運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的上位控制單元

1、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的上位控制單元        摘要：信息時(shí)代的高新技術(shù)流向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，引起后者的深刻變革。作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之一的機(jī)械，在這場(chǎng)新技術(shù)革命沖擊下，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都發(fā)生了質(zhì)的躍變，微技術(shù)、微機(jī)技術(shù)使信息和智能與機(jī)械裝置和動(dòng)力設(shè)備相結(jié)合，促使機(jī)械工業(yè)開(kāi)始了一場(chǎng)大規(guī)模的機(jī)電一體化技術(shù)革命 關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 上位控制單元 方案  信息時(shí)代的高新技術(shù)流向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，引起后者的深刻變革。作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之一的機(jī)械工業(yè)，在這場(chǎng)新技術(shù)革命沖擊下，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都發(fā)生了質(zhì)的躍變，微電子技術(shù)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)使

2、信息和智能與機(jī)械裝置和動(dòng)力設(shè)備相結(jié)合，促使機(jī)械工業(yè)開(kāi)始了一場(chǎng)大規(guī)模的機(jī)電一體化技術(shù)革命。隨著計(jì)算機(jī)電子電力和傳感器技術(shù)的，各先進(jìn)國(guó)家機(jī)電一體化產(chǎn)品層出不窮。機(jī)床、汽車(chē)、儀表、家用電器、輕工機(jī)械、紡織機(jī)械、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、冶金機(jī)械、化工機(jī)械以及工業(yè)機(jī)器人、智能機(jī)器人等許多門(mén)類(lèi)產(chǎn)品每年都有新的進(jìn)展。機(jī)電一體化技術(shù)已越來(lái)越受到各方面的關(guān)注，它在改善人民生活、提高工作效率、節(jié)約能源、降低材料消耗、增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力等方面起著極大的作用。在機(jī)電一體化技術(shù)迅速發(fā)展的同時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)作為其關(guān)鍵組成部分，也得到前所未有的大發(fā)展。在一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中“上位控制”和“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”是系統(tǒng)中舉足輕重的兩個(gè)組成部分?！皥?zhí)行

3、機(jī)構(gòu)”部分一般不外乎：步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)，以及直流電機(jī)等。它們作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)刀具或工件動(dòng)作，我們稱(chēng)之為“四肢”；“上位控制”單元的方案主要有四種：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)，專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)控制PLC，PC+運(yùn)動(dòng)控制卡，專(zhuān)用控制系統(tǒng)?！吧衔豢刂啤笔恰爸笓]”執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的，我們也稱(chēng)之為“大腦”。以下，我們將分述系統(tǒng)中的“大腦”中的各個(gè)部分，并詳盡地論述“PC+運(yùn)動(dòng)控制卡”方案。一、用單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。此系統(tǒng)由單片機(jī)芯片、外圍擴(kuò)展芯片以及通過(guò)搭建外圍電路組成。在“位置控制”方式時(shí)，通過(guò)單片機(jī)的I/O口發(fā)數(shù)字脈沖信號(hào)來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)行走；“速度控制”方式時(shí)，需加D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出模擬量信號(hào)達(dá)到控制。此方案優(yōu)點(diǎn)在于

4、成本較低，但由于一般單片機(jī)I/O口產(chǎn)生脈沖頻率不高，對(duì)于分辨率高的執(zhí)行機(jī)構(gòu)尤其是對(duì)于控制伺服電機(jī)來(lái)說(shuō)，存在速度達(dá)不到，控制精度受限等缺點(diǎn)。對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制復(fù)雜的場(chǎng)合，例如升降速的處理，多軸聯(lián)動(dòng)，直線、圓弧插補(bǔ)等功能實(shí)現(xiàn)起來(lái)都需要自己編寫(xiě)算法，這必將帶來(lái)開(kāi)發(fā)起來(lái)難度較大，研發(fā)周期較長(zhǎng)，調(diào)試過(guò)程煩瑣，系統(tǒng)一旦定型不太容易擴(kuò)充功能、升級(jí)、柔性不強(qiáng)等問(wèn)題。因此這種方案一般適用于產(chǎn)品批量較大、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單、且有豐富的單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的用戶。二、采用專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)控制PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。目前，許多品牌的PLC都可選配定位控制模塊，有些PLC的CPU單元本身就具有運(yùn)動(dòng)控制功能（如松下NAIS的FP0，F(xiàn)P

