一种多轴多通道联动运动控制系统的动态仿真测试方法

摘要

一种多轴多通道联动运动控制系统的动态仿真测试方法，涉及工业自动化领域，本发明实现可自动协助设计人员分析各通道各轴向控制系统的工作状态及相互间协调关系和性能指标，给出复杂运动控制系统全面准确的仿真分析数据和测试结果。本方法由高速计算机系统、电子负载电路、多路实时信号采集电路、高速传输电路、FPGA控制分析电路、串口通讯电路和高速计算机组成仿真测试系统。运动控制信号经过电子负载电路和多路实时信号采集电路进入FPGA控制分析电路形成控制信息后通过高速传输电路发送给高速计算机，高速计算机通过对控制信息的分析得到各运动轴间的工作时序、速度匹配和工作状态。本发明为多轴运动控制系统提供高效准确的测试手段。

说明书

技术领域

本发明涉及工业自动化领域，具体涉及对多轴或多通道运动控制系统的动 态仿真检测技术。

背景技术

运动控制技术已经成为制造业数字化、工业现代化和生产过程自动化产业 的主体，是推动新的工业技术革命的关键技术。对运动控制的仿真检测多采用 数学仿真，物理仿真，半实物仿真等几种方式。数学仿真是以数学方程式相似 为基础的仿真方法，它是用数学式来表示被仿真的对象。在计算机上对系统的 数学模型进行试验的技术，又称计算机仿真。物理仿真即建造与实际动力学准 则相似而缩尺的模型设备，装上真实的运动控制器，在接近真实的条件下进行 运动控制试验。半实物仿真是将控制器(实物)与在计算机上实现的控制对象的仿 真模型(见数学仿真)联接在一起进行试验的技术。在这种试验中，控制器的动态 特性、静态特性和非线性因素等都能真实地反映出来，因此它是一种更接近实 际的仿真试验技术。这种仿真技术可用于修改控制器设计(即在控制器尚未安 装到真实系统中之前，通过半实物仿真来验证控制器的设计性能，若系统性能 指标不满足设计要求，则可调整控制器的参数，或修改控制器的设计)，同时也 广泛用于产品的修改定型、产品改型和出厂检验等方面。本发明即属于一种半 实物仿真。目前，国内运动控制器的半实物仿真主要集中在船舶制造和飞机制 造等领域，如船舶运动控制硬件在环仿真系统及其工作方法，包括船舶运动控 制器、船舶运动仿真系统和远程控制与监测系统。各项发明专利均针对具体某 一型号的产品或特定领域，通用的针对多轴(通道)联动的运动控制仿真还属 首次。

发明内容

本发明提供一种多轴多通道联动运动控制动态仿真测试方法，本发明针对 多轴多通道联动的运动控制进行动态仿真测试，实现可自动协助设计人员分析 各通道各轴向控制系统的工作状态及相互间协调关系和性能指标，给出复杂运 动控制系统全面准确的仿真分析数据和测试结果。

一种多轴多通道联动运动控制系统的动态仿真测试方法，该方法由以下步 骤实现：

步骤一、将多轴多通道联动运动控制系统动态仿真测试系统的电子负载接 口和仿真测试闭环串行通讯电路接口分别与多轴多通道联动运动控制系统的输 出端和信号回馈端连接；

步骤二、多轴多通联动运动控制系统输出运动控制信号经多轴多通道联动 运动控制动态仿真测试系统的电子负载接口传送至电子负载电路，多路实时信 号采集电路对经过电子负载电路的运动控制信号进行采集，获得数字化的运动 控制信号；

步骤三、多路实时信号采集电路将步骤二获得的数字运动控制信号传送至 FPGA控制分析电路，所述FPGA控制分析电路获得多轴多通道联动运动控制系 统的控制信息，并将所述控制信息打包后通过高速传输电路传送至高速计算机；

