基于機(jī)器學(xué)習(xí)的多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂 娜

(廣東中恒安檢測(cè)評(píng)價(jià)有限公司，廣東 惠州 516000)

多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)涵蓋范圍較廣，在短短30多年內(nèi)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)社會(huì)，尤其是紡織、印刷、自動(dòng)化程度高的機(jī)械控制設(shè)備，采用該控制系統(tǒng)可提高機(jī)械制造的質(zhì)量。由多軸構(gòu)成的聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由機(jī)械機(jī)構(gòu)和控制器兩部分組成[1]。目前對(duì)于聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，我國學(xué)者大多是通過平面圖像來研究機(jī)械的運(yùn)行模式，并以運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橹笜?biāo)對(duì)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制[2]。然而，若運(yùn)動(dòng)方向上機(jī)械軸承承受的負(fù)載力較大，通過一臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，則無法保證控制系統(tǒng)的平穩(wěn)性。

基于此，本文設(shè)計(jì)了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括運(yùn)動(dòng)控制器、伺服系統(tǒng)以及I/O系統(tǒng)，為滿足系統(tǒng)穩(wěn)定控制標(biāo)準(zhǔn)，選擇工控主機(jī)作為信息處理平臺(tái)，通過人機(jī)交互界面管理與控制系統(tǒng)監(jiān)控工作[3]。采用DSP(digital signal processor,數(shù)字信號(hào)處理器)作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心組件，該控制器基于RS-232串行通信工作原理，可用于多軸聯(lián)動(dòng)控制。根據(jù)負(fù)載慣量，主軸升降機(jī)選擇2kW的伺服驅(qū)動(dòng)器[4]。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)具有器件少、線路簡單的特點(diǎn)。為確保系統(tǒng)整體穩(wěn)定運(yùn)作，需根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)的基本性能要求選取電機(jī)[5]。圖1中，通過電機(jī)CAN總線連接運(yùn)動(dòng)控制器與伺服控制器，且運(yùn)動(dòng)控制器與電機(jī)開關(guān)連接，主要用于控制機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，考慮到系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制器還需設(shè)計(jì)相關(guān)程序使伺服電機(jī)能緊急停止[6]。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框架

1.1 DSP運(yùn)動(dòng)控制微處理器

DSP運(yùn)動(dòng)控制微處理器具有處理大量信息的能力，能對(duì)相關(guān)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高效的修改與刪除，在多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)中其能將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯成模擬數(shù)據(jù)[7]。

DSP2812加密運(yùn)動(dòng)控制微處理器主要用于并行處理相關(guān)指令的多數(shù)據(jù)流，利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器獲取并轉(zhuǎn)換相關(guān)數(shù)據(jù)，得到模擬信號(hào)[8]。DSP和FPGA(field programmable gate array， 現(xiàn)場可編程門陣列)相結(jié)合，配以輔助電路，可適用于各種PC主機(jī)配置?；窘Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 DSP2812加密運(yùn)動(dòng)控制微處理器基本結(jié)構(gòu)

在該處理器產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過程中，可根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)功能對(duì)器件、電路板進(jìn)行組態(tài)設(shè)置[9]。FPGA芯片包括16 000個(gè)邏輯門，通過觸發(fā)器可為用戶提供多個(gè)接口，實(shí)現(xiàn)控制器的譯碼、計(jì)數(shù)與定時(shí)[10]。DSP2812加密運(yùn)動(dòng)控制微處理器可將控制程序中的某些數(shù)據(jù)全部寫入到RAM中，并通過上位機(jī)讀取、監(jiān)控、管理數(shù)據(jù)[11]。

1.2 伺服系統(tǒng)

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，交流伺服電機(jī)逐漸取代了直流電機(jī)，伺服系統(tǒng)能夠精確跟隨整體機(jī)構(gòu)的反饋過程，保證驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)行更加靈活[12-13]。開環(huán)式伺服系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離同步傳輸，通過跟蹤電信號(hào)并結(jié)合控制指令，保證驅(qū)動(dòng)裝置的控制更加靈活方便[14]。

圖3 開環(huán)式伺服系統(tǒng)架構(gòu)