5、系列），包括脈沖輸出功能，模擬量輸出等等。使用這種PLC來(lái)做運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的上位控制時(shí)，可以同時(shí)利用PLC的I/O口功能，可謂一舉兩得。PLC通常都采用梯形圖編程，對(duì)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單易學(xué)，省時(shí)省力。還有一點(diǎn)不可忽視，就是它可以與HMI（人機(jī)界面）進(jìn)行通訊，在線修改運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如軸號(hào)，速度，位移等。這樣整個(gè)控制系統(tǒng)中從輸入到控制再到顯示，非常便利。一方面將界面友好化，另一方面將控制系統(tǒng)的成本從整體上節(jié)省了。但具有脈沖輸出功能的PLC大多都是晶體管輸出類(lèi)型的，這種輸出類(lèi)型的輸出口驅(qū)動(dòng)電流不大，一般只有0.10.2A。在工業(yè)生產(chǎn)中，作為PLC驅(qū)動(dòng)的負(fù)載來(lái)說(shuō)，很多繼電器開(kāi)關(guān)的容量都要比這大，需要添加中間放

6、大電路或轉(zhuǎn)換模塊。與此同時(shí)，由于PLC的工作方式（循環(huán)掃描）決定了它作為上位控制時(shí)的實(shí)時(shí)性能不是很高，要受PLC每步掃描時(shí)間的限制。而且控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜軌跡的動(dòng)作就不太容易實(shí)現(xiàn)，雖說(shuō)有的PLC已經(jīng)有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)功能，但由于其本身的脈沖輸出頻率也是有限的（一般為10K100K），對(duì)于諸如伺服電機(jī)高速高精度多軸聯(lián)動(dòng)，高速插補(bǔ)等動(dòng)作，它實(shí)現(xiàn)起來(lái)仍然較為困難。這種方案主要適用于運(yùn)動(dòng)過(guò)程比較簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)軌跡固定的設(shè)備，如送料設(shè)備、自動(dòng)焊機(jī)等。三、采用專(zhuān)用數(shù)控系統(tǒng)作為上位控制。專(zhuān)用的數(shù)控系統(tǒng)一般都是針對(duì)專(zhuān)用設(shè)備或?qū)Ｓ眯袠I(yè)而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的，像專(zhuān)用車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)，銑床數(shù)控系統(tǒng)，切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)等等。它集成

7、了計(jì)算機(jī)的核心部件，輸入、輸出外圍設(shè)備以及為專(zhuān)門(mén)應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的軟件。由于是“專(zhuān)業(yè)對(duì)口”，人們可以盡情發(fā)揮“拿來(lái)主義”。不需要進(jìn)行什么二次開(kāi)發(fā)，對(duì)使用者來(lái)說(shuō)只需通過(guò)熟悉過(guò)程達(dá)到能操作的目的就行。在這方面，國(guó)外知名品牌的產(chǎn)品在我國(guó)制造行業(yè)中早已占領(lǐng)了了領(lǐng)地，如西門(mén)子，法那克，法格，海寶等等。當(dāng)然，之所以它們能大規(guī)模廣泛地被采用和這種專(zhuān)用數(shù)控系統(tǒng)，是因?yàn)槠涔δ茇S富，性能穩(wěn)定可靠。但為之付出的代價(jià)就是高成本。因此，適用于控制要求較高且產(chǎn)品檔次較高的數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)廠家和使用者。1         四、采用PC+運(yùn)動(dòng)控制卡作為上位

