【正文】 目前 基于 PC 的運動控制器 存在 的不足 雖然國外的 運動控制器 產(chǎn)品在性能方面具有許多優(yōu)勢，但它們也具有很多不足之處。對于 OEM（原始設(shè)備制造商）， Delta Tau Data System 公司提供 PMAC 軟件庫的C++源代碼許可證，允許整個系統(tǒng)全部用戶化。 美國 Delta Tau Data System 公司推出的 PMAC 系列伺服控制器比較有代表性。 3． 基于 PC 總線的以 DSP 和 CPLD/FPGA 作為核心處理器的開放式運動控制器 。其位置、速度等控制由事先編好固化在存儲器中的程序?qū)崿F(xiàn)。工業(yè)控制機，特別是采用 PC 技術(shù)的工業(yè) PC 機 的大量涌現(xiàn)，大大的推動和促進了開放式運動控制系統(tǒng)的發(fā)展。 4． 可互補性 。自 1996 年開始 ， 美國幾個大的科研 機構(gòu)對 NGC 計劃分別發(fā)表了相應的研究內(nèi)容 [2]， 如美國國際標準研究院提出了 EMC（ 增強型機床控制器 ） ；由美國通用、福特和克萊斯勒三大汽車公司提出和研制了 OMAC（ 開放式模塊化體系結(jié)構(gòu)控制器 ）， 其目的是用更開放、更加模塊化的控制結(jié)構(gòu)使制造系統(tǒng)更加具有柔性、更加敏捷，該計劃啟動后不久便公布了一個名為 OMAC APT 的規(guī)范，并促成了一系列相關(guān)研究項目的運行。然而 ， FANUC、 SIMENS 等 常規(guī) CNC 系統(tǒng)為專用結(jié)構(gòu) CNC， 其組成的硬件模塊和軟件結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)是專用的 、 互不兼容的系統(tǒng) ， 各模塊間的交互方式 、 通信機制也各不相同 ， 這就造成了不同廠家控制系統(tǒng)的相對獨立 ， 彼此封閉 。 關(guān)鍵詞 開放式運動控制器； USB 協(xié)議 ； PCI 總線； NURBS 插補 ； DSP 基于 PCI 和 USB 總線的開放式運動控制器開發(fā) II Development of OpenType Motion Controller Based on PCI and USB Bus Abstract The opentype numerical control system has bee the development trend of NC technology nowadays, and the present NC systems are mainly based on PCs (personal puters) with various motion controllers. The application of motion controllers has extended out of the machineprocessing field。 運動控制器的應用已走出機械加工行業(yè)，越來越多地應用于其它工業(yè)自動化設(shè)備控制，如機器人控制、電子機械、木工機械、紡織機械、印刷機械等諸多行業(yè)。 DSP 除了完成與上位機的通訊， 內(nèi)部 還 嵌入了許多 控制 算法，包括 基于前饋補償?shù)?PID 控制算法 、 參數(shù)曲線的自適應 時間分割插補 算法、 直線 /圓弧 /NURBS 插補算法等 。 PCI bus。 開放式數(shù)控系統(tǒng)已成為當今數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向 [1]， 研究 開發(fā) 開放式數(shù)控系統(tǒng)的主要目的是解決變化頻繁的需求與封閉控制系統(tǒng)之間的矛盾 ， 從而建立一個統(tǒng)一 的可重構(gòu)的系統(tǒng)平臺 ， 增強數(shù)控系統(tǒng)的柔性 。 系統(tǒng)的功能軟件與設(shè)備無關(guān)即應用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式 ， 交互模型控制機理 ， 使構(gòu)成系統(tǒng)的各功能模塊可來源于不同的開發(fā)商 ， 并且通過一致的設(shè)備接口 ， 使各功能模塊能運行于不同供應商提供的硬件平臺之上 。數(shù)控技 術(shù)的發(fā)展趨勢就是采用運動控制器的開放式的數(shù)控系統(tǒng)。 2． 硬件方面 ， 利用 PC 通用平臺，可以建立開放式的模塊化結(jié)構(gòu)的伺服運動控制系統(tǒng)，同時伺服控制器的模塊化 為 直接利用計算機做伺服控制算法的研究和實時監(jiān)控提供了方便，也為多軸聯(lián)動參數(shù)匹配設(shè)計提供了方便，在高性能的硬件支持下，為進一步研制開發(fā)更高性能的智能型伺服模板打 下基礎(chǔ)，也為運動控制系統(tǒng)的級聯(lián)運行及并入網(wǎng)絡構(gòu)成 FMC、 FMS 與 CIMS 創(chuàng)造了條件。但由于數(shù)據(jù)傳輸速度、運算速度的限制，復雜的控制算法和功能很難實現(xiàn)。 