主从分布式多轴控制系统同步采样机制研究

第８期　２０１６年８月　机械设计与制造　

Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　１５７　

主从分布式多轴控制系统同步采样机制研究　潘海鸿　ｔ一，陈伟鸿　，陈琳－，一，何蕴达ｔ　（１．广西大学机械工程学院，广西南宁５３０００４；２．广西制造系统与先进制造技术重点实验室，广西南宁５３０００４）　

摘要：为满足多轴位控系统对各协调联动轴位置信号的同步采样精度需求，在主从分布式多轴运动控制系统架构下，　提出采用ＦＰＧＡ实现基于自定义总线的“同步锁存、顺序读取”采样机制。在自主研发的主从分布式多轴运动控制系统实　验平台上进行多轴位置信号同步采样实验。实验结果表明，所提出的同步采样机制可以有效减小顺序采样延时导致的编　码器信号计数偏差；在八轴运动控制系统中各个运动轴接收到同步锁存信号的时延不确定性小于１５　ＢＳ：在对１　ＭＨｚ以　内的光电编码器信号同步采样时两轴间的计数误差稳定在１个脉冲之内。由此验证所提出的多轴同步采样机制能满足　位置信号的同步采样要求，保证在轴数增加的情况下不会对同步采样精度产生过多影响。　关键词：同步采样；多轴运动控制系统；自定义总线；位置控制；ＦＰＧＡ　中图分类号：ＴＨ一３９；ＴＭ９３５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—３９９７（２０１６）０８—０１５７—０４　

Ｓｔｕｄｙｉｎｇ　ｏｆ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｓａｍｐｌｉｎｇ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｉｎ　Ｍａｓｔｅｒ－Ｓｌａｖｅ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｍｕｌｔｉ－Ａｘｉｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＰＡＮ　Ｈａｉ—ｈｏｎｇ１．一，ＣＨＥＮ　Ｗｅｉ—ｈｏｎｇ１。ＣＨＥＮ　Ｌｉｎ１，一。ＨＥ　Ｙｕｎ—ｄａ　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕａｎｇｘｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｘｉ　Ｎａｎｎｉｎｇ　５３０００４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｇｕａｎｇｘｉ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ＆Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｘｉ　Ｎａｎｎｉｎｇ　５３０００４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｏｆｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｓ咖　ｉｎ　ｍｕｌｔｉ－ａｘｉｓ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｍａｓｔｅｒ—ｓｚ倒ｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｍｕｌｔｉ一就　ｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ．ｔｈｅ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｌａｔｃｈ　ａｎｄ　ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ　ｒｅａｄ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｕｓｔｏｍ　ｂｕｓ　ｕｓｉｎｇ　ＦＰＧＡ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｎ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ－ａｘｉｓ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｓｉｇｎａｌ　ｉｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙ－ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｏｆ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｍｕｌｔｉ—ａ　ｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ：ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｃｏｎ　ｅｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｃｏｕｎｔｉｎｇ　ｄｅｖｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｎｃｏｄｅｒ　ｓｉｇ，￣ｒｅｓｕｌｔｉｎｇｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｄｅｌａｙ；ｔｈｅ　ｄｅｌａｙ　ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ　ｏｆｔｈｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎ＆ｅｄ　ｌａｔｃｈ　ｓｉｇｎａｌ　ｔｈａｔ　ｅａｃｈ　ｍｏｖｉｎｇ　ａｘｉｓ　ｉｓ　ｒｅｃｅｉｖｅｄ　ｉｓ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　１５瑚ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｉｇｈｔ－－ａｘｉｓ　ｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ；ｔｈｅ　ｃｏｕｎｔｉｎｇ　ｅｒｒｏｒ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｗｏ　ａｘｅｓ　ｋｅｅｐｓ　ｓｔａｂｌｅ　ｉｎ　ｐｕｌｓｅ　ｗｈｅｎ　ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｅｎｃｏｄｅｒ　ｓ咖　ｗｉｔｈｉｎ　１ＭＨｚ　ｔａｋｅｓ　ｓａｍｐｌｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｍｕｌｔｉ—ｎ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｉｓ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｏｆｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｓ咖　，ｅｎｓｕｒｉｎｇ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆａｘｅｓ　ｗｉｌｌ　ｎｏｔ　ｈａｖｅ　ｍｕｃｈ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｏｆｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｓａｍｐｌｉｎｇ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｓａｍｐｌｉｎｇ；Ｍｕｌｔｉ－Ａｘｉｓ　Ｍｏｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ；Ｃｕｓｔｏｍ　Ｂｕｓ；Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ；ＦＰＧＡ　