8、控制的方案。隨著PC（Personal Computer）的和普及，采用PC+運(yùn)動(dòng)控制卡作為上位控制將是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)主要發(fā)展趨勢(shì)。這種方案可充分利用機(jī)資源，用于運(yùn)動(dòng)過(guò)程、運(yùn)動(dòng)軌跡都比較復(fù)雜，且柔性比較強(qiáng)的機(jī)器和設(shè)備。從用戶使用的角度來(lái)看，基于PC機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制卡主要是功能上的差別：硬件接口（輸入/輸出信號(hào)的種類(lèi)、性能）和軟件接口（運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫(kù)的功能函數(shù)）。按信號(hào)類(lèi)型一般分為：數(shù)字卡和模擬卡。數(shù)字卡一般用于控制步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)，模擬卡用于控制模擬式的伺服電機(jī)；數(shù)字卡可分為步進(jìn)卡和伺服卡，步進(jìn)卡的脈沖輸出頻率一般較低（幾百K左右的頻率），適用于控制步進(jìn)電機(jī)；伺服卡的脈沖輸出頻率較高（可達(dá)幾

9、兆的頻率），能夠滿足對(duì)伺服電機(jī)的控制。目前隨著數(shù)字式伺服電機(jī)的發(fā)展和普及，數(shù)字卡逐漸成為運(yùn)動(dòng)控制卡的主流。從運(yùn)動(dòng)控制卡的主控芯片來(lái)看，一般有三種形式：?jiǎn)纹瑱C(jī)，專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制芯片，DSP。以單片機(jī)為主控芯片的運(yùn)動(dòng)控制卡，成本較低，外圍電路較為復(fù)雜。由于這種方案仍是采用在程序中靠延時(shí)來(lái)控制發(fā)脈沖，脈沖波形的質(zhì)量和頻率都受到限制，一般用這種卡控制步進(jìn)電機(jī)；以專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制芯片為主控芯片的運(yùn)動(dòng)控制卡成本較高，但其運(yùn)動(dòng)控制功能有硬件電路實(shí)現(xiàn)，而且集成度高，所以可靠性、實(shí)時(shí)性都比較好；輸出脈沖頻率可以達(dá)到幾兆赫茲，能夠滿足對(duì)步進(jìn)電機(jī)和數(shù)字式伺服電機(jī)的控制。以DSP（Digital Signal Process

10、or）為主控芯片的運(yùn)動(dòng)控制卡利用了DSP對(duì)數(shù)字信號(hào)的高速處理，能夠?qū)崟r(shí)完成極其復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡，常用于像機(jī)器人等運(yùn)動(dòng)復(fù)雜的自動(dòng)化設(shè)備中。運(yùn)動(dòng)控制卡是基于PC機(jī)各種總線的步進(jìn)電機(jī)或數(shù)字式伺服電機(jī)的上位控制單元，總線形式也是多種多樣，通常使用的是基于ISA總線，PCI總線的。而且由于計(jì)算機(jī)主板的更新?lián)Q代，ISA插槽都越來(lái)越少了，PCI總線的運(yùn)動(dòng)控制卡應(yīng)該是目前的主流?？ㄉ蠈?zhuān)用CPU與PC機(jī)CPU構(gòu)成主從式雙CPU控制模式：PC機(jī)CPU可以專(zhuān)注于人機(jī)界面、實(shí)時(shí)監(jiān)控和發(fā)送指令等系統(tǒng)管理工作；卡上專(zhuān)用CPU來(lái)處理所有運(yùn)動(dòng)控制的細(xì)節(jié)：升降速計(jì)算、行程控制、多軸插補(bǔ)等，無(wú)需占用PC機(jī)資源。同時(shí)隨卡還提供功能強(qiáng)

