運動控制系統(tǒng)中的上位控制單元

1、運動控制系統(tǒng)中的上位控制單元        摘要：信息時代的高新技術(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)之一的機械，在這場新技術(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)、微機技術(shù)使信息和智能與機械裝置和動力設(shè)備相結(jié)合，促使機械工業(yè)開始了一場大規(guī)模的機電一體化技術(shù)革命 關(guān)鍵詞：運動控制系統(tǒng) 上位控制單元 方案  信息時代的高新技術(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)之一的機械工業(yè)，在這場新技術(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)、微計算機技術(shù)使

2、信息和智能與機械裝置和動力設(shè)備相結(jié)合，促使機械工業(yè)開始了一場大規(guī)模的機電一體化技術(shù)革命。隨著計算機電子電力和傳感器技術(shù)的，各先進國家機電一體化產(chǎn)品層出不窮。機床、汽車、儀表、家用電器、輕工機械、紡織機械、包裝機械、印刷機械、冶金機械、化工機械以及工業(yè)機器人、智能機器人等許多門類產(chǎn)品每年都有新的進展。機電一體化技術(shù)已越來越受到各方面的關(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、增強競爭力等方面起著極大的作用。在機電一體化技術(shù)迅速發(fā)展的同時，運動控制技術(shù)作為其關(guān)鍵組成部分，也得到前所未有的大發(fā)展。在一個運動控制系統(tǒng)中“上位控制”和“執(zhí)行機構(gòu)”是系統(tǒng)中舉足輕重的兩個組成部分。“執(zhí)行

3、機構(gòu)”部分一般不外乎：步進電機，伺服電機，以及直流電機等。它們作為執(zhí)行機構(gòu)，帶動刀具或工件動作，我們稱之為“四肢”；“上位控制”單元的方案主要有四種：單片機系統(tǒng)，專業(yè)運動控制PLC，PC+運動控制卡，專用控制系統(tǒng)。“上位控制”是“指揮”執(zhí)行機構(gòu)動作的，我們也稱之為“大腦”。以下，我們將分述系統(tǒng)中的“大腦”中的各個部分，并詳盡地論述“PC+運動控制卡”方案。一、用單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)運動控制。此系統(tǒng)由單片機芯片、外圍擴展芯片以及通過搭建外圍電路組成。在“位置控制”方式時，通過單片機的I/O口發(fā)數(shù)字脈沖信號來控制執(zhí)行機構(gòu)行走；“速度控制”方式時，需加D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出模擬量信號達到控制。此方案優(yōu)點在于

4、成本較低，但由于一般單片機I/O口產(chǎn)生脈沖頻率不高，對于分辨率高的執(zhí)行機構(gòu)尤其是對于控制伺服電機來說，存在速度達不到，控制精度受限等缺點。對于運動控制復(fù)雜的場合，例如升降速的處理，多軸聯(lián)動，直線、圓弧插補等功能實現(xiàn)起來都需要自己編寫算法，這必將帶來開發(fā)起來難度較大，研發(fā)周期較長，調(diào)試過程煩瑣，系統(tǒng)一旦定型不太容易擴充功能、升級、柔性不強等問題。因此這種方案一般適用于產(chǎn)品批量較大、運動控制系統(tǒng)功能簡單、且有豐富的單片機系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗的用戶。二、采用專業(yè)運動控制PLC來實現(xiàn)運動控制。目前，許多品牌的PLC都可選配定位控制模塊，有些PLC的CPU單元本身就具有運動控制功能（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來做運動控制系統(tǒng)的上位控制時，可以同時利用PLC的I/O口功能，可謂一舉兩得。PLC通常都采用梯形圖編程，對開發(fā)人員來說簡單易學(xué)，省時省力。還有一點不可忽視，就是它可以與HMI（人機界面）進行通訊，在線修改運動參數(shù)，如軸號，速度，位移等。這樣整個控制系統(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型的，這種輸出類型的輸出口驅(qū)動電流不大，一般只有0.10.2A。在工業(yè)生產(chǎn)中，作為PLC驅(qū)動的負載來說，很多繼電器開關(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，由于PLC的工作方式（循環(huán)掃描）決定了它作為上位控制時的實時性能不是很高，要受PLC每步掃描時間的限制。而且控制執(zhí)行機構(gòu)進行復(fù)雜軌跡的動作就不太容易實現(xiàn)，雖說有的PLC已經(jīng)有直線插補、圓弧插補功能，但由于其本身的脈沖輸出頻率也是有限的（一般為10K100K），對于諸如伺服電機高速高精度多軸聯(lián)動，高速插補等動作，它實現(xiàn)起來仍然較為困難。這種方案主要適用于運動過程比較簡單、運動軌跡固定的設(shè)備，如送料設(shè)備、自動焊機等。三、采用專用數(shù)控系統(tǒng)作為上位控制。專用的數(shù)控系統(tǒng)一般都是針對專用設(shè)備或?qū)Ｓ眯袠I(yè)而設(shè)計開發(fā)生產(chǎn)的，像專用車床數(shù)控系統(tǒng)，銑床數(shù)控系統(tǒng)，切割機數(shù)控系統(tǒng)等等。它集成

