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[摘 要]介绍了一种基于ZYNQ SoC交流伺服控制系统设计。针对伺服驱动系统高速度 、高精度的要求，传统控制方法很难对其实施有效控制。利用 ZYNQ SoC高速并行处理的特点，和丰富的逻辑资源进行各种PID控制参数的模糊控制。实现 SoC （ System on a Chip ）高性能交流伺服系统 。
[关键词]交流伺服 控制系统 设计
中图分类号：F569.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）19-0006-02
0.引言
随着高性能微处理器在电动机调速系统中的广泛应用，使得交流伺服系统的实现方式也由模拟、模数混合方式向全数字方式发展。全数字控制方式不仅使系统具有功能多样化、高精度、高可靠性、智能化、网络化等特征，还为新型控制理论和方法的应用提供了平台[l-3]。其中，永磁同步电机 伺服系统已成为交流伺服系统的主导。控制器方面，数字信号处理器以其高速数字信号处理特性，实现了先进复杂的控制算法，使交流伺服系统的控制性能得到进一步提高[4]。
本文分析了交流伺服控制器中闭环控制各部分实时性要求，根据ZYNQ SoC特点，利用其丰富灵活的资源配置，将电流控制算法、位置控制算法、速度控制算法，实时人机交互集成于ZYNQSoC中。系统集成化程度得到全面的提升，配置更加灵活，可以实现不同设备间的互联。系统设备数量成倍降低，并且可以实现分布式管理。上位机不用负担计算任务，硬件成本进一步降低。
1.硬件电路的整体介绍
系统设计结构图如图1所示。主要包括高密度数据处理、控制算法以及基于操作系统的人机交互和任务管理系统等。多个电机驱动使用ZYNQ的PL逻辑部分完全实现。
ZYNQ系统框架如图2所示。ARMCortex-A9处理核心主要负责人机交互、系统通信、任务管理和部分实时控制任务。其分别安装通用操作系统（GPOS， general purpose operating system）和实时操作系统（RTOS， real-time operating system）。通用操作系统主要用于管理人机交互任务和系统通信，可实现本系统与上位机设备的连接。实时操作系统主要管理系统的控制任务，合理分配系统资源。并通过与Zynq可编程逻辑的数据交换，实现系统高速并行处理。除此之外，本设计针对系统硬件进行了存储扩展，以提高系统的存储控制和运行速度。并在此基础上，ZYNQ可编程逻辑单元负责大量的控制算法和信号处理计算，包括系统辨识、多轴控制算法等。利用可重配置标准接口，系统可以实现控制不同类型的电机驱动。
2.模糊PID控制器实现
本文设计的交流伺服控制系统中，使用模糊控制器等实现PID控制器参数算法。
模糊控制是利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法，由于在多轴控制之中，虽然能对各个交流伺服系统的PID控制器可以建立模型，但对于PID控制器的最优参数难以确定，模型的建立相当困难，所以使用模糊数学处理该控制器较为方便。
但是在模糊控制器的实现中，对于规则整定参数调节等方便存在一定的难度，所以对于规则表的自整定也是研究的热门话题。我们决定使用者粒子群优化算法（Particle Swarm optimization，PSO）实现参数、规则表的整定。实现框图如图3所示。
对于PSO算法，使用ZYNQ逻辑资源量可实现多路并行的的PSO。所以实现这些算法，同时实现模糊控制器以及对多个PID控制的参数进行整定，并实现多个电机的电流、速度闭环控制器是绰绰有余的。
当然我们实现GA/PSO算法也可以考虑使用ARM-A9核实现，这要考虑具体算法的时间复杂度以及编程复杂度，同时考虑计算量等，最终使用最少的资源拿出最好的解决方案。将PSO算法应用于伺服系统控制器的参数自整定，利用PSO算法强大的搜素寻优功能，直接整定出PI控制器的参数，简化了参数整定的工作，极大地提高了伺服系统的性能。[5]
3.系统控制软件的任务及设计
本文设计的控制系统将采用软/硬件协同设计的方式进行开发。项目针对系统需求进行软/硬件协同划分。在硬件开发的同时进行软件设计与实现，并及时进行协同和调整。详细软件系统框架如图4所示。
Cortex-A9CPU1搭载Linux操作系统，主要负责信息交互与高性能处理设备扩展。Cortex-A9CPU2搭载TOPPERS/ASP实时操作系统，负责传感器信息采集、通用外设调度以及与ZYNQ SoC可编程逻辑单元的信息交互。
4.结束语
文章讨论了在ZYNQ的PL部分可实现实验平台上所有三台PMSM电机的电流环控制模块。对于实现多电机控制算法及其控制对象状态观测，控制系统能够保证系统响应迅速，抗扰动能力强。此外，实现控制器参数在线学习、自调整能够精确多任务操作。系统搭载Linux多核操作系统和TOPPERS/FMP多核实时操作系统。系统功能覆盖底层信息传递至上位机图形显示。用户上位机操作实验平台运转，并且可利用上位机调试和监测整个系统。该系统支持可重配置通用接口，可连接不同电机驱动。系统通用性强，可应用与不同场合。
参考文献
[1] 秦忆.现代交流伺服系统[M].武汉：华中理工出版社，1995：1-3.
[2] 郭庆鼎，王成元.交流伺服系统[M].北京：机械工业出版社，1994：2-3.
[3] 郭前岗，李耀华，孟彦京.现代交流传动系统调速技术综述[J].微计算机信息，2004，20（11）：74-76.
[4] 张兴国，党幼云.基于DSP的永磁同步电动机交流伺服控制系统的设计[D].西安：西安工程大学学报，2009，23.