能同時控制多軸，有的還包含了運動軌跡插補算法及包含有前饋補償功能的 PID 算法，這為多軸的伺服電機的控制帶來極大的方便。 PMAC 控制 器 配有較強的命令、函數(shù)庫，用戶可用制造商提供的編程語言（類似 QBASIC）調(diào)用這些命令和函數(shù)，編程較為方便。 固高公司 的運動控制器 以 ADSP2181 數(shù)字信號處理器 為核心 ，可以通過ISA、 PCI 和 PC104 總線與 PC 機通訊 。 國內(nèi)的固高運動控制器在一定程度上解決了 PMAC 存在的不足，例如其四軸控制器 GTSV400ISA 及配套接口板的價格較低，一共 9 000 元左右，能提供良的技術(shù)支持和售后服務，但是仍存在著一些不足，技術(shù)方面有待于進一步完善，例如： 基于 PCI 和 USB 總線的開放式運動控制器開發(fā) 7 1． 尚未提供基于 USB 總線的運動控制器產(chǎn)品； 2． 在梯形曲線模式下，如果頻繁改變電機的運行速度，在運動完成時電機會劇烈震動； 3． 在速度控制模式下，控制器位置計數(shù)器采用 32 位計數(shù)，計滿數(shù)后沒有進行相應處理，電機將不受控制，無法滿足單方向長期運行的需要； 4． 固高運動控制器在動態(tài) 連接庫函數(shù)中缺乏相應的軟件濾波處理，有時會出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸出錯的問題。 文獻 [9]介紹了基于 USB 協(xié)議的運動控制器開發(fā)。這項課題的研究成功，具有重要的意義，對推進國家的科技進步，高新技術(shù)產(chǎn)品的商業(yè)化、國際化有著重大的直接的經(jīng)濟效益和社會效益。直線控制又稱為平行控制，這類運動除了控制點到點的準確位置之外，還要保證兩點之間移動的軌跡是一條直線，而且對移動的速度也要進行控制。早期的交流伺服系統(tǒng)是一個典型的速度閉環(huán)系統(tǒng)，伺服驅(qū)動器從主控制系統(tǒng)接收電壓變化范圍為 maxU? ～maxU 的速度指令信號。 位置控制 模式 （ Pr02=0） 當伺服系統(tǒng)處于位置控制時，控制系統(tǒng)給伺服驅(qū)動器的信號是脈沖和方向信號。若通過 SIGN SIGN2 進入驅(qū)動器，則電機按 CCW 方向旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動器可由內(nèi)部參數(shù) Pr52 對外部速度指令進行零漂調(diào)整。速度環(huán) 和 電流環(huán) 分別在速度控制模式基于 PCI 和 USB 總線的開放式運動控制器開發(fā) 12 和 轉(zhuǎn)矩控制模式 下發(fā)揮作用， 因此在 運動 控制器采用的速度控制模式中， 主要由速度環(huán)和位置環(huán)構(gòu)成雙閉環(huán) 。引入前饋后，跟隨誤差從開始的 63圖 22 PID 調(diào)節(jié)原理框圖 Functional block diagram for PID modulation 基于 PCI 和 USB 總線的開放式運動控制器開發(fā) 13 個脈沖迅速上升到 109 個脈沖，然后逐漸下降，在大約 秒后穩(wěn)定在 177。 每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個 C 相 （ Index） 脈沖，用來產(chǎn)生機床的基準點 。它基于粗、精二次插補的原理實現(xiàn)軌跡控制，其中粗插補由 上位機 系統(tǒng)的 用戶 軟件完成 ， 精插補由 運動控制器 實現(xiàn)。 將軌跡空間的進給步長 iL? 映 射到參數(shù)空間 ， 求出相應的參基于 PCI 和 USB 總線的開放式運動控制器開發(fā) 15 數(shù)增量 iu? 及參數(shù)坐標 iii uuu ????1 ； 2． 軌跡計算 。此外 ,針對插補的進給速度偏差主要來源于以弧長速度代替弦長速度 ， 為了獲得更好的速度穩(wěn)定性 ， 應直接以弦長速度為控制目標。 設(shè)圓弧的參數(shù)表達式為： ),0(s inc o s00 為常數(shù)????? ????? ?? ?? Ryy Rxx （ 214） 則 參數(shù) 插補步長為： R Ttf i )(??? （ 215） 而 對于一般的參數(shù)曲線。 211 ??? ??? iiii uuuu （ 28） 2． 將預估參數(shù) 1??iu 代入曲線方程求 得 預估插補點，并根據(jù)公式 （ 29） 計算預估插補步長： 212121111 )?()?()?()]?(),?(),?([ iiiiiiiiiii zzyyxxPuzuyuxPL ????????? ??????? （ 29） 3． 設(shè)允許輪廓誤差為 h? ，參數(shù)預估插補弓高誤差為 h?? ，計算滿足誤差控制條件的 最大 插補步長 [11]： 基于 PCI 和 USB 總線的開放式運動控制器開發(fā) 16 ii / ?? ????? LL hh ?? 。 在參數(shù)空間 ， 曲線軌跡參數(shù) u 的插補計算可由二階泰勒級數(shù)表示，即 )(0)2/T( 221 TuuTuu iiii ????? ??? （ 26） 其中 iu? 