【正文】 位移。 2． CW/CCW 脈沖指令 即單脈沖工作方式。其接口電路如圖 21 所示。 交流伺服電機(jī)的控制模式 以日本 Panasonic 公司的 MINAS 系列交流伺服系統(tǒng)為例，介紹這種交流伺服系統(tǒng)的控制原理。但是，這種交流伺服系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的閉環(huán)控制，還不能直接實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的閉環(huán)控制。 通過編碼 器將電機(jī)的位置信號(hào)反饋到控制系統(tǒng)可構(gòu)成半閉環(huán)系統(tǒng)，如果將光柵尺等 測(cè)量 的實(shí)際位置作為反饋即可構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床及機(jī)器人絕大多數(shù)具有兩個(gè)坐標(biāo)或兩個(gè)坐標(biāo)以上聯(lián)動(dòng)的功能，如 6 軸（或自由度、維）控制的機(jī)械手，其運(yùn)動(dòng)可以給定在空間的任意方向。 在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，按機(jī)械運(yùn)動(dòng)的軌跡分類，可分為點(diǎn)位、直線、輪廓控制等。具體 研究 內(nèi)容為： 1． 伺服 系統(tǒng)控制的關(guān)鍵技術(shù)研究，包括 伺服電機(jī)的控制模式及 PID 調(diào)節(jié)方案、 NURBS 曲線及一般參數(shù)曲線的 插補(bǔ) 控制原理等。 課題來源及主要研究?jī)?nèi)容 本研究課題 來源于 哈爾濱市青年科學(xué)研究基金項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào) 為 20xxAFQ XJ0 49。 PC 機(jī)的 CPU 利用其豐富的軟、硬件資源，可以專注于人機(jī)界面、輸入輸出、預(yù)處理，發(fā)送指令，故障診斷等功能；插補(bǔ)、補(bǔ)償處理、速度控制、位置控制則由掛接在 PCI 或 USB 總線上的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的微處理器來實(shí)現(xiàn)，而無需占用 PC 機(jī)的資源。 PCI 總線是一種同步的獨(dú)立于 CPU 的 32 位或 64 位局部總線 ， 最高工作頻率 33MHz， 數(shù)據(jù)傳輸率為 132MB/s， 并且 PCI 總線上的外圍設(shè)備可與 CPU 并行工作 ， 提高了系統(tǒng)的整體性 能。這種運(yùn)動(dòng)控制器的優(yōu)點(diǎn)是：硬件組成簡(jiǎn)單，把運(yùn)動(dòng)控制器連接到 PC 總線，連接信號(hào)線就可組成系統(tǒng)；可以使用 PC 機(jī)已經(jīng)具有的豐富軟件進(jìn)行開發(fā)，運(yùn)動(dòng)控制軟件的代碼通用性和可移植性較好；可以進(jìn)行開發(fā)工作的工程人員較多，不需要太多培訓(xùn)工作。運(yùn)動(dòng)控制器雖然功能強(qiáng)大，但軟硬件復(fù)雜，參數(shù)眾多，學(xué)習(xí)周期特別長(zhǎng)； 3． 售后服務(wù)及技術(shù)支持相對(duì)較差。其主要特點(diǎn)為：可編程伺服采樣周期，最小插補(bǔ)周期為 200 微秒，單軸點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)最小控制周期為 25 微秒；支持單軸點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、速度控制、電子齒輪等運(yùn)動(dòng)方式；可編程梯形曲線規(guī)劃和 S 曲線規(guī)劃，在線刷新運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)；所有計(jì)算參數(shù)和軌跡規(guī)劃參數(shù)均為 32 位，具有連續(xù)插補(bǔ)功能；提供 4K 底層循環(huán)程序緩沖區(qū)存儲(chǔ)用戶運(yùn)動(dòng)信息；支持外部輸入中斷、事件中斷（包括位置信息、特殊運(yùn)動(dòng)事件等）以及時(shí)間中斷；具有 PID（比例 積分 微分）數(shù)字濾波器，帶速度和加速度前饋，帶積分限值、偏差補(bǔ)償和低通濾波器 ；硬件捕獲原點(diǎn)開關(guān)和編碼器 Index 信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高精度機(jī)器原點(diǎn)位置鎖存 [7]。 我國(guó)在 開放式 運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品開發(fā)方面 相對(duì)落后， 1999 年固高科技有限公司在深圳成立，是國(guó)內(nèi)第一家專業(yè)開發(fā)、生產(chǎn)開放式運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品的公司。 PMAC系統(tǒng)的開放性特征允許 CNC 系統(tǒng)通過 ODBC（開放數(shù)據(jù)庫(kù)連接）、 OLE（目標(biāo)連接和嵌入）、 DDE（動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換）等運(yùn)行專門設(shè)計(jì)的第三方軟件程序。 PMAC 控制器 本身就相當(dāng)于一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 這些 運(yùn) 動(dòng)控制 器 的 特點(diǎn)是： 1． 均 以 PC 機(jī) 為基礎(chǔ)， 具有 ISA 總線、 PCI 局部總線通訊功能； 2． 控制器 均 可在 Windows 平臺(tái)下工作，可使用 VB、 VC++、 Delphi 等高級(jí)語言進(jìn)行編程 控制 ； 3． 通過采用特殊的中斷方式，一般都具有很好的實(shí)時(shí)性，并具有Windows 系統(tǒng)的多任務(wù)性； 4． 均為多軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，具有直線和圓弧插補(bǔ)功能； 5． 均可進(jìn)行位置及速度控制，在啟動(dòng)和停止階段具有加速度控制，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征； 6． 可對(duì)交、直流伺服電機(jī)及液壓伺服馬達(dá)進(jìn)行控制。這類運(yùn)動(dòng)控制器通常都能提供多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng) 控制與復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、實(shí)時(shí)的插補(bǔ)運(yùn)算、誤差補(bǔ)償、伺服濾波算法，能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制。另外 ,由于硬件 資源的限制，這類控制器的圓弧插補(bǔ)算法通常都采用逐點(diǎn)比較法，插補(bǔ)的精度也不高，特別是對(duì)于 如模具雕刻這樣的 需要 大量的小線段連續(xù)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，不能使用這類控制器。 常用的專用電機(jī)控制芯片有 LM62 MAX31 HCPL1100 等 ， 用一個(gè)芯片即完成速度曲線規(guī)劃、 PID 伺服控制算法、編碼器信號(hào)的處理等多種功能。 以 803 8088 等通用微處理器為核心器件， 外加存儲(chǔ)器、編碼器信號(hào)處理電路及 D/A 轉(zhuǎn)換電路等組成控制系統(tǒng)。 尤其是在 需要大量軌跡插補(bǔ)運(yùn)算的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中 ，具有 PC 總線的計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)由于其豐富的軟件資源而得到越來越廣泛的應(yīng)用。 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展在工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)е铝思夹g(shù)面貌的迅速改變。 PC 機(jī) 運(yùn)動(dòng)控制器 驅(qū)動(dòng)器及接口 伺服電機(jī)、編碼器 編碼器反饋 圖 11 典型的開放式數(shù)控系統(tǒng)模型 Typical model for opentype NC system 基于 PCI 和 USB 總線的開放式運(yùn)動(dòng)控制器開發(fā) 3 運(yùn)動(dòng)控制器是 通過由 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)設(shè)備進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定運(yùn)動(dòng)軌跡目標(biāo)的裝置，它是數(shù)控系統(tǒng)中的重要部件。 