[5] 于乐华，刘玫.基于粒子群算法的参数自整定伺服控制器的设计[J] .机电一体化20l2，12：10.
[关键词]交流伺服 控制系统 设计
中图分类号：F569.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）19-0006-02
0.引言
随着高性能微处理器在电动机调速系统中的广泛应用，使得交流伺服系统的实现方式也由模拟、模数混合方式向全数字方式发展。全数字控制方式不仅使系统具有功能多样化、高精度、高可靠性、智能化、网络化等特征，还为新型控制理论和方法的应用提供了平台[l-3]。其中，永磁同步电机 伺服系统已成为交流伺服系统的主导。控制器方面，数字信号处理器以其高速数字信号处理特性，实现了先进复杂的控制算法，使交流伺服系统的控制性能得到进一步提高[4]。
本文分析了交流伺服控制器中闭环控制各部分实时性要求，根据ZYNQ SoC特点，利用其丰富灵活的资源配置，将电流控制算法、位置控制算法、速度控制算法，实时人机交互集成于ZYNQSoC中。系统集成化程度得到全面的提升，配置更加灵活，可以实现不同设备间的互联。系统设备数量成倍降低，并且可以实现分布式管理。上位机不用负担计算任务，硬件成本进一步降低。
1.硬件电路的整体介绍
系统设计结构图如图1所示。主要包括高密度数据处理、控制算法以及基于操作系统的人机交互和任务管理系统等。多个电机驱动使用ZYNQ的PL逻辑部分完全实现。
ZYNQ系统框架如图2所示。ARMCortex-A9处理核心主要负责人机交互、系统通信、任务管理和部分实时控制任务。其分别安装通用操作系统（GPOS， general purpose operating system）和实时操作系统（RTOS， real-time operating system）。通用操作系统主要用于管理人机交互任务和系统通信，可实现本系统与上位机设备的连接。实时操作系统主要管理系统的控制任务，合理分配系统资源。并通过与Zynq可编程逻辑的数据交换，实现系统高速并行处理。除此之外，本设计针对系统硬件进行了存储扩展，以提高系统的存储控制和运行速度。并在此基础上，ZYNQ可编程逻辑单元负责大量的控制算法和信号处理计算，包括系统辨识、多轴控制算法等。利用可重配置标准接口，系统可以实现控制不同类型的电机驱动。
2.模糊PID控制器实现
本文设计的交流伺服控制系统中，使用模糊控制器等实现PID控制器参数算法。
模糊控制是利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法，由于在多轴控制之中，虽然能对各个交流伺服系统的PID控制器可以建立模型，但对于PID控制器的最优参数难以确定，模型的建立相当困难，所以使用模糊数学处理该控制器较为方便。
但是在模糊控制器的实现中，对于规则整定参数调节等方便存在一定的难度，所以对于规则表的自整定也是研究的热门话题。我们决定使用者粒子群优化算法（Particle Swarm optimization，PSO）实现参数、规则表的整定。实现框图如图3所示。
对于PSO算法，使用ZYNQ逻辑资源量可实现多路并行的的PSO。所以实现这些算法，同时实现模糊控制器以及对多个PID控制的参数进行整定，并实现多个电机的电流、速度闭环控制器是绰绰有余的。
当然我们实现GA/PSO算法也可以考虑使用ARM-A9核实现，这要考虑具体算法的时间复杂度以及编程复杂度，同时考虑计算量等，最终使用最少的资源拿出最好的解决方案。将PSO算法应用于伺服系统控制器的参数自整定，利用PSO算法强大的搜素寻优功能，直接整定出PI控制器的参数，简化了参数整定的工作，极大地提高了伺服系统的性能。[5]
3.系统控制软件的任务及设计
本文设计的控制系统将采用软/硬件协同设计的方式进行开发。项目针对系统需求进行软/硬件协同划分。在硬件开发的同时进行软件设计与实现，并及时进行协同和调整。详细软件系统框架如图4所示。
Cortex-A9CPU1搭载Linux操作系统，主要负责信息交互与高性能处理设备扩展。Cortex-A9CPU2搭载TOPPERS/ASP实时操作系统，负责传感器信息采集、通用外设调度以及与ZYNQ SoC可编程逻辑单元的信息交互。
4.结束语
文章讨论了在ZYNQ的PL部分可实现实验平台上所有三台PMSM电机的电流环控制模块。对于实现多电机控制算法及其控制对象状态观测，控制系统能够保证系统响应迅速，抗扰动能力强。此外，实现控制器参数在线学习、自调整能够精确多任务操作。系统搭载Linux多核操作系统和TOPPERS/FMP多核实时操作系统。系统功能覆盖底层信息传递至上位机图形显示。用户上位机操作实验平台运转，并且可利用上位机调试和监测整个系统。该系统支持可重配置通用接口，可连接不同电机驱动。系统通用性强，可应用与不同场合。
参考文献
[1] 秦忆.现代交流伺服系统[M].武汉：华中理工出版社，1995：1-3.
[2] 郭庆鼎，王成元.交流伺服系统[M].北京：机械工业出版社，1994：2-3.
[3] 郭前岗，李耀华，孟彦京.现代交流传动系统调速技术综述[J].微计算机信息，2004，20（11）：74-76.
[4] 张兴国，党幼云.基于DSP的永磁同步电动机交流伺服控制系统的设计[D].西安：西安工程大学学报，2009，23.
[5] 于乐华，刘玫.基于粒子群算法的参数自整定伺服控制器的设计[J] .机电一体化20l2，12：10.