步骤四、高速计算机对步骤三获得打包的控制信息进行逻辑分析，确定多 轴多通道联动运动控制系统的编码器信息、各个轴间的协调工作时序、速度匹 配和工作状态信息，然后对控制信息进行显示、记录和存储；并实时监测多轴 多通道联动运动控制系统各个通道的工作状态。

本发明的工作原理：本发明所述方法首先完成多轴多通道联动运动控制动 态仿真测试系统的设计，该系统是由高速计算机系统、电子负载电路、多路实 时信号采集电路、高速传输电路、现场可编程门阵列(FPGA)控制分析电路、 串口通讯电路和高速计算机组成的仿真测试系统。运动控制信号经过电子负载 电路和多路实时信号采集电路，进入FPGA控制分析电路形成控制信息，控制 信息主要包括控制信号的脉冲数、幅值、频率和相位等信息；通过高速传输电 路发送给高速计算机，高速计算机通过对控制信息的分析得到各运动轴间的工 作时序、速度匹配和工作状态。

本发明的有益效果：

一、本发明采用动态仿真测试手段，定量地分析多轴多通道、各轴间的协 调工作时序、速度匹配和工作状态等运动控制系统的误差及偏离，为多轴运动 控制系统提供高效准确的测试手段。

二、当多轴多通道联动运动控制系统出现工作异常时，通过本发明所述的 方法，可迅速准确地定位或排除多轴多通道联动运动控制系统中出现的问题， 有效地减少排查故障的时间。

附图说明

图1为本发明所述的多轴多通道联动运动控制系统的动态仿真测试方法中 多轴多通道联动运动控制动态仿真测试系统与多轴多通道联动运动控制系统的 连接关系示意图；

图2为本发明所述的多轴多通道联动运动控制系统的动态仿真测试方法中 多轴多通道联动运动控制动态仿真测试系统的装置结构图；

图3为本发明所述的多轴多通道联动运动控制系统的动态仿真测试方法中 多轴多通道联动运动控制动态仿真测试系统的电路图；

图4为本发明所述的多轴多通道联动运动控制系统的动态仿真测试方法的 软件模块结构图。

图中：1、多轴通道联动运动控制系统，2、多轴多通道联动运动控制动态 仿真测试系统，3、输出端，4、电子负载接口，5、信号回馈端，6、仿真测试 闭环串行通讯电路接口，7、第一控制箱，8、第一开关，9、第一开关电源，10、 第一散热风扇，11、采集板，12、接口板，13、第二控制箱，14、第二开关， 15、第二开关电源，16、第二散热风扇，17、负载板，18、高速计算机，19、 PCI板卡，20、电机负载模拟电路，21、分压电路，22、采集电路，23、FPGA 控制分析电路，24、编码器反馈电路，25、高速传输电路，26、电机驱动信号， 27、数字化驱动信号，28、电机驱动信息，29、编码器反馈信息，30、反馈通 信协议，31、用户，32、控制软件，33、RS422驱动程序，34、电子负载程序， 35、数据板驱动程序，36、PCI板卡传输程序，37、控制分析程序。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图4说明本实施方式，多轴多通道联动运动 控制系统的动态仿真测试方法，该方法由以下步骤实现：

A、将多轴多通道联动运动控制动态仿真测试系统2的电子负载接口4和仿 真测试闭环串行通讯电路接口6分别与多轴多通道联动运动控制系统1的输出 端3和信号回馈端5进行连接；

B、对所述多轴通道联动运动控制系统1和多轴多通道联动运动控制动态仿 真测试系统2加电工作；通过高速计算机18将本次动态仿真测试任务所需的预 值、工作参数和任务限定等信息发送给FPGA控制分析电路23，并对配置电机 负载的参数；多轴多通道联动运动控制系统1输出运动控制信号经多轴多通道 联动运动控制动态仿真测试系统2的电子负载接口4传送至电子负载电路，多 路实时信号采集电路对经过电子负载电路的运动控制信号进行采集，获得数字 化的运动控制信号；