１引言　多轴控制系统以其控制范围广、工作效率高等优点，广泛应　用于多轴联动数控机床、多自由度工业机器人、多色印刷设备、柔　性制造系统等领域Ｉ，－引。在多轴控制系统的位置控制中，准确获取　各联动轴的实际位置并进行位置闭环控制，是保证系统多轴联动　运动精度的基础网。因此，研究多轴控制系统各个联动轴的位置信　号同步采样技术，对提升系统运动控制精度具有重大意义。　

针对上述问题，诸多学者已展开相关研究。文献睬用同步采　样方法同时锁存各通道数据，但该方法需增加一根连接所有通道　的锁存信号线。文献　在异步控制网络上采用网络延时补偿和时　钟同步方法实现各轴位置信息的同步采样，但该方法耗费较多软　件开销。文献［　嗵过自定义光纤通讯底层协议和信号优先级管理　机制，并通过时序控制确保同步运动控制器发出采样同步触发信　号到达各个远程控制器的时间一致性，以实现多路模拟信号的同　

来稿日期：２０１６－０１—１５　基金项目：国家自然科学基金项目（５１４６５００５）；广西制造系统与先进制造技术重点实验室（１４—０４５—１５Ｓ０９）　作者简介：潘海鸿，（１９６６一），男，壮族，广西南宁人，博士研究生，博士生导师，教授，主要研究方向：数控技术　陈琳，（１９７３一），女，山东青岛人，博士研究生，教授，主要研究方向：数控技术，机器人控制技术　１５８　潘海鸿等：主从分布式多轴控制系统同步采样机制研究　箜　塑　步采样。文献ｒｇ，ｌｏ￣用自定义总线协议实现数据源的自动切换，降　低数据保持信号在板间传输的延时，实现对多个激光计数卡内数　据的同步采样。　为解决多轴运动控制系统各个轴位置信号的同步采样问题，　采用基于现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）的“同步锁存，分时读取”同　步采样策略，在主从分布式多轴控制系统架构下设计以自定义总　线为基础的同步采样框架，实现分布式多轴控制系统中多个子系　统或单个子系统各联动轴位置信号的同步采样。最后，在自主开　发的主从分布式多轴控制系统硬件平台上进行实验验证。　２多轴控制系统架构和同步采样需求　２．１主从分布式多轴运动控制系统架构　在需要对多个运动轴实施高速高精控制时，单个运动控制器　已无法满足多轴运动控制系统的控制速度和精度要求，基于多处　理器的多轴控制系统成为多轴运动控制系统发展的主要方向。自　主设计的多轴控制系统结构，如图１所示。采用基于多ＤＳＰ＋多　ＦＰＧＡ的主从分布式结构。所谓主从分布式结构，即采用一个主　运动控制器协调多个从运动控制器：【作，主运动控制器与从运动　控制器通过自定义总线连接成分布式网络。上述多轴控制系统分　为四个层次：规划控制层、协调控制层、并行运动控制层和驱动执　行层。规划控制层的上位机主要实现运动系统整体路径、运动参　数规划；协调层的主运动控制器获取上位机运动轨迹和参数后，　对指令进行解释、编译、信息分离，完成各参与同步协调运动轴的　轨迹规划和轴粗插补处理，将整体的运动轨迹分解为各运动轴初　级设定点信息，再通过自定义总线将粗插补运动指令发送到各并　行运动控制层的运动缓冲区；处于并行运动控制层的多个从运动　控制器主要完成各参与运动轴的强实时精插补伺服运动控制，其　中ＤＳＰ实现轴跟踪控制算法和误差补偿算法等处理，ＦＰＧＡ负责　输入输出信号管理和数据交换，每个从运动控制器可实现对四个　运动轴的独立控制，将控制信号输出给驱动执行层的实行器单　元。