【文章內容簡介】 ................................. 70 動態(tài)鏈接庫的設計 .................................................................................. 71 用 DLL 實現運動控制器的開放式功能 ................................................ 72 測試軟件開發(fā) ................................................................................................. 73 本章小結 ......................................................................................................... 76 結論 ............................................................................................................................ 77 參考文獻 .................................................................................................................... 78 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文 ................................................................................ 81 致謝 ............................................................................................................................ 82 基于 PCI 和 USB 總線的開放式運動控制器開發(fā) 1 第 1章 緒論 開放式運動控制 技術概述 開放 式 數控系統(tǒng) 數控 （ NC） 或計算機數控 （ CNC） 系統(tǒng)作為制造形狀復雜 、 高質量 、 高精度產品所必備的基礎設備 ， 已成為當今先進制造技術的一個重要組成部分 。然而 ， FANUC、 SIMENS 等 常規(guī) CNC 系統(tǒng)為專用結構 CNC， 其組成的硬件模塊和軟件結構絕大多數是專用的 、 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 。 隨著技術的進步 ， 市場競爭的加劇 ， 這種專用體系結構的數控系統(tǒng)越來越暴露出其固有的缺陷 。 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 ， 不但使用戶培訓費用增加 ， 還給數控設備用戶 （ NC 系統(tǒng)的最終用戶 ） 帶來很多不便 ； 另一方面 ， 系統(tǒng)的封閉性使它的擴充和修改極為有限 ， 造成數控設備制造商 （ NC 系統(tǒng)中間用戶 ） 對系統(tǒng)供應商的依賴 ， 并難以將自己的專門技術 、 工藝經驗集成入控制系統(tǒng)并形成自己的產品特點 ， 這將不利于提高主機產品的競爭力 。 此外 ， 專用的硬軟件結構也限制了系統(tǒng)本身的持續(xù)開發(fā) ， 使系統(tǒng)的開發(fā)投資大 、 周期長 、 風險高 、更新?lián)Q代慢 、 不利于數控產品的技術進步 。 總之 ， 數控系統(tǒng)的這一現狀已不能適應當今制造業(yè)市場變化與競爭 ， 也不能滿足現代制造業(yè)向信息化 、 模塊化和敏捷制造模式發(fā)展的需要 。 開放式數控系統(tǒng)已成為當今數控技術的發(fā)展方向 [1]， 研究 開發(fā) 開放式數控系統(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 的可重構的系統(tǒng)平臺 ， 增強數控系統(tǒng)的柔性 。 通俗地講 ， 開放的目的就是使 NC 控制器與當今的 PC 機類似 ， 使整個系統(tǒng)構筑于一個開放的平臺之上 ， 具有模塊化組織結構 ， 允許用戶根據需要進行選配和集成 ， 更改或擴展系統(tǒng)的功能 ， 迅速適應不同的應用需求 ， 而且 ， 組成系統(tǒng)的各功能模塊可以來源于不同的部件供應商并相互兼容 。 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（ 下一代控制器 ） 研究計劃 ， 提出了開放體系結構控制器的基于 PCI 和 USB 總線的開放式運動控制器開發(fā) 2 概念和開放系統(tǒng)體系結構標準規(guī)格 （ OSACA） 。自 1996 年開始 ， 美國幾個大的科研 機構對 NGC 計劃分別發(fā)表了相應的研究內容 [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構控制器 ）， 其目的是用更開放、更加模塊化的控制結構使制造系統(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研究項目的運行。 開放式數控系統(tǒng)能夠在多種平臺上運行 ， 可以和其他系統(tǒng)互操作 ， 并能給用戶提供一種統(tǒng)一風格的交互方式 。 開放式數控系統(tǒng)應具有以下基本特征 ： 1． 可互操作性 。 通過提供 標準化接口 、 通信和交互機制 ， 使不同功能模塊能以標準的應用程序接口運行于系統(tǒng)平臺之上 ， 并獲得平等的相互操作能力 。 2． 可移植性 。 系統(tǒng)的功能軟件與設備無關即應用統(tǒng)一的數據格式 ， 交互模型控制機理 ， 使構成系統(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 。 3． 檔次皆宜性 。 CNC 系統(tǒng)的功能 和 規(guī)模可以靈活設置 、 方便修改 ， 既可增加硬件或軟件構成功能更強的系統(tǒng) ， 也可以裁減其功能以適應低端應用 。 4． 可互補性 。 指構成系統(tǒng)的各硬件模塊 、 功能軟件的選用不受單一供應商的 控制 ， 可根據其功能 、 可靠性及性能要求相互替換 ， 而不影響系統(tǒng)整體的協(xié)調運行。 