1.3 通信接口電路

應(yīng)用RS-485串行通信接口電路時(shí)，必須在PC主機(jī)上安置RS-485轉(zhuǎn)換器，并持有適合PC主機(jī)的RS-485卡，在Windows 10環(huán)境下利用Win32API函數(shù)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和主機(jī)之間的高效通信[15]。

單片機(jī)和PC主機(jī)之間的RS-485通信接口電路如圖4所示。

圖4 RS-485通信接口電路

采用RS-485芯片設(shè)計(jì)通信電路，有效簡化了各類應(yīng)用所需要的元件數(shù)。由于通訊載體是雙絞線，因此在485通信接口的起始端接有150 Ω的電阻，該電阻可減少線路傳輸信號(hào)的反射。如果總線上所有的發(fā)送器被禁止，那么接收器此時(shí)的接收邏輯為0，出現(xiàn)“幀錯(cuò)誤”。為避免產(chǎn)生通信故障，需人為使A端電位高于B端電位，保持總線空閑時(shí)呈現(xiàn)高電平狀態(tài)。

2 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行主動(dòng)學(xué)習(xí)，并從已知數(shù)據(jù)中分析出潛在的概率，通過認(rèn)知回歸方程進(jìn)行同步載入，使機(jī)器具備學(xué)習(xí)能力，進(jìn)一步提高工作效率。

機(jī)器學(xué)習(xí)算法的具體步驟如下：

1)對(duì)自變量x(x=x1,x2,…,xm)進(jìn)行n次觀測(cè)并取均值，得到其測(cè)量數(shù)據(jù)矩陣X，X=(x1,x2,…,xm)n，其中m表示特征根數(shù)量。

2)當(dāng)觀測(cè)次數(shù)n較大時(shí)，觀測(cè)數(shù)據(jù)矩陣X的協(xié)方差矩陣C為：

(1)

式中：cij=Cov(xi,xj)，i=1,2,…,m;j=1,2,…,n，表示X的分量xi，xj的協(xié)方差，其中Cov(·)代表協(xié)方差。

3)求C的特征根λi及其相應(yīng)的單位正交特征向量p1,p2,…,pm。

4)根據(jù)式(2)獲取認(rèn)知元素ti：

(2)

5)根據(jù)式(3)計(jì)算認(rèn)知元素ti的方差潛在概率δi和前a個(gè)認(rèn)知的累計(jì)潛在概率ηa：

(3)

式中：a為認(rèn)知元素?cái)?shù)量。一般累計(jì)潛在概率不小于85%。

6)自變量x對(duì)應(yīng)m個(gè)觀測(cè)值x1,k，x2,k，…，xm,k，k=1,2,…,n，計(jì)算前a個(gè)認(rèn)知元素t1,t2,…,ta的n個(gè)樣本值為ti,k，i=1,2,…,a；

(4)

式中：α為回歸常數(shù)；T為認(rèn)知觀測(cè)系數(shù)。

(5)

通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法得到認(rèn)知回歸系數(shù)，引入該系數(shù)以提高多軸速度變化的認(rèn)知程度，多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件結(jié)果具體內(nèi)容如下。

多軸速度交替模式：啟動(dòng)多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，使多個(gè)型號(hào)的軸電機(jī)開始鎖軸運(yùn)動(dòng)，并逐漸載入速度進(jìn)行交替運(yùn)行，直到獲取全部參數(shù)。待運(yùn)行停止后，完成多軸速度交替。

多軸速度同步模式：啟動(dòng)多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，通過認(rèn)知回歸系數(shù)設(shè)置載入速度并進(jìn)行記錄，直到獲取全部參數(shù)。與多軸速度交替模式一致，都是待運(yùn)行停止后完成多軸速度交替。

主程序主要包含子程序入口和代碼初始化程序，在主程序基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)觸摸屏人機(jī)界面。采用圖形化編程語言設(shè)計(jì)觸摸屏界面，并對(duì)相關(guān)圖形元件進(jìn)行對(duì)應(yīng)功能設(shè)計(jì)，該過程主要用到的元件有數(shù)值元件、按鈕開關(guān)元件、切換開關(guān)元件和功能組件等。

基于機(jī)器學(xué)習(xí)的多軸聯(lián)動(dòng)控制流程為：

Step 1，通過控制模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行選擇與設(shè)置，并將此信息傳遞給DSP2812加密運(yùn)動(dòng)控制微處理器。

