應(yīng)用于五軸仿真設(shè)備的分布式實時控制系統(tǒng)

安康康,黃金鑫,胡 泓

(北京航空精密機械研究所，北京 100076)

應(yīng)用于五軸仿真設(shè)備的分布式實時控制系統(tǒng)

安康康,黃金鑫,胡 泓

(北京航空精密機械研究所，北京 100076)

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)通過計算機將模擬、數(shù)字信號傳遞給功率放大器等組件，其體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高且定位難度大。為了實現(xiàn)對五自由度粗太陽敏感器物理信號源仿真設(shè)備的實時控制、簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對基于CAN總線的利用CANopen協(xié)議的新型分布式實時控制系統(tǒng)進行了研究。計算機、總線控制器、伺服驅(qū)動器、數(shù)字I/O和傳感器等組件之間通過一根網(wǎng)線以級聯(lián)方式進行實時數(shù)據(jù)通信，任何一個節(jié)點發(fā)生故障均能精確和快速定位，且不影響其他節(jié)點正常運行?？刂葡到y(tǒng)的模塊化，簡化了控制系統(tǒng)的設(shè)計，減少了電纜數(shù)量和控制系統(tǒng)空間，削弱了故障因素的影響，并且提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護性。利用位置速度時間表格(PVT)實現(xiàn)的正弦搖擺運動也進一步驗證了系統(tǒng)在運動軌跡方面的靈活性和實時性。該控制系統(tǒng)推動了工業(yè)自動化領(lǐng)域控制結(jié)構(gòu)的簡化以及控制實時性、可靠性等方面的發(fā)展。

分布式； 實時控制系統(tǒng)； 總線技術(shù)； 實時通信； 可靠性; CANopen

0 引言

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)利用模擬信號傳輸，在長距離傳輸過程中存在衰減、受噪聲干擾和大地回路影響大等問題，在大型分布式實時系統(tǒng)[1-3]中的缺陷越來越明顯。為解決該問題，賈運紅利用多總線技術(shù)實現(xiàn)了煤礦采掘設(shè)備的控制，提高了運行可靠性[4]；丁華峰提出了一種基于高速控制局域網(wǎng)絡(luò)(controller area network,CAN)總線的電動密集架控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)通信速率更快[5]；劉小舟將CANopen協(xié)議成功應(yīng)用在風(fēng)電機組半實物仿真平臺中，提高了快速性和準(zhǔn)確性[6]。本文將基于CANopen通信協(xié)議[7-11]的新型分布式實時控制系統(tǒng)應(yīng)用于五自由度仿真設(shè)備上，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了定位節(jié)點的精確性和快速性；利用位置速度時間表格(position velocity time,PVT)，成功實現(xiàn)了正弦無限搖擺運動，驗證了該系統(tǒng)的靈活性和實時性；最后，通過試驗驗證了系統(tǒng)的有效性和可行性。

1 粗太陽敏感器物理信號源仿真設(shè)備

粗太陽敏感器物理信號源的主要作用是：在柔性化原型驗證和控制分系統(tǒng)測試中，為粗太陽敏感器提供不同方位的連續(xù)光激勵，使粗太陽敏感器輸出連續(xù)變化的光電流以測量姿態(tài)角；粗太陽敏感器物理信號源仿真設(shè)備主要由機械臺體(微小型兩軸轉(zhuǎn)臺、小型三自由度直角坐標(biāo)運動機構(gòu))、電控系統(tǒng)及計算機測控軟件、專用電纜等組成。粗太陽敏感器安裝在微小型兩軸轉(zhuǎn)臺的臺面上，接收來自光學(xué)系統(tǒng)(即小型化太陽模擬器)的光源信號，從而達(dá)到對粗太陽敏感器進行太陽光模擬仿真的目的。微小型兩軸轉(zhuǎn)臺通過高精度直流力矩電機及配套高性能驅(qū)動器進行直接驅(qū)動；小型三自由度直角坐標(biāo)運動機構(gòu)由線性模組執(zhí)行線運動，并配套伺服電機進行驅(qū)動；兩部分運動機構(gòu)均可以單獨使用。以太網(wǎng)口、RS-422和CAN接口分別用于遠(yuǎn)程控制和通信。在測控軟件方面，充分考慮仿真設(shè)備的使用性能，提供友好的人機界面進行仿真設(shè)備操作。人機界面顯示其運動的實時位置、速率以及各種狀態(tài)信息。

2 新型分布式實時控制系統(tǒng)

2.1 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)

數(shù)字信號處理器(digital signal processor,DSP)及輔助電路板是整個系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)連接到各個組件進行信息交換。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高、配套電控結(jié)構(gòu)及電纜數(shù)量龐大，不利于系統(tǒng)擴展。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 新型分布式實時控制系統(tǒng)