11、大的運(yùn)動(dòng)控制軟件庫(kù)：語(yǔ)言運(yùn)動(dòng)庫(kù)、Windows DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)等，讓用戶更快、更有效地解決復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題。運(yùn)動(dòng)控制卡的功能圖如下：（以MPC02為例）<-運(yùn)動(dòng)控制卡的功能圖->控制卡接受主CPU的指令，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，包括脈沖和方向信號(hào)的輸出、自動(dòng)升降速處理、原點(diǎn)和限位開(kāi)關(guān)等信號(hào)的檢測(cè)等。每塊運(yùn)動(dòng)控制卡可控制多軸步進(jìn)電機(jī)或數(shù)字式伺服電機(jī)，并支持多卡共用，以實(shí)現(xiàn)更多運(yùn)動(dòng)軸的控制；每個(gè)軸都可以輸出脈沖和方向信號(hào)，并可輸入原點(diǎn)、減速、限位等開(kāi)關(guān)信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)回原點(diǎn)、限位保護(hù)等功能。開(kāi)關(guān)信號(hào)由控制卡自動(dòng)檢測(cè)并作出反應(yīng)。目前的運(yùn)動(dòng)控制卡主要特征有：開(kāi)放式結(jié)構(gòu)、使用簡(jiǎn)便、功能豐富、可靠性

12、高等。具體的特征體現(xiàn)在硬件和軟件兩個(gè)方面：在硬件方面采用PC機(jī)的ISA總線方式，各種設(shè)置采用簡(jiǎn)單的跳線和撥碼開(kāi)關(guān)；接線方式采用D型插頭；采用PC機(jī)的PCI總線方式，卡上無(wú)需進(jìn)行任何跳線設(shè)置，所有資源自動(dòng)配置，接線方式采用SISC型插頭，可使用屏蔽線纜，并且所有的輸入、輸出信號(hào)均用光電隔離，提高了控制卡的可靠性和抗干擾能力；在軟件方面提供了豐富的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫(kù)，以滿足不同的應(yīng)用要求。用戶只需根據(jù)控制系統(tǒng)的要求編制人機(jī)界面，并調(diào)用控制卡運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)中的指令函數(shù)，就可以開(kāi)發(fā)出既滿足要求又成本低廉的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。控制卡的運(yùn)動(dòng)控制功能主要取決于運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)。運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)為單軸及多軸的步進(jìn)或伺服控制提供了許

13、多運(yùn)動(dòng)函數(shù)：?jiǎn)屋S運(yùn)動(dòng)、多軸獨(dú)立運(yùn)動(dòng)、多軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)等等。另外，為了配合運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，還提供了一些輔助函數(shù)：中斷處理、編碼器反饋、間隙補(bǔ)償，運(yùn)動(dòng)中變速等。正是由于運(yùn)動(dòng)控制卡的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，強(qiáng)大而豐富的軟件功能，對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)周期縮短了，開(kāi)發(fā)手段增多了，針對(duì)不同的數(shù)控設(shè)備，其柔性化、模塊化、高性能的優(yōu)勢(shì)得以被充分利用。在目前工業(yè)生產(chǎn)中，它的應(yīng)用范圍十分廣泛，在使用步進(jìn)電機(jī)和數(shù)字式伺服電機(jī)的PC機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，都可以使用運(yùn)動(dòng)控制卡作為核心控制單元，例如：數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人等； 送料裝置、云臺(tái)；X-Y-Z控制臺(tái)； 繪圖機(jī)、雕刻機(jī)、印刷機(jī)械；打標(biāo)機(jī)、繞線機(jī)；醫(yī)療設(shè)備；包裝機(jī)械、紡織機(jī)械。從目前工業(yè)設(shè)備中應(yīng)用來(lái)看，使用專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)控制卡作為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的上位控制越來(lái)越普及，附帶產(chǎn)生的各種數(shù)控系統(tǒng)軟件也越來(lái)越多。隨著像激光雕刻機(jī)，三位坐標(biāo)