过DSP进行浮点视觉定位处理，充分利用了FPGA并行处理能力强、带宽大、可扩展性强、接口灵活的优点，和DSP运算能力强的优点，大大提高了整体的性能；
(3)相比于现有驱动装置中采用FPGA单独进行的视觉测量，一方面利用DSP进行浮点运算，速度快且准确度更高；另一方面降低了FPGA的资源占用，从而利用FPGA增加驱动装置对视觉采集接口和多轴多种不同类型电机个数的支持；
(4)本发明在传统三环控制的基础上引入了视觉***的外环闭环控制，通过视觉定位技术采集被控对象相对于目标的精确位置，提高了驱动装置的控制精度和抗干扰能力；
(5)本发明的PWM驱动信号可以是多对互补信号，也可以是单个PWM信号，且PWM的频率和占空比均能独立、同时调节，因此能实现多种不同类型电机的多轴控制，如步进电机、无刷直流电机和永磁同步电机等，电机控制方式多样化，实用性更好，且减少了驱动装置的使用数量，减小体积，节约成本。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种基于ZYNQ的多轴多电机伺服装置，其特征在于，包括视觉采集模块、接口模块、视觉并行分割模块、视觉定位处理模块、多处理器协同模块、控制算法及控制指令生成模块、外部应用算法模块、驱动信号生成模块和驱动电路板；
所述ZYNQ芯片包含处理***PS和可编程逻辑PL两部分，其中PS包含ARM核PS0、PS1和内存DDR，PL包含FPGA和DSP，PS和PL通过片内高速AXI总线相连，所述DSP带浮点运算库；
所述接口模块、视觉并行分割模块、和驱动信号生成模块由所述FPGA实现，视觉定位处理模块由所述DSP实现，多处理器协同处理模块、控制算法及控制指令生成模块由PS0实现，外部应用算法模块由PS1实现，所述接口模块连接视觉采集模块和驱动电路板，所述驱动信号生成模块连接驱动电路板；
所述视觉并行分割模块用于视觉信号的预处理；视觉定位处理模块具有通过浮点运算，定位检测出被测对象相对目标的精确相对位置的功能；所述控制算法及控制指令生成模块具有根据反馈的电流、速度、位移信号和被测对象的精确相对位置，生成各电机的四环控制指令的功能。
2.根据权利要求1所述的一种基于ZYNQ的多轴多电机伺服装置，其特征在于，所述ZYNQ芯片为Xilinx ZYNQ 7030芯片。
3.根据权利要求1所述的一种基于ZYNQ的多轴多电机伺服装置，其特征在于，所述视觉采集模块包括2100万像素的工业摄像头，和USB3.0或PCIE接口。
4.根据权利要求1所述的一种基于ZYNQ的多轴多电机伺服装置，其特征在于，所述FPGA和DSP通过所述DDR存取，ZYNQ通过片内AXI高速总线在所述DDR和PS0、PS1存取。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于ZYNQ的多轴多电机伺服装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法包含：
所述视觉采集模块采集高速视觉信息，传输到所述接口模块；所述视觉并行分割模块将采集的视觉信号进行预处理；所述视觉定位处理模块通过浮点运算定位检测出被测对象相对目标的精确相对位置；
所述控制算法及控制指令生成模块根据反馈的电流、速度、位移信号和被测对象的精确相对位置，生成各电机的四环控制指令，即一级控制指令；所述外部应用算法模块接收外部其它控制信号，结合运动控制算法，生成二级控制指令；所述控制算法及控制指令生成模块结合一级控制指令和二级控制指令生成最终的控制指令；
所述驱动信号生成模块接收控制算法及控制指令生成模块的各个电机的最终控制指令，并行生成各个电机对应的PWM驱动信号，通过驱动电路板，并行控制各个不同类型的多个电机，并将各个电机的电流、速度、位移信号并行反馈至所述接口模块；
所述多处理器协同模块则控制数据在所述FPGA和DSP的处理，控制通过AXI片内高速总线在DDR、PS0、PS1的数据存取。
6.根据权利要求5所述的一种基于ZYNQ的多轴多电机伺服装置的控制方法，其特征在于，所述视觉信号的预处理包括对帧数据根据需求按帧进行并行边沿类和并行分割类分割处理，去除与目标无关的冗余信息。
7.根据权利要求5所述的一种基于ZYNQ的多轴多电机伺服装置的控制方法，其特征在于，所述被测对象相对目标的精确相对位置通过对预处理后的视觉信息进行特征提取，检测被测对象在当前帧中的位置，经数据融合，定位检测得到。
8.根据权利要求5所述的一种基于ZYNQ的多轴多电机伺服装置的控制方法，其特征在于，所述外部其它控制信号包括按键和人机交互平台提供的其它控制信号或其它摄像头提供的视觉信息。
9.根据权利要求5所述的一种基于ZYNQ的多轴多电机伺服装置的控制方法，其特征在于，驱动电路板上的电流传感器采集电流信号，电机上的电机编码器采集电机转速和转角，从而生成所述的电流、速度、位移反馈信号。
10.根据权利要求5所述的一种基于ZYNQ的多轴多电机伺服装置的控制方法，其特征在于，所述PWM驱动信号包括步进电机驱动信号、无刷直流电机驱动信号、永磁同步电机驱动信号和其它电机驱动信号，且所述PWM驱动信号为多对互补信号或单个PWM驱动信号，PWM的频率和占空比均能独立、同时调节，以便同时驱动多种不同类型的电机。
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