1、5 基于PC运动控制板卡的交流伺服运动控制系统,5.1 开放式运动控制系统5.2 PMAC运动控制器5.3 PCI运动控制卡设计,基于PC的伺服运动控制系统是一种开放式结构的系统，可以充分利用PC机的资源和第三方软件资源完成用户应用程序的开发，将生成的应用程序指令通过PC并行总线传送给运动控制器，运动控制器根据来自PC机的应用程序命令，按照设定的运动模式，向驱动器发出运动指令，完成相应的实时运动规划。,5.1 开放式运动控制系统,5.1.1 开放式数控系统,一般数控系统由3部分组成：1，MMC：人机接口2，CNC：运动控制部分，包括伺服部分，但一般主轴在PLC部分。3，PLC：机床的顺控部分,
2、人机接口,NC控制器,伺服驱动器,数控机床,传感器,机床强电,MMC,CNC,PLC,5.1 开放式运动控制系统,1、传统数控系统,数控系统软件功能模块,数控装置,控制模块,管理模块,电机运动控制,位置运动控制,插补计算,刀补计算,速度处理,G功能处理,监控处理,中断处理,PLC处理,误差补偿,数控软件功能模块,电机运动控制,插补计算,刀补计算,监控处理,中断处理,匀速控制,加/减速控制,直线、圆弧插补,螺旋线、空间插补,刀具半径补偿,刀具长度补偿,键盘处理,显示处理,报警处理,急停处理,部分控制模块功能,随着数控技术的发展，数控系统变得越来越复杂，暴露出许多自身固有的缺陷。最大的问题是，这些
3、数控系统都是专门设计的，它们具有不同的编程语言、非标准的人机接口、多种实时操作系统、非标准的硬件接口等，这些缺陷造成了数控系统使用和维护的不便，也限制了数控技术的进一步发展。为了解决这些问题，人们提出了“开放式数控系统”的概念。这个概念最早见于1987年美国的NGC(Next Generation Controller)计划，NGC控制技术通过实现基于相互操作和分级式的软件模块的“开放式系统体系结构标准规范（SOSAS）”找到解决问题的办法。一个开放式的系统体系结构能够使供应商为实现专门的最佳方案去定制控制系统。,2、开放式数控系统,（1）开放式数控系统的定义,IEEE关于开放式系统的定义：一
4、个开放式数控系统应能够在多平台上运行，能够与其他系统进行操作，并能够给用户提供一致的交互界面；系统互换性；可伸缩性；可移植性；互操作性；可扩展性；不依赖于硬件、模块化；,（2）开放式数控系统的结构形式：,PC连接型NC即将现有原型CNC与PC用通用串行线直接相连的一种组成形式:DNC PC嵌入型NC即在传统的专用数控机床中嵌入PC技术，PC与CNC之间用专用总线连接。系统。运动控制器+PC型即在通用PC的扩展槽中插入运动控制卡，完全采用以PC为硬件平台的数控系统。PMAC运动控制器 全软件型NC即完全采用PC的全软件形式的数控系统。NC的全部功能处理全由PC进行，并通过装在PC扩展槽中的接口卡
5、等进行控制。STEP-NC,（3）PC嵌入型NC,即在传统的专用数控机床中嵌入PC技术，PC与CNC之间用专用总线连接。其优点是原型CNC几乎可以不加改动的使用，且数据传送速度快、系统响应快。其目的是增加数控系统的计算机功能，实现联网和大规模数据处理。如FANUC公司的150/160/180/210系统、Siemens840D系统、Num1060系统、AB9/360等数控系统。,（4）软件数控,它的CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。目前由于存在着操作系统的实时性标准统一性及系统稳定性等问题，这种系统目前正处于探求阶段，还没有大规模投入到
6、实际的应用中。目前全软件型NC的典型产品有美国MDSI公司的Open CNC、德国Power Automation公司的PA8000 NT等。,常用的运动控制器主要包括PLC、PC-Based运动控制卡、专用系统和驱动器集成运动控制。运动控制卡是一种PC-Based的运动控制器，主要厂商包括Delta TAU(PMAC)、GALIL(DMC)、Bardor、Trio（英国翠欧）、NI、Advantech、Adlink、Googol（固高）、雷赛、众为兴、成都步进、摩信等。PMAC在高端市场表现最好，GALIL也表现不错。从数量上讲，国内的厂商的出货量更多，但是主要针对低端市场。,（5）基于运动