CNC 系統(tǒng)的功能 和 規(guī)模可以靈活設(shè)置 、 方便修改 ， 既可增加硬件或軟件構(gòu)成功能更強(qiáng)的系統(tǒng) ， 也可以裁減其功能以適應(yīng)低端應(yīng)用 。 通過提供 標(biāo)準(zhǔn)化接口 、 通信和交互機(jī)制 ， 使不同功能模塊能以標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口運(yùn)行于系統(tǒng)平臺(tái)之上 ， 并獲得平等的相互操作能力 。 開放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究始于 1987 年 ， 美國(guó)空 軍 在 美國(guó)政府資助下發(fā)表了著名的 NGC（ 下一代控制器 ） 研究計(jì)劃 ， 提出了開放體系結(jié)構(gòu)控制器的基于 PCI 和 USB 總線的開放式運(yùn)動(dòng)控制器開發(fā) 2 概念和開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格 （ OSACA） 。 此外 ， 專用的硬軟件結(jié)構(gòu)也限制了系統(tǒng)本身的持續(xù)開發(fā) ， 使系統(tǒng)的開發(fā)投資大 、 周期長(zhǎng) 、 風(fēng)險(xiǎn)高 、更新?lián)Q代慢 、 不利于數(shù)控產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步 。 DSP 基于 PCI 和 USB 總線的開放式運(yùn)動(dòng)控制器開發(fā) IV 目 錄 摘要 ............................................................................................................................... I Abstract ........................................................................................................................II 第 1 章 緒論 ................................................................................................................ 1 開放式運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)概述 ............................................................................... 1 開放式數(shù)控系統(tǒng) ........................................................................................ 1 基于 PC 機(jī)的開放式運(yùn)動(dòng)控制器 ............................................................. 2 開放式運(yùn)動(dòng)控制器研究現(xiàn)狀、不足及發(fā)展趨勢(shì) ........................................... 4 運(yùn)動(dòng)控制器的分類 .................................................................................... 4 國(guó)內(nèi)外開放式運(yùn)動(dòng)控制器的研究現(xiàn)狀 .................................................... 5 目前基于 PC 的運(yùn)動(dòng)控制器存在的不足 ................................................. 6 基于 PC 的開放式運(yùn)動(dòng)控制器的發(fā)展趨勢(shì) ............................................. 7 課題來源及主要研究?jī)?nèi)容 ............................................................................... 8 第 2 章 伺服系統(tǒng)控制關(guān)鍵技術(shù)研究 ........................................................................ 9 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制技術(shù)概述 ............................................................................... 9 伺服電機(jī)控制原理 ........................................................................................... 9 交流伺服電機(jī)介紹 .................................................................................... 9 交流伺服電機(jī)的控制模式 ...................................................................... 10 伺服電機(jī)的 PID 調(diào)節(jié)方案 ..................................................................... 11 參數(shù)曲線的時(shí)間分割插補(bǔ)算法 ..................................................................... 14 時(shí)間分割插補(bǔ)原理 .................................................................................. 14 參數(shù)曲線自適應(yīng)插補(bǔ)算法 ...................................................................... 14 NURBS 插補(bǔ)原理 ............................................................................................ 17 NURBS 插補(bǔ)介紹 ..................................................................................... 17 三次 NURBS 曲線的數(shù)學(xué)描述 ............................................................... 17 NURBS 曲線插值原理 ............................................................................. 19 本章小結(jié) ......................................................................................................... 21 第 3 章 PCI 和 USB 總線規(guī)范與操作 ..................................................................... 22 PCI 總線 ........................................................................................................... 22 PCI 總線的基本概念 ................................................................................ 22 基于 PCI 和 USB 總線的開放式運(yùn)動(dòng)控制器開發(fā) PCI 總線的特點(diǎn) ........................................................................................ 22 PCI 局部總線信號(hào)定義 ............................................................................ 23 PCI 總線協(xié)議基礎(chǔ) ......................................