C、在FPGA控制分析电路23的控制下，通过多轴多通道联动运动控制动 态仿真测试系统2中的多路实时信号采集电路，同时对经过电子负载电路的控 制信号进行采集分析，获取多轴多通道联动运动控制系统1的脉冲数、幅值、 频率、相位等控制信息，所述多轴多通道联动运动控制动态仿真测试系统2可 通过对电子负载电路的调整，检测驱动信号的控制能力。

D、FPGA控制分析电路23将获取的控制信息打包，通过高速传输电路25， 经差分信号高速链路传送给高速计算机中的数据通讯卡，经过PCI总线发送到 高速计算机18中。

E、高速计算机18对获取的控制信号进行逻辑分析，确定多轴多通道联动 运动控制系统1各个轴之间的工作时序、速度匹配和工作状态等，并对对所有 信息和数据进行解析、计算、综合分析，并对多轴多通道联动运动控制系统1 的控制信息进行显示、记录和存储。

F、高速计算机18实时显示各轴间运动状态和信息数据；在计算机屏幕上 以三维立体模型图的方式实时绘制出各轴各通道仿真测试过程的立体动画，同 时，实时监测所有通道的工作状态。

若因测试需要，重新配置电子负载电路或重新设定多轴多通道联动运动控 制动态测试参数，转入步骤B通过多轴多通道联动运动控制动态仿真测试系统2 中的高速计算机18以界面交互的方式，重新设置动态仿真测试参数，继续下一 次的仿真测试工作。

本实施方式还包括步骤G、当多轴多通道联动运动控制系统1需要进行闭 环动态仿真测试时，在高速计算机18的控制下，FPGA控制分析电路23将已经 计算出的编码器信息、各轴间的协调工作时序和工作状态等信息打包成反馈数 据包，通过串口电路和仿真测试闭环串行通讯电路接口反馈给多轴多通道联动 运动控制系统1进行闭环仿真监测。

具体实施方式二、结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式为具体实 施方式一的实施例：

本实施所述的多轴多通道联动运动控制动态仿真测试系统2是对某两轴联 动运动控制系统进行了实时的采集和分析，验证了相关的系统模型和实用性； 本实施方式采用的两轴运动控制系统均为驱动步进电机，闭环控制采用RS422 反馈方式。

结合图1说明本实施方式，本实施方式中系统的连接关系为：将多轴多通 道联动运动控制系统1的输出端3和信号回馈端5分别与多轴多通道联动运动 控制动态仿真测试系统2的电子负载接口4和仿真测试闭环串行通讯电路接口6 连接；

结合图2说明本实施方式，多轴多通道联动运动控制动态仿真测试系统主 要由两个控制箱、一台高速计算机18和一块插在PCI插槽内的板卡19组成；

第一控制箱7内设置第一开关8、第一开关电源9、第一散热风扇10、采集 板11和接口板12，所述多路实时信号采集电路、FPGA控制分析电路和串口通 讯电路位于采集板11上，PCI板卡主要包括高速传输电路和通用的PCI驱动电 路。通过第一开关8(内置有熔断器)控制第一开关电源9，为第一散热风扇10 和采集板11供电，第一散热风扇10的出风口正对采集板11，接口板12主要将 电机和编码器的接口转换为采集板11的接口，接口板12与采集板11通过板间 连接器连接在一起，所述接口板12与采集板11在第一控制箱7内垂直放置； 接口板12放置在第一控制箱7的前面板内侧，通过在前面板上打孔，将与电机 和编码器连接的接口暴露在第一控制箱外。

第二控制箱13内设置第二开关14、第二开关电源15、第二散热风扇16和 负载板17，通过第二开关14(内置有熔断器)控制第二开关电源15，第二散热 风扇16的出风口正对负载板17，负载板17主要包括电子负载电路和为降低驱 动信号电压至采集电路22可接收范围的分压电路21。