本文設(shè)計的新型分布式實時控制系統(tǒng)采用CAN總線，利用CANopen協(xié)議連接驅(qū)動器、傳感器和I/O等所有外部設(shè)備，保證控制器和相關(guān)的外部設(shè)備之間快速、準(zhǔn)確地傳輸位置信息、驅(qū)動命令等實時數(shù)據(jù)和狀態(tài)字、故障字等非實時數(shù)據(jù)。含有現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)如圖2所示。各個設(shè)備之間只通過一根網(wǎng)線進行連接，大大簡化了系統(tǒng)電纜，增加了信息交換量。

圖2 含有現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)示意圖

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)在控制各個不同設(shè)備之間的通信時，難以保證同步性；CANopen協(xié)議使各個不同設(shè)備工作在同一時鐘下，可以通過時鐘延遲和偏置，使不同設(shè)備之間達(dá)到精確同步。

2.3 CANopen現(xiàn)場總線

CANopen是一種架構(gòu)在CAN總線上的高層通信協(xié)定[10-11]。與其他總線相比，該現(xiàn)場總線物理層穩(wěn)定、數(shù)據(jù)鏈路層可靠，能夠檢測報文里多達(dá)5個隨機引入的位錯誤及15位突發(fā)性錯誤。循環(huán)更新速率大于等于1 ms，周期抖動小于100 μs，可以實現(xiàn)對20多個軸的運動控制。

2.4 新型實時控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

粗太陽敏感器物理信號源仿真設(shè)備控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

利用Maestro控制器，通過現(xiàn)場總線將各驅(qū)動器、傳感器、I/O模塊連接起來，位置反饋信號直接進入集電流環(huán)、速率環(huán)、位置環(huán)、前饋控制、濾波、陷波、安全I/O等功能于一體的高智能驅(qū)動器。將CANopen協(xié)議合并到伺服驅(qū)動之后，各個驅(qū)動器和控制器之間采用級聯(lián)方式連接，使得驅(qū)動器在連入總線之后，直接通過控制器就可以和各個驅(qū)動器交換命令數(shù)據(jù)、反饋和狀態(tài)等信息。一旦任意一個節(jié)點發(fā)生故障，控制器都能準(zhǔn)確快速地定位到該節(jié)點，并采取相應(yīng)安全保護措施，而且不會影響其他節(jié)點的運動控制?？刂破骼肕odbus協(xié)議，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)與上位機之間的交互。通過以太網(wǎng)口、RS-422和CAN接口，控制器遠(yuǎn)程控制仿真設(shè)備。

所有控制器、驅(qū)動器和電源模塊都集中于便攜式工業(yè)計算機中，大大節(jié)省了控制部分的空間，減輕了控制系統(tǒng)的質(zhì)量，簡化了電纜連接，減少了故障因素，提高了系統(tǒng)可靠性，使設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性增強。具有這種控制結(jié)構(gòu)的控制器，大大降低了控制和信息交互等軟件工作量。

2.5 PVT運動

目前，智能驅(qū)動器一般只能進行點到點的運動和速度運動，如要運行一些復(fù)雜的運動軌跡就需要在控制器中運用PVT進行軌跡規(guī)劃。PVT運動是讓各個自由度按照預(yù)先給定的位置、速度和時間間隔進行運動，只需要提供固定時間間隔的軌跡點位置值和速度值，兩個相鄰位置之間的點即可依靠控制器進行實時插補運算，最終通過CAN總線上的CANopen協(xié)議發(fā)送給驅(qū)動器。PVT軟件流程如圖4所示。

圖4 PVT軟件流程圖

本文的PVT實現(xiàn)形式為通過計算動態(tài)生成數(shù)據(jù)表格，然后將表格中數(shù)據(jù)動態(tài)添加到控制器中進行運動。 以粗太陽敏感器物理信號源仿真設(shè)備俯仰軸為例，設(shè)定幅值為10，頻率為1 Hz，固定時間間隔為10 ms，CANopen循環(huán)周期為5 ms，進行無限正弦搖擺運動。正弦無限時間搖擺運動重點是考慮一個數(shù)據(jù)表格周期內(nèi)和數(shù)據(jù)表格結(jié)束切換表格時運動的位置和速度。為防止數(shù)據(jù)表格運動結(jié)束切換到數(shù)據(jù)表格頂部時出現(xiàn)跳動現(xiàn)象，本文在將數(shù)據(jù)表格中的點添加進PVT表格時采取添加正弦周期×N個點的形式，這樣可以保證切換時2個切換點之間能夠銜接起來，從而有效避開了位置跳動現(xiàn)象。