7、控制卡的开放式数控系统,计算机,运动控制器基本模块,I/O模块,PCI总线,数控系统（运动控制器）,伺服驱动器,开关量I/O,其它I/O,伺服辅助控制信号,运动控制指令,位置反馈,伺服电机,主轴驱动器,5.1.2基于运动控制器的数控系统（功能概图）,5.1.2基于运动控制器的数控系统（PCI总线）,数控装置,控制模块,管理模块,电机运动控制,位置运动控制,插补计算,刀补计算,速度处理,G功能处理,监控处理,中断处理,PLC处理,误差补偿,5.1.2基于运动控制器的数控系统（软件系统）,PMAC-Programmable Multi-Axis Controller是可编程多轴运动控制器，也称运动
8、控制计算机.它主要由MOTOROLA DSP CPU与DELTA TAU公司开发和特制的用户门列IC组成.主要功能:控制伺服轴 PLC 数据采集,5.2PMAC运动控制器,1、PMAC运动控制器结构,基于PC（它本身也是一台计算机）可控制各类电机步进，交/直流服，线性电机，液压伺服.可接受各类反馈增量绝对码盘，光栅尺，激光干涉仪，电位计，磁致伸缩传感器，旋转变压器等.多总线结构PC，VME，STP，PCI，104，MACRO.一卡可同时控制8个轴，可扩展到128个轴连动.后台PLC可扩展到1024点.可独立运行RS-232，422由主机通过接口或总线发送指令在板DPRAM选项在板A/D转换选项
9、32位在板I/OPWM,DAC 输出模式,2、PMAC的开放式结构,3、PMAC系列运动控制器,20MHz Motorola DSP 56001系列数据信号处理器8路（数模转换）16位DAC输出16个码盘通道输入16个通用I/OI/O扩展端口越程极限，回原点，伺服放大器报警，使能标志信号接口LCD和VFD显示端口Bus and/or RS-422通信脱机运行G-Code 编程（可自定义）,PMAC 1 的标准配置,线性，圆弧，三次轨迹计算，样条插补256个运动程序存储能力64个异步PLC程序存运行超大程序的实时下载执行功能64位位置计数范围位置环，速度环，电流环三环矢量控制能力曲线加减速控制自
10、定义伺服算法能力电子齿轮先进的PID及扩展伺服算法,一、执行运动程序1.PMAC 在某一时间执行一个运动,并执行有关运动的所有计算2.PMAC 总是在实际运动之前,正确地调和即将执行的运动二、执行PLC程序1.以处理器允许的时间尽可能快的扫描PLC程序2.PLC适用于某些异步于运动程序的运动过程三、伺服环更新1.对于每一个电机，PMAC都以一个固定频率（2KH左右）自动对其进行伺服更新2.伺服环根据运动的设计者编写程序公式，从当前的实际位置和指令位置增加指令的数值 四、换相更新1.PMAC 以9KHZ的频率自动进行换向计算和控制；2.PMAC 测量并估算 转子的磁场定向，然后处理电机的相之间的
11、指令,1）PMAC 的功能,五、资源管理1.常规管理定期自动执行资源管理功能，以确认谁正常2.报警跟随误差限制、硬件超程限制、软件超程限制、放大器报警3.看门狗的更新在每个PLC扫描之间,PMAC 执行上述任务保证自身的正常更新，如果这些功能不能在最小的频率内检测，卡上的看门狗将报警六、与主机通信1.随时与上位机实时通讯，甚至在一个运动序列中间；2.将命令放入一个程序缓冲区以便以后执行；3.如果命令非法则将向上位机主机报错。七、任务优先级1.任务是按照优先级电路组织起来，使应用程序以最优化、高效、安全的运行2.优先级是固定的，但是他们的频率时可以由用户控制的,1）PMAC 的功能,1.机床-磨
