數(shù)據(jù)驅動型狀態(tài)機伺服控制系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)

李紹安 李維嘉 郎飛陽（華中科技大學 船舶與海洋工程學院輪機工程系，湖北 武漢 430074）

0 引言

電動缸相對于液壓缸，在響應頻率、設計周期、硬件成本和維修等方面有較大的優(yōu)勢［1］，因此在實際運用中，十噸以下六自由度平臺的設計多采用電動缸作為驅動元件。伺服電機驅動器作為電動缸系統(tǒng)中的關鍵組成部分，近幾年以來得到了飛速的發(fā)展，其功率逐漸增大，模擬伺服逐漸發(fā)展到數(shù)字伺服，輸入方式由以前的模擬量發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)字通訊。由于PLC和FPGA的使用，伺服驅動器更加智能，逐漸簡化了控制的工作量，減少了控制開發(fā)的成本。

隨著數(shù)字伺服驅動器的大量使用，對其控制代碼的設計及優(yōu)化成為六自由度控制系統(tǒng)中的重要組成部分。在實際工程項目中，根據(jù)平臺的功率以及總體成本，常選用不同品牌和型號的數(shù)字驅動器。由于不同的數(shù)字伺服驅動器在控制及通訊方式上存在差異，往往需要開發(fā)不同版本的控制軟件，給開發(fā)成本和后期維護帶來了巨大的困難。

綜上所述，為減少開發(fā)成本，增加程序代碼復用程度，有必要開發(fā)一套通用的數(shù)字伺服驅動器管理程序，簡化驅動器控制的設計。讓設計人員能快速開發(fā)新的數(shù)字伺服驅動器的控制代碼，從而把主要精力投入到其他關鍵控制系統(tǒng)及算法的設計中。

1 數(shù)據(jù)驅動狀態(tài)機設計方法

考慮數(shù)字驅動伺服控制系統(tǒng)的復雜性，為了保證控制系統(tǒng)的可靠性和可維護性，可選用成熟的軟件設計模式。本文數(shù)字驅動伺服控制系統(tǒng)的結構設計，以成熟的“狀態(tài)機設計模式”為依據(jù)［2］?！盃顟B(tài)機”設計模式通過實際控制對象的狀態(tài)描述和狀態(tài)遷移控制，能夠很好的簡化數(shù)字驅動伺服控制系統(tǒng)的復雜性。

針對本控制系統(tǒng)可以控制多種不同品牌和型號的數(shù)字伺服驅動器，這里對“狀態(tài)機”設計模式進行了進一步優(yōu)化，引入配置數(shù)據(jù)庫，提出了“數(shù)據(jù)驅動狀態(tài)機”設計模式。如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)驅動狀態(tài)機“設計模式”

“數(shù)字驅動狀態(tài)機”在傳統(tǒng)狀態(tài)機設計模式的基礎上添加了狀態(tài)管理類（StateManager）以及向配套的狀態(tài)數(shù)據(jù)庫（StateData-Base）。狀態(tài)管理類主要負責狀態(tài)的配置和管理狀態(tài)轉換。

（1）引入命令方式（Command）［3］，作為狀態(tài)改變的接口，及環(huán)境類（Context）采用命令方式改變當前狀態(tài)。環(huán)境類（Context）當接收外部指令時，向狀態(tài)管理類（StateManager）發(fā)送狀態(tài)改變命令，狀態(tài)管理類根據(jù)命令決定當前狀態(tài)（ConcreteState）。

（2）允許一個命令產生一系列狀態(tài)變化。在實際控制系統(tǒng)中，控制對象的狀態(tài)常常可以劃分為多個子狀態(tài)。不同的狀態(tài)中包含多個相同的子狀態(tài)。因此，可以通過細分子狀態(tài)，組合得到不同控制對象狀態(tài)，達到節(jié)省開發(fā)時間的目的。

（3）定義狀態(tài)類（State）的三個基本接口，分別為開始（begin），運行（run）和結束（end）。使所有的子狀態(tài)類（ConcreteS-tate），獨立完成初始化和結束代碼。保證子狀態(tài)類（ConcreteS-tate）之間無耦合，并且狀態(tài)管理類（StateManager）對子狀態(tài)（ConcreteState）的管理僅僅通過狀態(tài)類（State）提供的接口。減少類與類之間的耦合。

（4）定義狀態(tài)轉換數(shù)據(jù)庫（StateDataBase），使狀態(tài)轉換顯式化。狀態(tài)數(shù)據(jù)庫（StateDataBase）定義了一系列指令以及該指令所對應的狀態(tài)轉換流程。

