許東芳 楊鵬程 青先國 李卓玥 肖 凱

（核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，四川 成都 610213）

0 引言

傳統(tǒng)的Profibus、CANopen和Modbus等現(xiàn)場總線性能的限制決定了以往控制系統(tǒng)的架構(gòu)，例如控制系統(tǒng)的位置環(huán)和速度環(huán)控制等都被設(shè)計在上位機里，現(xiàn)場總線只是用來傳遞相關(guān)控制算法的參數(shù)，如圖1所示，到目前為止，只能實時控制伺服電機底層的位置環(huán)。但是，基于EtherCAT，可以實時控制伺服驅(qū)動電機底層的速度環(huán)和轉(zhuǎn)矩環(huán)，從而實現(xiàn)智能控制算法。本文將介紹基于EtherCAT直驅(qū)一類欠驅(qū)動伺服系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實時控制伺服驅(qū)動電機底層速度和輸出轉(zhuǎn)矩。另外，本文還將介紹一類欠驅(qū)動系統(tǒng)運行過程中液面晃動狀況的檢測系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)可提供液面狀況數(shù)據(jù)信息檢測。利用伺服控制系統(tǒng)及試驗平臺對該類欠驅(qū)動系統(tǒng)的控制開展測試驗證，可為今后工業(yè)機器人等工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用作好實驗準(zhǔn)備。

圖1 伺服控制系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展趨勢

1 一類基于Eth e r CAT的欠驅(qū)動系統(tǒng)伺服實驗平臺研制

1.1 一類基于EtherCAT驅(qū)動的電機伺服平臺研制

本文介紹的平臺基于EtherCAT的主從框架，主要包括硬件、用戶和內(nèi)核三個層面，其中用戶層面為用戶提供了大量的接口，通過大量的適應(yīng)性開發(fā)可實現(xiàn)伺服驅(qū)動系統(tǒng)的各種功能。硬件層面即指通過網(wǎng)絡(luò)接口控制器底層伺服驅(qū)動設(shè)備相連接，來構(gòu)建一個EtherCAT的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。圖2所示為基于EtherCAT的伺服控制系統(tǒng)。

圖2 基于Ether CAT技術(shù)的主從框架

圖1是最新發(fā)展趨勢，即基于EtherCAT現(xiàn)場總線技術(shù)的直驅(qū)控制架構(gòu)，圖3為EtherCAT中CANopen的實現(xiàn)原理。傳統(tǒng)的Linux系統(tǒng)內(nèi)核只能達到一定軟實時的要求，然后給用戶提供基本的操作，不能保證硬實時。但是通過實時補丁，Linux系統(tǒng)內(nèi)核可以實現(xiàn)硬實時。

圖3 CANopen的實現(xiàn)原理

本文使用的開源主站可通過EtherCAT建立與底層伺服驅(qū)動設(shè)備的通信。通過設(shè)置EtherCAT相關(guān)字節(jié)使伺服系統(tǒng)運行為不同的模式，控制伺服系統(tǒng)底層設(shè)備的速度和轉(zhuǎn)矩。另外，由于可以實現(xiàn)1 kHz的通信周期，因此可實現(xiàn)先進智能控制算法。

1.2 欠驅(qū)動系統(tǒng)狀態(tài)信息檢測系統(tǒng)開發(fā)

為了檢測該類欠驅(qū)動系統(tǒng)運動過程中的一系列狀態(tài)信息，即本文中的液體及貯液容器的運動狀態(tài)信息，驗證該欠驅(qū)動系統(tǒng)控制算法，開發(fā)了欠驅(qū)動系統(tǒng)狀態(tài)信息檢測系統(tǒng)。包括在欠驅(qū)動系統(tǒng)運行過程中周期性地捕獲系統(tǒng)狀態(tài)信息圖像，校準(zhǔn)工業(yè)相機各項外部參數(shù)，校正液體狀態(tài)信息圖像的畸變，以及后期處理液體狀態(tài)信息圖像。

該系統(tǒng)使用工業(yè)相機，在欠驅(qū)動系統(tǒng)運行時以每秒125幀的最快速度捕捉液體狀態(tài)信息。對于圖像失真問題，參考經(jīng)典的張氏標(biāo)定方法，根據(jù)工業(yè)相機的各項外部物理參數(shù)，矯正圖像如圖4所示。閾值分離后對校正后的圖像進行預(yù)處理，經(jīng)過一系列圖像處理及運算，如圖5所示，可得到其邊緣信息，然后計算得到液體晃動信息，并通過映射計算液體的高度，得到液體晃動的方向。

圖4 畸變校正前后圖像對比

圖5 欠驅(qū)動系統(tǒng)狀態(tài)信息檢測系統(tǒng)處理流程及示例

1.3 一類欠驅(qū)動伺服系統(tǒng)實驗平臺的開發(fā)

