【正文】 圓弧 由于 具有 恒定 的曲率半徑 ， 只要根據(jù)工高誤差約束條件算出最大插補(bǔ)速度，保證)(itf 小于該最大速度的情況下 ， 參數(shù)插補(bǔ)步長(zhǎng)只與 )(itf 有關(guān)。上述算法缺乏對(duì)這兩種誤差的必要控制， 并且計(jì)算過程復(fù)雜， 因此采取 基于參數(shù)遞推預(yù)估、誤差控制、參數(shù)校正的插補(bǔ)算法 [11]。在曲率半徑 80?r mm 的外形上用時(shí)間分割原理進(jìn)行插補(bǔ)，以 25 m/min 的高速加工，伺服周期為 1ms，則插補(bǔ)步長(zhǎng)?? jL mm，弓高誤差僅為 。 正交編碼脈沖由 4 倍頻電路產(chǎn)生 4 倍頻脈沖信號(hào)， 再通過 增減計(jì)數(shù)器 對(duì) 4 倍頻脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)， 可以方便得獲取電機(jī)的實(shí)際位置。光電脈沖編碼器分為增量式脈沖編碼器和絕對(duì)式脈沖編碼器。 速度前饋和加速度前饋 可以提高系統(tǒng)的跟蹤性能，減小跟隨誤差。 伺服電機(jī)的 PID 調(diào)節(jié)方案 圖 22 是 運(yùn)動(dòng) 控制器采用的 PID 調(diào)節(jié)原理框圖 ， 虛線框中的速度調(diào)節(jié)器和電流 調(diào)節(jié) 器的功能由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器完成 。電機(jī)轉(zhuǎn)速 n 和指令輸入電壓 V 之間呈線性關(guān)系。 A、 B 兩相脈沖的頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；脈沖數(shù)控制電機(jī)的角位移。不僅可以進(jìn)行位置的閉環(huán)控制，還使得交流伺服電機(jī)可以象步進(jìn)電機(jī)一樣易于控制，上位控制器可以是 運(yùn)動(dòng)控制器、PLC 或者直接是 PC 機(jī)等 。而閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 具有位移測(cè)量和位置比較環(huán)節(jié)，這樣可達(dá)到比開環(huán)系統(tǒng)更高的精度和運(yùn)行速 度。 基于 PCI 和 USB 總線的開放式運(yùn)動(dòng)控制器開發(fā) 9 第 2章 伺服 系統(tǒng) 控制關(guān)鍵技術(shù)研究 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制技術(shù)概述 在軍事自動(dòng)化 (MA)、工 業(yè) 自動(dòng)化 (FA)、辦公自動(dòng)化 (OA)和家庭自動(dòng)化 (HA) 中，大量存在對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確控制的任務(wù) ，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù) 作為自動(dòng)控制的重要分支，在這里大顯身手，正是由于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度、重復(fù)定位精度的精確控制，在各類控制工程中有著 廣泛應(yīng)用前景，因此運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)目前已成為控制科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中一個(gè)很有意義的研究方向。用戶在使用運(yùn)動(dòng)控制器時(shí)，無須與復(fù)雜的硬件接口和電路直接打交道，只需根據(jù)自己的運(yùn)動(dòng)要求，利用 VC++、 VB 或者 Delphi 等高級(jí)語言方便的調(diào)用這些庫函數(shù)，進(jìn)行二 次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)自己預(yù)定的功能，編制良好的接口界面，在Windows 環(huán)境下方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字電機(jī)（包括步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和液壓伺服系統(tǒng)）的位置和速度以及加減速的控制。 其后出現(xiàn)的 PCI 總線 ， 解決了這一瓶頸 。 一個(gè) 四 軸的 PMACLite 運(yùn)動(dòng)控制 器價(jià)格約為 14 500 元， 加上其它一些輔助設(shè)施 可 達(dá)到 20 000 元 左右； 2． 使用不方便。 八五期間 ， 我國(guó)廣大科研工作者也成功開發(fā)了兩種數(shù)控平臺(tái)和華中型、藍(lán)天型、航天型、中華型等 4 種基本系統(tǒng)，這些系統(tǒng)采用模塊化、嵌入式的軟硬件結(jié)構(gòu)，其中以華中型較具代表性，它采用工業(yè) PC 機(jī)上插接口卡的結(jié)構(gòu) ,運(yùn)行基于 PCI 和 USB 總線的開放式運(yùn)動(dòng)控制器開發(fā) 6 在 DOS 平臺(tái)上，具有較好的模塊化、層次化特征，有一定擴(kuò)展性和伸縮性，但從整體來說這些系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)，不是獨(dú)立的開放式運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品。利用 DSP 強(qiáng)大的運(yùn)算功能單卡可實(shí)現(xiàn) l～ 32 軸多軸實(shí)時(shí)伺服控制。這樣將 PC 機(jī)的信息處理能力和開放式的特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)軌跡控制能力有機(jī)地結(jié)合在一起，具有信息處理能力強(qiáng)、開放程度高、運(yùn)動(dòng)軌跡控制準(zhǔn)確、通用性好的特點(diǎn)。 2． 以專用芯 片 （ ASIC） 作為核心處理器的運(yùn)動(dòng)控制器 。 