2 數(shù)字驅動器控制軟件的結構設計

根據(jù)“數(shù)據(jù)驅動狀態(tài)機”設計模式所要求的設計過程，首先劃分數(shù)字驅動器控制系統(tǒng)的功能模塊，然后逐步設計各功能模塊的功能和狀態(tài)，最后定義各功能模塊的狀態(tài)轉變過程和方法，從而確定數(shù)字驅動器控制軟件的總體結構。具體設計方法如下:

2.1 數(shù)字驅動器控制系統(tǒng)功能模塊劃分

功能模塊劃分可按照如下原則

（1）按照實際控制對象的物理種類來劃分大功能模塊，一個模塊只管理一類具有類似性質的物理對象。

（2）劃分的模塊可以定義清晰的接口。

（3）模塊應具備可替換性及模塊間無耦合。

（4）模塊的接口的定義在滿足基本功能的前提下，至少設計一個通用接口，方便快速添加新功能。

（5）如果一個模塊用來管理多個類型性質的物理對象，應設計對象管理子模塊和對象接口子模塊，以便將來添加新的物理對象。

（6）模塊的功能應提供一定升級空間。

根據(jù)以上原則，數(shù)字伺服驅動器控制過程可初步劃分成控制管理接口模塊、數(shù)字伺服驅動器功能模塊、通信模塊和驅動器四個部分組成，如圖2所示。

圖2 功能模塊劃分

其中控制接口模塊為電動缸控制系統(tǒng)提供各種功能接口。所有與驅動器的功能被封裝到控制接口模塊中。功能的具體實現(xiàn)向電動缸控制系統(tǒng)透明。驅動器功能模塊向控制接口模塊負責，提供驅動器包括參數(shù)設置、尋找零位、返回狀態(tài)等各種驅動器功能。功能的具體實現(xiàn)及控制驅動器的實際代碼向控制接口模塊透明。通訊模塊用來管理控制系統(tǒng)與驅動器之間的實際物理鏈路，包括數(shù)字通訊及IO接口等。

2.2 驅動器功能模塊設計

（1）驅動器功能分析

對于不同型號，不同品牌的數(shù)字伺服驅動器，雖然它們在通訊方式和控制方法上存在著不同，但相對于電動缸伺服系統(tǒng)［4］，它們所實現(xiàn)的功能基本一致，僅僅是具體實現(xiàn)的方法存在差異。比如，對于電動缸伺服系統(tǒng)，數(shù)字伺服驅動器實現(xiàn)的基本功能有:

①位置控制

②找零位（HOME）

③零位設置

④極限位處理

⑤手動控制

⑥故障報警

⑦故障復位

⑧控制參數(shù)設置

⑨狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取

數(shù)字伺服驅動器控制流程如圖3所示。

圖3中，控制程序首先根據(jù)數(shù)字伺服驅動器的種類從配置數(shù)據(jù)庫中讀取相關配置信息（“配置管理”），并根據(jù)配置信息初始化驅動器控制量（“初始參數(shù)設置”），如速度增益、加速度增益、最大速度和最大加速度等信息，在初始參數(shù)設置完成后，向控制類實時反饋驅動器狀態(tài)信息（“狀態(tài)信息反饋”），并等待進一步指令;然后，根據(jù)控制類指令，驅動器分別執(zhí)行“手動控制”、“位置控制”和“找零位（HOME）”等功能，并且在每個控制周期中，對驅動器報警信息進行監(jiān)測，如果驅動器報警，根據(jù)報警內容的不同，生成報警指令，使驅動器進入“報警處理”。

（2）驅動器子狀態(tài)劃分

根據(jù)驅動器功能分析，驅動器運行過程可劃分為如下子狀態(tài)