12、床/车床/铣床/电加工/攻丝2.检验-半导体/机械3.喷涂-混合涂料和喷涂4.焊接-机械/半导体5.印刷-快速印刷6.张力控制-织物处理7.食品加工-混合/分切/处理,8.包装-塑料/食品9.材料处理-半导体贴片加工10.车辆控制-汽车/电车/叉车摄像控制-远距离控制机器人-3到 6轴抓举和搬运通用自动化-输运带/同步控制,2）PMAC 的应用领域,3）PMAC 的典型开放式应用,硬件,软件设置及定义,系统编程,4）PMAC 的应用系统建立,5）PMAC 的指令,初始化和变量设置 提前定义其含义 有的影响卡的全局 有的是电机的定义 有的是坐标系的定义 有的是编码器的定义,1.I-变量(1024
13、),6）受控制电机的运动方式,Ix20 加速时间(Jog,Home)Ix21 S-曲线加速时间(Jog,Home),Ix20 加速时间(Jog,Home)Ix21 S-曲线加速时间(Jog,Home),6）受控制电机的运动方式,Ix20 加速时间(Jog,Home)Ix21 S-曲线加速时间(Jog,Home),6）受控制电机的运动方式,7）通过设置 I变量可以控制以下典型 P.I.D 伺服环,Following Error跟随误差,Commanded Position指令位置,ActualPosition实际位置,=,-,P(proportional gain比例增益)Ix30 Spring
14、刚性，刚度I(integral gain积分增益)Ix33D(derivative gain微分增益)Ix31 Shock Absorber 减震，吸收,8）重要P变量及其功能,P变量是用户全局变量，可用于PMAC编程中的计算,48位浮点形式 1024 P变量从 P0 to P1023,可用于:1.计算P100=P101*(sin(45)2.软件触发 IF(M1!=1 AND P10=0),利用P变量及DSP进行大量运算,OPEN PROG 1 CLEARWHILE(1=1)IF(P10)P2=SIN(P1)+COS(P1)p3=2 IF(P13)P2=SIN(P1)+COS(P1)P3=2
15、w w IF(P199)P2=SIN(P1)+COS(P1)p3=99 ENDIF w w ENDIF ENDIF X2000 P1=P1+1ENDWHILECLOSE,8）用户定义坐标系,允许定义的轴:X,Y,Z,U,V,W,A,B,CX,Y,Z:传统上的主要直线轴U,V,W:传统上的第二直线轴A,B,C:传统的旋转轴(A 围绕 X,B 围绕 Y,C 围绕 Z)位置翻转(Ix27),将电机和坐标轴绑定#1-X#2-Y#3-Z,笛卡尔坐标轴可以是直线轴电机的组合:#1-A11X+A12Y+A13Z+B1#2-A21X+A22Y+A23Z+B2#3-A31X+A32Y+A33Z+B3这样允许坐标
16、系旋转和平移，可推广到更多轴的方式,9）编写PMAC运动程序,运动指令X1000 Y2000 Z3000U(P1*3.14159)V(20*SIN(Q6)DWELL,DELAY模态指令ABS,INC,FRAX,NORMALLINEAR,RAPID,CIRCLEn,SPLINEn,PVTTA,TS,TM,F变量赋值variable=expression逻辑控制表达式N,O,GOTO,GOSUB,CALL,RETURNG,M,T,D(special CALL statements)IF,ELSE,ENDIF,WHILE,ENDWHILE辅助表达式 COMMAND,SEND,DISPLAYENABLE PLC,DISABLE PLC,Logic Operators逻辑操作符 less than or equal to)(less than)Functions函数（计算）SIN,COS,TAN,ASIN,ACOS,ATAN,ATAN2,SQRT,LN,EXP,ABS,INT,9）编写PMAC运动程序,PMAC 程序结构,建立一个程序:CLOSE;关闭所有缓存区DEL GAT;清除缓存区数据&n