通过构建基于多ＤＳＰ＋多ＦＰＧＡ的主从分布式架构，分散任务　量到各从运动控制器并行处理，通过自定义总线可挂接多个从运　动控制器，保证运动轴伺服周期不因轴数增加而改变。　ｌ　机　、　Ｉ　主运动控制器Ｉ　ｌ｝　信接口ｉ　ｌ　Ｉ　Ｍ　ｔ　ＤＳＰ　ｌ　庀　一　Ｉ自定义总线　。　从运动控制器ｌ　彳　从运动控制器Ｎ　ｌＩ　１　ｓ·ａｖｅＤｓ　ｌ　』ｌ　≤≥　网　ｎ目鄹　啊鄹　Ｉ送挂！Ｉ…　Ｉ撼缝　Ｉ　Ｉ搓　！Ｉ…ｌ撞缝４　Ｉ　图１基于多处理器的主从分布式多轴控制系统架构　Ｆｉｇ．１　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　Ｍｕｌｔｉ－Ａｘｉｓ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｍｕｌｔｉ—Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ　规划　控制层　怫调　控制层　并行运动　控制层　驱动　执行层　２．２多轴运动控制系统位置同步采样机制　多轴运动控制系统采用光电编码器作为位置反馈，位置测量　数据由ＦＰＧＡ内部的计数器采集。定义位置采样周期开始时跟控　制系统获取到各轴位置数据时的时间差作为采样延时，那么各轴　的采样延时时间不一致将直接造成位置测量同步误差。若将各轴　采样得到的位置信息作为机械平台的实际位置，并对该位置偏离　期望位置的偏差值进行闭环控制，无疑引入了人为的控制误差，　影响多轴同步协调运动控制精度。　为此，采用“同步锁存，顺序读取”的策略，由主控制器下发的　控制信号同时在各个从运动控制器中产生同步锁存信号；各从运　动控制器４个轴上编码器脉冲经四倍频后的脉冲计数值可由同　一锁存信号进行锁存，从原理上避免了采样延时对位置测量误差　的影响。位置锁存信号的延时不确定ｌ生仅来自自定义总线的物理　传输性能。　３同步采样机制的实现　

自定义总线不仅要尽可能抑制影响信号传输延时的不确定　因素，而且还需要考虑各个从运动控制器处于不同的时钟域，从　运动控制器之间内部的时钟相位抖动是影响锁存信号同步发送　的障碍。因此，参考美国ＩＤＴ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＤｅｖｉｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）公司多　端口存储器的中断产生机理“１，设计以下自定义总线协议：　（１）自定义总线上可挂接多个从运动控制器，各个从运动控　制器内部的４位拨码开关用于设置各自不同的板级ＩＤ号，从而　使主运动控制器可以辨识每一个从运动控制器；（２）主运动控制器　提供自定义总线控制信号，虽然在总线上未传输时钟信号，该信号　基于单一同步时钟触发，而各个从运动控制器在同一个控制信号作　用下产生同步锁存信号；（３）在每个从运动控制器的ＤＰＲＡＭ中，　规划特定存储空间用于产生同步锁存信号，通过地址线寻找锁存　信号接收方，设计有两种寻址方式，如表１所示。　表１自定义总线的地址总线规划　Ｔａｂ．１　Ａｄｄｒｅｓｓ　Ｂｕｓ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ　ｏｎ　Ｓｅｌｆ－Ｄｅｆｉｎｅｄ　Ｂｕｓ