Step 2，利用以太網(wǎng)接收DSP2812加密運(yùn)動(dòng)控制微處理器發(fā)送來的全部參數(shù)信息。

Step 3，計(jì)算認(rèn)知回歸系數(shù)，設(shè)置數(shù)據(jù)顯示模塊接收來自處理器的實(shí)時(shí)信息，并通過及時(shí)更新數(shù)據(jù)來顯示相關(guān)動(dòng)態(tài)曲線。

Step 4，控制載入速度，通過計(jì)算認(rèn)知回歸系數(shù)，開始軸電機(jī)鎖軸運(yùn)動(dòng)，同步記錄運(yùn)行速度。

Step 5，對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行判斷，并快速執(zhí)行程序。

Step 6，DSP2812加密運(yùn)動(dòng)控制微處理器和驅(qū)動(dòng)器之間的信息通過CAN總線進(jìn)行交換，從而完成對(duì)電機(jī)的控制與監(jiān)測(cè)，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

3 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于機(jī)器學(xué)習(xí)的多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

伺服驅(qū)動(dòng)器額定功率較大，具有良好的通信功能。實(shí)驗(yàn)中每個(gè)伺服設(shè)備都具有唯一的軸地址，因此從伺服驅(qū)動(dòng)器角度出發(fā)，對(duì)驅(qū)動(dòng)器輸入?yún)?shù)進(jìn)行優(yōu)化處理。

3.1 軸點(diǎn)信息采集

分別選取兩個(gè)單軸點(diǎn)，并對(duì)其點(diǎn)位波形進(jìn)行采集。為了避免受到觸摸屏尺寸的限制，選取不同點(diǎn)位波形圖進(jìn)行分析，并在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上選取8個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。具體過程如下。

1)一號(hào)軸運(yùn)行波形分析。

一號(hào)軸點(diǎn)位波形圖如圖6所示。通過不同點(diǎn)位反饋波形，獲取指令速度對(duì)應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間，反饋速度保持不變處為點(diǎn)位停止時(shí)間，由此計(jì)算出點(diǎn)位運(yùn)行具體位置，見表1。

圖6 一號(hào)軸單軸點(diǎn)位模式采集波形圖

表1 不同點(diǎn)位運(yùn)行情況

2)二號(hào)軸運(yùn)行波形分析。

獲取二號(hào)軸點(diǎn)位波形圖，如圖7所示。通過不同點(diǎn)位反饋波形，可獲取不同點(diǎn)位時(shí)間和指令速度。二號(hào)軸8個(gè)點(diǎn)位的基礎(chǔ)參數(shù)見表2。

圖7 二號(hào)軸單軸點(diǎn)位模式采集波形圖

3.2 系統(tǒng)控制效果對(duì)比分析

基于圖1和2，分別采用傳統(tǒng)系統(tǒng)與基于機(jī)器學(xué)習(xí)的多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)一號(hào)軸和二號(hào)軸的控制效果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表3。

表2 二號(hào)軸實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位參數(shù)表

表3 不同系統(tǒng)下兩種型號(hào)軸的控制效果對(duì)比分析 %

由表3可知，在不同系統(tǒng)下，兩種型號(hào)軸的控制效果有差別。相比于傳統(tǒng)方法，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的系統(tǒng)控制效果更好，主要原因是該系統(tǒng)基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法獲取認(rèn)知回歸系數(shù)，能提高多軸速度變化的認(rèn)知程度，提高系統(tǒng)協(xié)調(diào)性能，從而提高了控制效果。

4 結(jié)束語

為實(shí)現(xiàn)多軸高精度位置的高效控制，本文基于機(jī)器學(xué)習(xí)的思想提出并設(shè)計(jì)了多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，以DSP2812加密運(yùn)動(dòng)控制微處理器為核心，結(jié)合軟件設(shè)計(jì)完成機(jī)械裝置的多軸聯(lián)動(dòng)控制。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果可知，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的控制系統(tǒng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)的控制。

受到條件限制影響，文中所涉及的控制方法并沒有得到先進(jìn)設(shè)備支撐，且研究內(nèi)容更加偏向于理論研究，因此在后續(xù)工作中，應(yīng)盡可能與相關(guān)企業(yè)合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，為進(jìn)一步完善相關(guān)理論提供技術(shù)支持。