①初始參數(shù)設置狀態(tài)（InitDriverPara State）

②狀態(tài)信息反饋狀態(tài)（GetDriverState State）

圖3 數(shù)字伺服器控制流程圖

③手動控制狀態(tài)（ManualCtrl State）

④位置控制狀態(tài)（PosCtrl State）

⑤找零位狀態(tài)（HomeCtrl State）

⑥停止狀態(tài)（Stop State）

⑦普通故障處理狀態(tài)（Fail1Manage State）

⑧緊急故障處理狀態(tài)（Fail2Manage State）

其中，初始參數(shù)設置狀態(tài)（InitDriverPara State）負責設置驅動器控制參數(shù);狀態(tài)信息反饋狀態(tài)（GetDriverState State）負責讀取驅動器狀態(tài)參數(shù)包括故障報警信號，由于它每個控制周期中都必須執(zhí)行，屬于典型的復合子狀態(tài);手動控制狀態(tài)（ManualCtrl State）、位置控制狀態(tài)（PosCtrl State）和找零位狀態(tài)（HomeCtrl State）實現(xiàn)電機三種實際控制功能。;通故障處理狀態(tài)（Fail1Manage State）和緊急故障處理狀態(tài)（Fail2Manage State）負責管理不同級別下的故障處理過程;停止狀態(tài)（Stop State）表示驅動器未使能時的特殊狀態(tài)，在實際控制過程中由于未完成任何控制，可以把它等同于狀態(tài)信息反饋狀態(tài)（GetDriverState State）。

（3）驅動器狀態(tài)轉換的設計

根據(jù)驅動器功能分析，驅動器在以下幾種指令下狀態(tài)發(fā)生改變

①驅動器初始化命令（InitCmd）

②手動控制命令（ManualCtrlCmd）

③位置控制命令（PosCtrlCmd）

④找零位命令（HomeCtrlCmd）

⑤普通故障命令（Fail1Cmd）

⑥緊急故障命令（Fail2Cmd）

⑦停止命令（StopCmd）

驅動器的狀態(tài)發(fā)送改變分為兩類，一類是控制系統(tǒng)通過向驅動器管理類（MotorDriver）發(fā)送命令改變驅動器狀態(tài)。另一類是，驅動器管理類（MotorDriver）根據(jù)驅動器執(zhí)行過程或故障直接改變驅動器狀態(tài)。當改變狀態(tài)的唯一途徑是發(fā)送上述指令。

（4）驅動器狀態(tài)轉換命令的優(yōu)先級設計

①根據(jù)命令的緊急程度，驅動器狀態(tài)轉換命令的優(yōu)先級分為四個級別。

緊急故障命令（Fail2Cmd）具備最高優(yōu)先級（priority 0），及無論驅動器處于何種狀態(tài)，緊急故障命令（Fail2Cmd）和立即得到相應。例如，驅動器管理類（MotorDriver）檢測到驅動器輸入三相電源缺相時，應立即發(fā)送緊急故障命令（Fail2Cmd），關閉驅動器使能，閉合電機剎車，使電動缸保持當前位置。

②普通故障命令（Fail1Cmd）具備優(yōu)先級（priority 1）。例如，驅動器管理類（MotorDriver）檢測到驅動器溫度超過標準時，應立即普通故障命令（Fail1Cmd），使電動缸緩慢運行到初始零位，關閉驅動器使能，閉合電機剎車。

③驅動器初始化命令（InitCmd）、手動控制命令（ManualCtrl-Cmd）和停止命令（StopCmd）具備優(yōu)先級（priority 2）。

④找零位命令（HomeCtrlCmd）和位置控制命令（PosCtrlC-md）具備優(yōu)先級（priority 3）。

⑤由于手動控制命令（ManualCtrlCmd）和停止命令（StopC-md）常運用于電動缸的人工控制，既當驅動器在位置控制時，用于人為干預電動缸的運行。因此，它們的優(yōu)先級要高于找零位命令（HomeCtrlCmd）和位置控制命令（PosCtrlCmd）。

（5）數(shù)據(jù)驅動狀態(tài)機設計

根據(jù)上述的驅動器狀態(tài)劃分和狀態(tài)轉換設計，數(shù)字驅動模塊設計如圖4所示。

圖4 數(shù)字伺服智控制流程圖

3 結束語

本文針對數(shù)字驅動控制系統(tǒng)的開發(fā)，采用數(shù)據(jù)驅動狀態(tài)機設計模式，設計控制系統(tǒng)的軟件結構，以適應不同品牌和型號數(shù)字驅動器的功能控制。以簡化開發(fā)團隊在使用數(shù)字驅動器項目中的開發(fā)過程，并且進一步提高開發(fā)工作的效率和軟件產品質量，使軟件系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和擴充性。此數(shù)字驅動控制系統(tǒng)已在“模型軍用直升機六自由度飛行模擬器”和“中國科技館宇宙飛船模擬器”等項目的控制系統(tǒng)中得到了應用，并取得了良好的效果。

［1］ D.Stewart.A Platform with Six Degrees of Freedom.Proc.Inst.Mech.Eng［C］.1965 －66，180（15）:371 －386.

［2］ Peter Cad.Object－ oriented patterns.Communications of the ACM［J］.1992，35（9）:152－159.