PC 機(jī)技術(shù)引 入運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，可以從兩方面來考慮其 對(duì)于開放式運(yùn)動(dòng)控制 技術(shù) 發(fā)展所帶來的 作用： 1． 軟件方面 ， 利用計(jì)算機(jī)的高效運(yùn)算功能、管理與監(jiān)控能力以及豐富的軟件資源，可以實(shí)現(xiàn)高級(jí)的控制算法、軌跡插補(bǔ)算法以及補(bǔ)償算法，改善運(yùn)動(dòng)控制軟件，提高伺服掃描速度和系統(tǒng)的分辨率，實(shí)現(xiàn)最小的移動(dòng)單位和最大的進(jìn)給速度，便于用微小的程序段連續(xù)以高速度、高精度實(shí)現(xiàn)軌跡形狀復(fù)雜曲線和曲面運(yùn)動(dòng)，使控制單元精細(xì)化 ，利用 其提供的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序接口，可以方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的移植性和互操作性 。 基于 PC 機(jī)的 開放式運(yùn)動(dòng)控制器 目前的開放式數(shù)控系統(tǒng)多以 PC 機(jī)為基礎(chǔ)，配上各種 開放式 運(yùn)動(dòng)控制 器 ，如圖 11 所示 ， 這 是一個(gè)非常典型的開放式數(shù)控系統(tǒng)模型 [3]。 開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具有以下基本特征 ： 1． 可互操作性 。 一方面 ， 各控制系統(tǒng)間互連能力差 ， 影響了系統(tǒng)的相互集成 ，風(fēng)格不一的操作方式以及專用件的大量使用 ， 不但使用戶培訓(xùn)費(fèi)用增加 ， 還給數(shù)控設(shè)備用戶 （ NC 系統(tǒng)的最終用戶 ） 帶來很多不便 ； 另一方面 ， 系統(tǒng)的封閉性使它的擴(kuò)充和修改極為有限 ， 造成數(shù)控設(shè)備制造商 （ NC 系統(tǒng)中間用戶 ） 對(duì)系統(tǒng)供應(yīng)商的依賴 ， 并難以將自己的專門技術(shù) 、 工藝經(jīng)驗(yàn)集成入控制系統(tǒng)并形成自己的產(chǎn)品特點(diǎn) ， 這將不利于提高主機(jī)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力 。 CPLD ponent EMP7128 is used to achieve the functions of two groups of QEP signal processing and address decoding。 今后基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的開放式運(yùn)動(dòng)控制器仍然是市場(chǎng)發(fā)展的主流。 PCI 總線解決了 ISA 總線的響應(yīng)速度較慢 的 瓶頸 ， 近幾年， 基于 USB 總線 的設(shè)備也 因其 優(yōu)點(diǎn) 而得以 迅速發(fā)展。 at the same time, the auxiliary I/O card is also developed to connect the controller and external ponents after photoelectricity isolation and level transformation. 基于 PCI 和 USB 總線的開放式運(yùn)動(dòng)控制器開發(fā) III Besides the municating with PCs, the DSP has also been embedded many control algorithms, including the PID control algorithm with feedforward pensation, the parameter curve autoadapted timedivision interpolation algorithm, the line/circle /NURBS interpolation algorithm, etc. A lot of dynamic link library functions are also provided for the users, and test software is developed with the functions. Experiment and simulation result indicates that the system is designed reasonably, with many advantages such as good realtime performance, little following error and high processing precision. Key words opentype motion controller。 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 。 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 。 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。 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。 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。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。 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)。 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。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。 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。 