结合图3，多轴多通道联动运动控制系统1发出电机驱动信号26至电机负 载模拟电路20，经过分压电路21，采集电路22采集分压后的驱动信号形成数 字化驱动信号27，FPGA控制分析电路24对数字化驱动信号27进行分析，根 据当前仿真电机和编码器的类型，选择电机驱动信息28采集模式库中相应的分 析程序，从而确定编码器反馈信息29和电机驱动信息28。FPGA控制分析电路 23将编码器反馈信息29发送至编码器反馈电路24，编码器反馈电路24按照反 馈通讯协议30向多轴多通道联动运动控制系统1反馈数据，同时FPGA控制分 析电路23将电机驱动信息28打包送至高速传输电路25，高速传输电路25通过 LVDS总线发送至PCI板卡19中，所述PCI板卡19将收到的数据组成PCI数 据包上传至高速计算机18进行分析。高速计算机18可通过串行接口配置电子 负载电路的参数。

本实施方式所述的采集电路22完成模拟信号到数字信号的转换，选用 MAX1308芯片。MAX1308为20MHz输入带宽，8通道12位的同步采样、并 行输出的AD转换芯片，输入电压范围为±5V。FPGA控制分析电路23采用 XILINX公司的VIRTEX-4系列的芯片XC4VFX20-10FFG672C，XC4VFX20为 高性能全功能嵌入式平台应用解决方案，XC4VFX20最大可用的IO引脚为320 个；多达4个数字时钟管理器(DCM)块；32个全局时钟网络；区域I/0和区域 时钟；速度比上一代器件提高40％；19224个逻辑单元；8544个SLICE；逻辑 扩展多路复用器和I/O寄存器；可级联的可变移位寄存器或分布式存储器功能； 134Kb最大分布式RAM；1224Kb最大Block RAM，满足实时采集和控制的要 求。存储芯片选用IDT公司的异步FIFO芯片IDT72V06，该芯片存储容量为 16384×9，具有“满”、“半满”和“空”等状态标志，便于控制。高速传输电路25选 用的LVDS驱动器选用TI公司的SN55LVDS31高速差分线驱动器和 SN55LVDS32高速差分线接收器，可以处理最高400Mbps的差分信号，传播延 迟时间1.7～2.1ns，在400MHz传输时，功耗仅为60mW。编码器反馈电路24 选用DS26LV31T发送器和DS26LV32AT接收器作为RS422接口芯片，这两种 芯片兼容TIA/EIA-422通讯标准，且每对可以完成4路RS-422通讯。电子负载 电路的控制器选用ATMEL公司的8位单片机AT89S52可以满足设计需求。 RS422通讯芯片选用DS26LV31T发送器和DS26LV32AT接收器作为RS422接 口芯片，选用MAX813作为看门狗。IO扩展选用4片8D锁存器74LS573。电 机的固定电感较大，在市面上很难买到，选用磁环缠绕导线的方法自制。

结合图4，本发明系统的各个模块上电后，用户31通过运行在高速计算机 上的控制软件32对电子负载电路进行配置，配置命令通过RS422驱动程序33 发送到电子负载配置程序34，负载配置程序34接收命令配置完成后，向服务器 返回配置后的状态；操作控制分析软件，通过数据板驱动程序35和PCI板卡传 输程序36向采集板11中的控制分析程序37注入启动命令和参数，主要包括电 机类型、工作方式(相位数)、通道数，各编码器初始值、速比、编码器运动范 围等信息，并接收采集板11、PCI板卡19上行的数据和状态信息。其中上行的 数据主要包括电机运行信息和编码器反馈信息29；状态信息主要包括PCI板卡 19、采集板11的工作状态和参数信息。控制软件32在接收存储数据的同时在 计算机屏幕上实时绘制出各个轴(通道)立体动画动态工作仿真模型图。