和 iu? 分別為參數(shù) u 對時間 t 的一階和二階導數(shù) ， 可推導 得出 [10]： )(2 )( 22222221 iiiiiiiiiiiiiiii zyx zzyyxxLzyx Luu ??? ???????????? ?? ?????????? （ 27） 式中， ix? 和 ix? 分別為 坐標 x 對參數(shù) u 的一階和二階導數(shù) ， iy? 、 iy? 、 iz? 和 iz?的意義與之類似。若插補 周期 為T ， 指令進給速度為 )(itf ， 則 TtfL ii )(?? 。 A 相和 B 相信號 則 由兩組近似正弦波、相差為 90 176。 速度和加速度前饋的引入大大減小了系統(tǒng)的跟隨誤差。 控制作用的強弱 取決于比 例增益 ， 它 相當于系統(tǒng)的剛度， 比例增益 越大，調(diào)節(jié)速度越快， 但會增加系統(tǒng)的超調(diào)。 轉(zhuǎn)矩控制模式（ Pr02=2） 通過外加－ 10V～＋ 10V 的電壓，即可控制電機的轉(zhuǎn)矩 ， 與 速度控制相似。 3． 脈沖 +方向指令 脈沖信號從 PULS PULS2 進入驅(qū)動器，脈沖頻率控制電機轉(zhuǎn)速 ， 脈沖數(shù)控制電機的角位移。其接口電路如圖 21 所示。但是，這種交流伺服系統(tǒng)只能實現(xiàn)對速度的閉環(huán)控制，還不能直接實現(xiàn)對位置的閉環(huán)控制。現(xiàn)代數(shù)控機床及機器人絕大多數(shù)具有兩個坐標或兩個坐標以上聯(lián)動的功能，如 6 軸（或自由度、維）控制的機械手，其運動可以給定在空間的任意方向。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 控制原理等。 PC 機的 CPU 利用其豐富的軟、硬件資源，可以專注于人機界面、輸入輸出、預處理，發(fā)送指令，故障診斷等功能；插補、補償處理、速度控制、位置控制則由掛接在 PCI 或 USB 總線上的運動控制系統(tǒng)中的微處理器來實現(xiàn)，而無需占用 PC 機的資源。這種運動控制器的優(yōu)點是：硬件組成簡單，把運動控制器連接到 PC 總線，連接信號線就可組成系統(tǒng)；可以使用 PC 機已經(jīng)具有的豐富軟件進行開發(fā)，運動控制軟件的代碼通用性和可移植性較好；可以進行開發(fā)工作的工程人員較多，不需要太多培訓工作。其主要特點為：可編程伺服采樣周期，最小插補周期為 200 微秒，單軸點位運動最小控制周期為 25 微秒；支持單軸點位運動、直線插補、圓弧插補、速度控制、電子齒輪等運動方式；可編程梯形曲線規(guī)劃和 S 曲線規(guī)劃，在線刷新運動控制參數(shù)；所有計算參數(shù)和軌跡規(guī)劃參數(shù)均為 32 位，具有連續(xù)插補功能；提供 4K 底層循環(huán)程序緩沖區(qū)存儲用戶運動信息；支持外部輸入中斷、事件中斷（包括位置信息、特殊運動事件等）以及時間中斷；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、偏差補償和低通濾波器 ；硬件捕獲原點開關(guān)和編碼器 Index 信號，實現(xiàn)高精度機器原點位置鎖存 [7]。 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)庫連接）、 OLE（目標連接和嵌入）、 DDE（動態(tài)數(shù)據(jù)交換）等運行專門設(shè)計的第三方軟件程序。 這些 運 動控制 器 的 特點是： 1． 均 以 PC 機 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 平臺下工作，可使用 VB、 VC++、 Delphi 等高級語言進行編程 控制 ； 3． 通過采用特殊的中斷方式，一般都具有很好的實時性，并具有Windows 系統(tǒng)的多任務性； 4． 均為多軸聯(lián)動系統(tǒng)，具有直線和圓弧插補功能； 5． 均可進行位置及速度控制，在啟動和停止階段具有加速度控制，使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)響應特征； 6． 可對交、直流伺服電機及液壓伺服馬達進行控制。另外 ,由于硬件 資源的限制，這類控制器的圓弧插補算法通常都采用逐點比較法，插補的精度也不高，特別是對于 如模具雕刻這樣的 需要 大量的小線段連續(xù)運動的場合，不能使用這類控制器。 以 803 8088 等通用微處理器為核心器件， 外加存儲器、編碼器信號處理電路及 D/A 轉(zhuǎn)換電路等組成控制系統(tǒng)。 計算機技術(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。 CNC 系統(tǒng)的功能 和 規(guī)?？梢造`活設(shè)置 、 方便修改 ， 既可增加硬件或軟件構(gòu)成功能更強的系統(tǒng) ， 也可以裁減其功能以適應低端應用 。 開放式運動控制系統(tǒng)的研究始于 1987 年 ， 美國空 軍 在 美國政府資助下發(fā)表了著名的 NGC（ 下一代控