基于 PC 機的 開放式運動控制器 目前的開放式數控系統(tǒng)多以 PC 機為基礎，配上各種 開放式 運動控制 器 ，如圖 11 所示 ， 這 是一個非常典型的開放式數控系統(tǒng)模型 [3]。 PC 機 運動控制器 驅動器及接口 伺服電機、編碼器 編碼器反饋 圖 11 典型的開放式數控系統(tǒng)模型 Typical model for opentype NC system 基于 PCI 和 USB 總線的開放式運動控制器開發(fā) 3 運動控制器是 通過由 電機驅動的執(zhí)行機構對設備進行運動控制，以實現預定運動軌跡目標的裝置，它是數控系統(tǒng)中的重要部件。由于它具有極大的靈活性 和良好的運動軌跡控制能力，從而使許多工業(yè)生產設備煥發(fā)出勃勃生機 ，它是廣義上的數控裝置。數控技 術的發(fā)展趨勢就是采用運動控制器的開放式的數控系統(tǒng)。隨著自動化技術的進一步發(fā)展，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)。 計算機技術的發(fā)展在工業(yè)控制領域導致了技術面貌的迅速改變。工業(yè)控制機，特別是采用 PC 技術的工業(yè) PC 機 的大量涌現，大大的推動和促進了開放式運動控制系統(tǒng)的發(fā)展。基于工業(yè) PC 的運動控制器可以利用 PC 強大的軟件環(huán)境和技術支持，擺脫專用封閉式控制系統(tǒng)的束縛和不便，樹立運動控制系統(tǒng)的新概念。 PC 機技術引 入運動控制領域，可以從兩方面來考慮其 對于開放式運動控制 技術 發(fā)展所帶來的 作用： 1． 軟件方面 ， 利用計算機的高效運算功能、管理與監(jiān)控能力以及豐富的軟件資源，可以實現高級的控制算法、軌跡插補算法以及補償算法，改善運動控制軟件，提高伺服掃描速度和系統(tǒng)的分辨率，實現最小的移動單位和最大的進給速度，便于用微小的程序段連續(xù)以高速度、高精度實現軌跡形狀復雜曲線和曲面運動，使控制單元精細化 ，利用 其提供的標準應用程序接口，可以方便的實現數控系統(tǒng)的移植性和互操作性 。 尤其是在 需要大量軌跡插補運算的運動控制系統(tǒng)中 ，具有 PC 總線的計 算機系統(tǒng)由于其豐富的軟件資源而得到越來越廣泛的應用。在這類系統(tǒng)中，坐標變換、軌跡規(guī)劃、 粗 插補運算等由 PC 機完成，而多軸伺服電機的 實時 控制由運動控制器實現。 2． 硬件方面 ， 利用 PC 通用平臺，可以建立開放式的模塊化結構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)動參數匹配設計提供了方便，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，也為運動控制系統(tǒng)的級聯(lián)運行及并入網絡構成 FMC、 FMS 與 CIMS 創(chuàng)造了條件。 基于 PCI 和 USB 總線的開放式運動控制器開發(fā) 4 開放式 運動 控制器研究現狀 、 不足及 發(fā)展趨勢 運動控制器 的 分類 目前 ， 運動控制器生產廠商提供的 運動控制器 主要包括如下 3 類 [4]： 1． 基于通用微處理器型 。 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 轉換電路等組成控制系統(tǒng)。其位置、速度等控制由事先編好固化在存儲器中的程序實現。此方案 成本相對較低，但速度較慢 ， 精度不高 ， 采用的元器件較多，可靠性低，體積比較大，而且控制參數不易更改，軟硬件設計工作量大 ， 在一些只需要低速點位運動控制和對軌跡要求不高的輪廓運動控制場合應用。 2． 以專用芯 片 （ ASIC） 作為核心處理器的運動控制器 。 常用的專用電機控制芯片有 LM62 MAX31 HCPL1100 等 ， 用一個芯片即完成速度曲線規(guī)劃、 PID 伺服控制算法、編碼器信號的處理等多種功能。一些需要用戶經常更改的參數如電機位置、速度、加速度、 PID 參數等均在芯片內部的 RAM 區(qū)內，可由 PC 機用指令很方便的修改。但由于數據傳輸速度、運算速度的限制，復雜的控制算法和功能很難實現。 這類控制器對單軸的點位控制場合是基本滿足要求 ， 但對于要求多軸協(xié)調運動和高速軌跡插補控制的設備，這類運動控制器不能滿足要求。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。 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 。 以 PC 機作為信息處理平臺，運動控制器以插卡形式嵌入 PC 機，即PC+運動控制器的模式。這樣將 PC 機的信息處理能力和開放式的特點與運動控制器的運動軌跡控制能力有機地結合在一起，具有信息處理能力強、開放程度高、運動軌跡控制準確、通用性好的特點。這類運動控制器通常都能提供多軸協(xié)調運動 控制與復雜的運動軌跡規(guī)劃、實時的插補運算、誤差補償、伺服濾波算法，能夠實現閉環(huán)控制。由于采用 CPLD/FPGA 技術來進行硬件設計，方便運動控制器供應商根據客戶的特殊工藝要求和技術要求進行個性化的定制，形成獨特的產品。 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。 基于 PCI 和 USB 總線的開放式運動控制器開發(fā) 5 國內外 開放式 運動控制器的研究現狀 在國內外，已有多種商品化的開放式運動控制 器 ，較著名的有 美國的PMAC、 Galil 等運動控制器 ， 國內 最 成熟 的是 深圳 固高 公司的 系列 控制器 。 這些 運 動控制 器 的 特點是： 1． 均 以 PC 機 為基礎， 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。 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。 PMAC 以 Motorola 公司的 DSP56001 為微處理器，主頻 20/30 MHz，60/40 微秒 /軸的伺服更新率， 36 位 （ 64 千兆） 位置 計數 范圍， 16 位 DAC 輸出分辨率， 10/15MHZ 編碼計數率，每秒可處理多達 500 條程序，可以完成直線或圓弧插補， “ S曲線 ” 加速和減速，三次軌跡計算、樣條 曲線 計算。利用 DSP 強大的運算功能單卡可實現 l～ 32 軸多軸實時伺服控制。 PMAC 控制器 本身就相當于一個完整的計算機系統(tǒng)。依靠集成在卡上 ROM 中的程序，它能獨立完成實時 、多任務