赵杰1 金明亮 2
1. 库卡广东机器人有限公司 广东佛山 528311
2. 美的制冷设备有限公司 广东佛山 300072
摘要；市场上主流的机器人控制器多采用的是控制器和驱动器分离式的架构，伺服驱动采用双核架构（ARM或DSP＋FPGA）。而随着多核芯片能力的提升，将伺服驱动、运动控制一体化集成在嵌入式系统当中，极大地降低系统集成复杂性、成本与体积；本文重点研究驱控一体控制系统的设计与未来发展，为机器人驱动一体架构的设计提供参考和借鉴。
关键词：驱控一体 分离式架构 控制系统 多核异构SOC
Nonlinear Speed Control for a Permanent Magnet Synchronous Generator and the Boost-Chopper Converter
Zhao Jie1 Jin Mingliang1, 2
（1. Kuka (Guangdong) Robot Co., Ltd Foshan Guangdong 528311 China
2. Midea Refrigeration Equipment Co., Ltd Foshan Guangdong 528311 China）
Abstract The mainstream robot controller in the market mostly adopts the architecture of controller and driver separation, and the servo drive adopts dual-core architecture (ARM or DSP+FPGA). With the improvement of the capability of multi-core chips, servo drive and motion control are integrated into the embedded system, which greatly reduces the complexity, cost and volume of system integration. This paper focuses on the design and future development of the drive and control integrated control system, which provides reference for the design of the robot drive integrated architecture..
keywords：Multi-core heterogeneous SOC control system based on discrete drive control architecture
0 引言
2020年疫情过后，我国机器人与智能制造整体解决方案的需求被加速激发。机器人与智能制造整体解决方案的应用不仅能够提高企业生产效率和市场竞争力，同时可以大幅度降低用工风险，推动自动化、智能化生产模式是企业发展的必然趋势[1]。
工业应用对机器人提出了更高的要求，特别是在多轴同步、高集成度、高可靠性等方面。而将驱动器与控制器集成在一起，即驱控一体技术的发展成为未来的趋势 [2]。
目前，产品级驱控一体都是将多轴做到一个空间内，轴与轴之间还是基于以太网技术通过总线连接，采用多CPU分布式的软件架构；在算法上，运动控制和驱动耦合较少，底层的伺服驱动只是被动的接受控制器的指令，对未来指令的规划无法获知；同时双方数据交互信息也仅限于位置、速度、加速度等信息 [3]。
1 机器人控制系统
1.1 机器人控制系统的分类
目前，工业机器人应用较多的式总线型运控控制系统，按照控制结构类型分为：分离式的多轴运动控制系统和集中式多轴运动控制系统。如图1和图2所示。
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分离式运动控制系统的特点是：采用独立的控制器与伺服驱动器，通过工业现场总线进行连接通信，多轴之间的同步也是通过总线协议的同步功能保证。
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集成式运动控制系统借助多核异构SOC技术的发展，将运动控制、伺服驱动的功能集成在单芯片内（即驱动一体），利用中断等技术实现多轴的同步控制。也是未来运动控制发展的趋势和研究的热点。
1.2 驱控一体的架构
驱控一体技术涉及到的不仅仅是控制问题，还有关键的伺服驱动技术问题[4]。难点在于如何让运动控制参与到伺服驱动单元的电流环运算，并在软件层次上达到深层次的耦合。尽管目前市场上也出现了驱控一体的产品，但更多的硬件上的一体。市场上典型的方案如：众为兴QC系列的驱控一体系统，如图3所示。采用了分布式CPU架构，使得硬件各尽其职，在同步性能将数据总线和时钟总线并行，同步性能显著提高。同时通信采用内部板载并行总线，体积和成本大幅度降低，使驱动一体向市场应用迈向了一大步。
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而随着多核SOC芯片技术的发展，使通过一个芯片实现驱动控制一体化，省掉总线，只通过芯片系统的内存实现信息共享成为可能。
2 基于异构多核SOC的驱动一体架构设计
基于集成式运动控制平台的使用需求，需要选用集成高性能处理器的多核Soc芯片。采用基于Zynq Soc的驱动一体化架构设计，利用内部集成的双核ARM Cortex-A9 和可编程逻辑单元PL，合理分配运动控制、伺服驱动。其控制框图如图4所示：
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采用AMP双核系统设计，分别为CPU0的Linux操作系统和CPU1伺服裸机系统。Linux操作系统用于运行机器人的运动控制，完成轨迹规划、人机交互、动力学前馈等，并将指令及时下发。CPU1的裸机用于完成位置指令的二次插补、伺服速度环和位置环的多轴控制，以及信息交互。双核之间的信息交互采用内部共享内存OCM，节约了外部现场总线，同时由于采用的是内部板载走线，提高了通信的抗干扰性、可靠性。FPGA则用于多轴的电流环控制，利用FPGA硬件并行运算能力，改善伺服的动态响应。
在软件算法层面上，为实现驱控一体的深度融合，引入机器人动力学。目前，常用的方法是将动力学以前馈的形式叠加在伺服的电流环控制中，提高伺服驱动的响应性。但若想把力矩前馈的有事发挥出来，需要在下面给两个方向下功夫：
1）动力学方程是否足够精确，哪些力需要加入到前馈中，要加多少比例，都必须仔细衡量和调整；
2）机器人系统的其他环节是否足够优异，本体的刚度是否足够，控制器施加的力矩前馈是否足够。
其次，是否可以从轨迹规划层面，利用动力学去进行更优的运动规划，甚至是减轻和抑制机器人的振动问题，都值得我们进行深入探讨。
最后，驱动一体化技术的一个难点在于如何进行多轴的同步控制。
3 结论
针对应用场合，驱控一体化技术出现两种趋势：1）无人工厂、自动化产线等空间相对分散的场所采用将驱动和电机结和的方式；
2）工业机器人、数控机床等应用空间相对比较紧的场合，更提倡把运动和伺服驱动结和一体。
通过控制器、Soc等底层芯片与上层软件的集成和深度耦合，形成驱控一体化即电机驱动一体化。
综上所述，传统的运动控制器、伺服驱动器、伺服电机三者将两两组合，构成驱控一体化集成技术，并加入减速器，结和软件的智能化，迈向“ALL in ONE”时代。
参考文献
[1] 张铁.工业机器人智能制造发展现状分析[J].机电工程技术，2014(4):1-3.
[2] 计时鸣，黄希欢.新时期工业机器人产业发展分析与建议[J].机电工程，2015，32(1):1-13.
[3] 佚名.众为兴QC驱控一体系统在工业机器人众的应用[J].伺服控制,2015(7):21-23.
[4] 刘博峰. 驱控一体化机器人运动控制系统研究[D]. 上海交通大学, 2015.
[5] 叶海洋. 基于多核SOC的多轴控制平台关键技术研发[D]. 华中科技大学, 2019.
作者简介
赵 杰 女，1987年生，硕士，工程师，研究方向为伺服驱动及其控制。
E-mail：zhj1987322@126.com
（通信作者）
金明亮 男，1983年生，硕士，工程师，研究方向为机器人结构与设计。