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。 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。 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)。 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。 2． CW/CCW 脈沖指令 即單脈沖工作方式。 速度指令除了可以由外部模擬電壓來輸入外，還可以在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部用四個(gè)參數(shù)設(shè)置四種內(nèi)部速度。 電流環(huán)用來提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力 。 圖 23 是 用在有前饋和無前饋的情況下用 Matlab 進(jìn)行的圓弧插補(bǔ) 跟隨誤差比較。絕對(duì)式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴 ， 實(shí)際應(yīng)用中，增量式脈沖編碼器應(yīng)用更為廣泛。 同時(shí)， 通過 M/T 測(cè)速法，根據(jù) 在一個(gè)伺服周期 T (s)內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)過的脈沖數(shù) N (pulse)可以 計(jì)算 得到 電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 參數(shù)曲線自適應(yīng) 插補(bǔ) 算法 參數(shù)曲線的插補(bǔ)涉及到兩個(gè)坐標(biāo)空間 ，即 一維的參數(shù)空間和三維的軌跡空間。 其基本思路是在插補(bǔ)中實(shí)時(shí)監(jiān)控插補(bǔ)弓高誤差的大小 ， 當(dāng)誤差 在允許誤差范圍內(nèi)時(shí) ，仍按瞬時(shí)進(jìn)給速度計(jì)算進(jìn)給步長(zhǎng) iL? ， 若誤差超出了允許范圍 ， 則按允許誤差求取約束插補(bǔ)步長(zhǎng) iL? 。在 )(itf 恒定的情況下可以進(jìn)行等參數(shù)插補(bǔ)，參數(shù) 插補(bǔ) 步長(zhǎng)由插補(bǔ) 速度 和工高誤差約束條件確定。 對(duì)于直線 插補(bǔ)，不存在工高誤差， 參數(shù)插補(bǔ)速度完全由 )(itf 決定。 由于插補(bǔ)中以短直線逼近實(shí)際曲線，所以存在工高誤差；另外，插補(bǔ)中采用曲線的 弧 長(zhǎng)速度代替實(shí)際進(jìn)給的弦長(zhǎng)速度，也會(huì)引起進(jìn)給速度的偏差。與傳統(tǒng)的 CAM 離線編程中的逼近方法相比，曲線的實(shí)時(shí)插補(bǔ)不僅編程簡(jiǎn)便而且軌跡插補(bǔ)時(shí)是以插補(bǔ)步長(zhǎng)直接逼近，其步長(zhǎng)只取決于加工速度和系統(tǒng)的插補(bǔ)周期，是原理上的最短直線，因此可以獲得最高的曲線加工精度。 的 正交編碼脈沖 ，相角超前與滯后對(duì)應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)向， 頻率對(duì)應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速， 脈沖數(shù)對(duì)應(yīng)電機(jī)的角位移。數(shù)控系統(tǒng)中 主要 使用體積小、精度高、工作穩(wěn)定可靠的光電脈沖編碼器。微分調(diào)節(jié)的作用是阻止偏差的變化，偏差變化越快，微分調(diào)節(jié)器的輸出也越大 ， 因此微分作用的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。伺服電機(jī)工作在轉(zhuǎn)矩控制模式時(shí)，應(yīng)限制其最大轉(zhuǎn)速，以免驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生過速報(bào)警。 速度控制 模式 （ Pr02=1） 在速度控制模式中，上位控制系統(tǒng)通過SPD、 GND 引腳給伺服驅(qū)動(dòng)器輸入一個(gè)－ 10V～＋ 10V 的模擬電壓，即可控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)從負(fù)向最大轉(zhuǎn)速到正向最大轉(zhuǎn)速之間的速度變化。 的 A、 B 兩相脈沖分別從 PULS PULS2 和PULS1 PULS2 SIGN1 SIGN2 脈沖輸入 方向輸入 驅(qū)動(dòng)器 內(nèi)部 驅(qū)動(dòng)器 內(nèi)部 圖 21 交流伺服系統(tǒng)位置控制接口電路 Step control interface circuity of AC servo system 基于 PCI 和 USB 總線的開放式運(yùn)動(dòng)控制器開發(fā) 11 SIGN SIGN2 送 入伺服驅(qū)動(dòng)器。 為了適應(yīng)數(shù)字化控制的發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)外一些廠家在九十年代初相繼推出了帶位置環(huán)的全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)。 通過步進(jìn)電機(jī)控制的 開環(huán)系統(tǒng) 由于 沒有位置反饋和校正控制，其位移精度取決電機(jī)的步距角及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度等。 5． 開發(fā)上位機(jī) 設(shè)備 驅(qū)動(dòng)程序、 動(dòng)態(tài)鏈接庫函數(shù)和測(cè)試軟件。同時(shí)，這些程序功能強(qiáng)基于 PCI 和 USB 總線的開放式運(yùn)動(dòng)控制器開發(fā) 8 大，可直接實(shí)現(xiàn)大部分運(yùn)動(dòng)控制或數(shù)控系統(tǒng)所需要的功能，具有極強(qiáng)的柔性。 ISA 總線是一種 8 位或 16 位的 非同步數(shù)據(jù)總線