為了對EtherCAT通信技術(shù)及欠驅(qū)動實驗平臺的功能性能進行測試驗證，研制了一種可實現(xiàn)快速運動的一類欠驅(qū)動伺服系統(tǒng)實驗平臺。該實驗平臺選用支持EtherCAT通信的山洋電氣R2系列伺服系統(tǒng)，為了更好地將電機輸出在欠驅(qū)動系統(tǒng)上，利用膜片聯(lián)軸器與電機相連。一類欠驅(qū)動伺服系統(tǒng)實驗平臺如圖6所示。

圖6 一類欠驅(qū)動伺服系統(tǒng)實驗平臺

2 欠驅(qū)動系統(tǒng)控制算法驗證

2.1 開放貯液容器液體晃動描述及實驗設(shè)置

貯液容器中的溶液的晃動狀態(tài)抑制的控制為一類典型欠驅(qū)動控制系統(tǒng)，通過控制貯液運動平臺來控制容器中液體的運動狀態(tài)。首先，在位置控制模式下，考慮欠驅(qū)動系統(tǒng)即貯液容器的運動情況。位置控制方式采用梯形速度規(guī)劃。通過1.2節(jié)液體晃動狀態(tài)信息檢測系統(tǒng)的處理，可獲得圖7所示的實驗結(jié)果，用其表征液體在運動過程中的晃動情況。

圖7 位置控制模式下溶液晃動響應(yīng)

圖7所示的欠驅(qū)動系統(tǒng)中容器中液體的晃動情況主要是由于承載平臺的加速度變化引起的。本文采取的速度控制流程如圖8所示。

圖8 欠驅(qū)動系統(tǒng)伺服實驗平臺控制流程

2.2 欠驅(qū)動系統(tǒng)實驗平臺及控制算法測試驗證

該實驗驗證基于輸入整形PID欠驅(qū)動系統(tǒng)控制方法(PID-ZVD)和欠驅(qū)動系統(tǒng)最優(yōu)控制方法(LQRZVD)。由于本文主要考慮一類欠驅(qū)動系統(tǒng)實驗平臺的開發(fā)和基于EtherCAT的通信技術(shù)驗證，欠驅(qū)動系統(tǒng)控制算法的推導(dǎo)和設(shè)計本文不再贅述。本實驗中欠驅(qū)動伺服系統(tǒng)將采用周期速度控制的方式，控制頻率最高為1 kHz，欠驅(qū)動系統(tǒng)控制方法在開發(fā)的基于EtherCAT的主站上執(zhí)行，實驗平臺中的伺服電機驅(qū)動器為從站，構(gòu)成主從控制模式。

圖9為LQR-ZVD欠驅(qū)動系統(tǒng)控制方法和PIDZVD欠驅(qū)動系統(tǒng)控制方法的輸出響應(yīng)。其中LQRZVD欠驅(qū)動控制方法穩(wěn)定時間顯著增快且最大速度也更小。

圖9 位置和速度響應(yīng)

圖10顯示了PID-ZVD實驗過程中液體晃動的狀態(tài)?？梢钥吹剑A液容器在開始移動時明顯在晃動，隨后逐漸穩(wěn)定。LQR-ZVD實驗過程中的液體晃動如下圖11所示。

圖10 PID-ZVD欠驅(qū)動系統(tǒng)控制方法的晃幅響應(yīng)

圖11 LQR-ZVD欠驅(qū)動系統(tǒng)控制方法的晃幅響應(yīng)

測試結(jié)果顯示，欠驅(qū)動運動過程中在保證運動速度的同時，晃動的幅度相較平緩，在開始運動后，液面就迅速趨于平緩，并且最大速度小，最大加速度也明顯減小。

兩種欠驅(qū)動系統(tǒng)控制方法都能很好的實現(xiàn)這一類欠驅(qū)動系統(tǒng)的控制目標(biāo)，實現(xiàn)這一類欠驅(qū)動系統(tǒng)運動的控制，充分驗證了本文實驗平臺的可用性以及EtherCAT通信技術(shù)的實時性和有效性。

3 總結(jié)與展望

開發(fā)的基于EtherCAT的一類欠驅(qū)動伺服系統(tǒng)實驗平臺實現(xiàn)了與伺服設(shè)備的EtherCAT通訊，以及底層伺服設(shè)備的速度環(huán)、轉(zhuǎn)矩環(huán)的閉環(huán)控制，實現(xiàn)其1 kHz的通訊周期。研發(fā)的欠驅(qū)動系統(tǒng)狀態(tài)信息檢測系統(tǒng)及實驗平臺，實現(xiàn)了高速準(zhǔn)確的液體輸送和液體動態(tài)信息處理。實驗驗證和分析表明，基于EtherCAT的伺服系統(tǒng)實驗平臺滿足實驗要求，更好地實現(xiàn)了直接驅(qū)動控制和智能控制算法，為后續(xù)在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用奠定了實驗基礎(chǔ)。