利用PVT進行正弦無限搖擺運動，運動結(jié)果如圖5所示。

圖5 運動結(jié)果示意圖

PVT方法不同于固定表格，不會受到因初始表格設(shè)定限制而造成的軌跡限制，適合正弦無限搖擺和時間較長的軌跡無限循環(huán)運行，中間無斷點，有效地避免了位置跳動現(xiàn)象。

2.6 安全性

粗太陽敏感器物理信號源仿真設(shè)備的五個自由度都包含軟限位和硬限位兩級限位。軟限位在上位機上進行預(yù)先設(shè)定，控制器通過CANopen協(xié)議獲取各自由度的實時位置、故障狀態(tài)等信息并進行判定。當(dāng)該自由度運動到設(shè)定的限位位置或出現(xiàn)超速、超差、過流、過壓等故障時，控制器會自動對該自由度下達(dá)急停釋放指令，以防該自由度超出限位；另外，該仿真設(shè)備的各個自由度還包含有可自由移動的限位塊，可以根據(jù)需求固定硬限位的位置，雙重保護措施極大地提高了系統(tǒng)安全性。

另外，針對位于微小型兩軸轉(zhuǎn)臺臺面上的粗太陽敏感器，本設(shè)備提供了供用戶使用的精密微小型滑環(huán)，在微小型兩軸轉(zhuǎn)臺臺面和整個仿真設(shè)備的底部都預(yù)留用戶接口，防止測試時發(fā)生意外絞線的情況。

3 系統(tǒng)性能和測試結(jié)果

利用上位機界面使粗太陽敏感器物理信號源仿真設(shè)備從0 mm運動到450 mm，設(shè)定速度為150 mm/s，加速度為100 mm/s2，測試其位置和速率運動性能。測試結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 位置曲線

圖7 速率曲線

由圖6、圖7可以看到，設(shè)定的速度和位置軌跡都能被準(zhǔn)確跟蹤，沒有超調(diào)和抖動現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

基于CAN總線的CANopen協(xié)議使得粗太陽敏感器物理信號源仿真設(shè)備的電纜變得更簡潔，簡化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了故障因素，增強了可靠性。這種分布式實時控制系統(tǒng)能更快速地獲取系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)和各種故障、狀態(tài)信息。正常運行和故障情況下，系統(tǒng)都能快速地使某個自由度作出相應(yīng)動作，這在大型分布式系統(tǒng)中尤為重要。通過在五自由度粗太陽敏感器物理信號源仿真設(shè)備上測試的結(jié)果，驗證了CANopen協(xié)議應(yīng)用在實時分布式控制系統(tǒng)的實時性和可靠性。

隨著工業(yè)控制中大型系統(tǒng)的不斷發(fā)展，分布式實時系統(tǒng)必然會得到越來越多的應(yīng)用，擁有很好的應(yīng)用前景。但目前這種系統(tǒng)還存在一些問題，比如單軸可控性差，使其在位置和速率控制方面難以像傳統(tǒng)系統(tǒng)

那樣達(dá)到特別高的精度；另外，雖然利用PVT等方式能進行一些循環(huán)軌跡和文件仿真的運動，但目前在實現(xiàn)動態(tài)大數(shù)據(jù)庫實時仿真運動方面還有很大難度。

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Distributed Real-Time Control System Used for Five-Axis Simulator

AN Kangkang,HUANG Jinxin,HU Hong

(Beijing Precision Engineering Institute for Aircraft Industry,Beijing 100076,China)

Traditional control systems transfer analog and digital signals to the power amplifier or other components via the computer,however they are bulky,and their structure is complex,the failure rate is high and these failures are difficult to be located.In order to achieve the real-time control for the simulator of five degrees of freedom (five-axis) coarse sun sensor physical signal source and simplify the system structure,the novel distributed real-time control system based on CAN fieldbus and using CanOpen protocol is researched.In this system,all the controls are distributed into computer,the fieldbus controller,servo drivers,digital I/O,and sensors,etc.,and the real-time data communication among all the components are connected via a network cable in cascade manner;the failure of any node can be fast and accurately located and does not affect the normal operation of other nodes.The modular control system simplifies the design of the control system,reduces the number of cables and the space of the control system,minimizes the influence of the failures,and improves reliability and maintainability of the system.The flexibility and real-time performance of the system in motion trajectory are further verified by adopting the sinusoidal swing motion implemented by PVT.The control system promotes the development of the control structure in the industrial automation field,including structure simplification,real-time control performance and reliability,etc.

Distributed; Real-time control system; Bus technology; Real-time communication; Reliability; CANopen

安康康(1987—)，男，碩士，工程師,主要從事慣導(dǎo)測試與仿真設(shè)備的研究。E-mail：mynameisankang@126.com。

TH-39;TP273+.3

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703007

修改稿收到日期：2016-11-25