7、了計算機的核心部件，輸入、輸出外圍設(shè)備以及為專門應(yīng)用而開發(fā)的軟件。由于是“專業(yè)對口”，人們可以盡情發(fā)揮“拿來主義”。不需要進行什么二次開發(fā)，對使用者來說只需通過熟悉過程達到能操作的目的就行。在這方面，國外知名品牌的產(chǎn)品在我國制造行業(yè)中早已占領(lǐng)了了領(lǐng)地，如西門子，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用數(shù)控系統(tǒng)，是因為其功能豐富，性能穩(wěn)定可靠。但為之付出的代價就是高成本。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+運動控制卡作為上位

8、控制的方案。隨著PC（Personal Computer）的和普及，采用PC+運動控制卡作為上位控制將是運動控制系統(tǒng)的一個主要發(fā)展趨勢。這種方案可充分利用機資源，用于運動過程、運動軌跡都比較復(fù)雜，且柔性比較強的機器和設(shè)備。從用戶使用的角度來看，基于PC機的運動控制卡主要是功能上的差別：硬件接口（輸入/輸出信號的種類、性能）和軟件接口（運動控制函數(shù)庫的功能函數(shù)）。按信號類型一般分為：數(shù)字卡和模擬卡。數(shù)字卡一般用于控制步進電機和伺服電機，模擬卡用于控制模擬式的伺服電機；數(shù)字卡可分為步進卡和伺服卡，步進卡的脈沖輸出頻率一般較低（幾百K左右的頻率），適用于控制步進電機；伺服卡的脈沖輸出頻率較高（可達幾

9、兆的頻率），能夠滿足對伺服電機的控制。目前隨著數(shù)字式伺服電機的發(fā)展和普及，數(shù)字卡逐漸成為運動控制卡的主流。從運動控制卡的主控芯片來看，一般有三種形式：單片機，專用運動控制芯片，DSP。以單片機為主控芯片的運動控制卡，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來控制發(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電機；以專用運動控制芯片為主控芯片的運動控制卡成本較高，但其運動控制功能有硬件電路實現(xiàn)，而且集成度高，所以可靠性、實時性都比較好；輸出脈沖頻率可以達到幾兆赫茲，能夠滿足對步進電機和數(shù)字式伺服電機的控制。以DSP（Digital Signal Process

10、or）為主控芯片的運動控制卡利用了DSP對數(shù)字信號的高速處理，能夠?qū)崟r完成極其復(fù)雜的運動軌跡，常用于像機器人等運動復(fù)雜的自動化設(shè)備中。運動控制卡是基于PC機各種總線的步進電機或數(shù)字式伺服電機的上位控制單元，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。而且由于計算機主板的更新?lián)Q代，ISA插槽都越來越少了，PCI總線的運動控制卡應(yīng)該是目前的主流?？ㄉ蠈Ｓ肅PU與PC機CPU構(gòu)成主從式雙CPU控制模式：PC機CPU可以專注于人機界面、實時監(jiān)控和發(fā)送指令等系統(tǒng)管理工作；卡上專用CPU來處理所有運動控制的細節(jié)：升降速計算、行程控制、多軸插補等，無需占用PC機資源。同時隨卡還提供功能強

11、大的運動控制軟件庫：語言運動庫、Windows DLL動態(tài)鏈接庫等，讓用戶更快、更有效地解決復(fù)雜的運動控制問題。運動控制卡的功能圖如下：（以MPC02為例）<-運動控制卡的功能圖->控制卡接受主CPU的指令，進行運動軌跡規(guī)劃，包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速處理、原點和限位開關(guān)等信號的檢測等。每塊運動控制卡可控制多軸步進電機或數(shù)字式伺服電機，并支持多卡共用，以實現(xiàn)更多運動軸的控制；每個軸都可以輸出脈沖和方向信號，并可輸入原點、減速、限位等開關(guān)信號，以實現(xiàn)回原點、限位保護等功能。開關(guān)信號由控制卡自動檢測并作出反應(yīng)。目前的運動控制卡主要特征有：開放式結(jié)構(gòu)、使用簡便、功能豐富、可靠性

12、高等。具體的特征體現(xiàn)在硬件和軟件兩個方面：在硬件方面采用PC機的ISA總線方式，各種設(shè)置采用簡單的跳線和撥碼開關(guān)；接線方式采用D型插頭；采用PC機的PCI總線方式，卡上無需進行任何跳線設(shè)置，所有資源自動配置，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動控制函數(shù)庫，以滿足不同的應(yīng)用要求。用戶只需根據(jù)控制系統(tǒng)的要求編制人機界面，并調(diào)用控制卡運動函數(shù)庫中的指令函數(shù)，就可以開發(fā)出既滿足要求又成本低廉的多軸運動控制系統(tǒng)?？刂瓶ǖ倪\動控制功能主要取決于運動函數(shù)庫。運動函數(shù)庫為單軸及多軸的步進或伺服控制提供了許

13、多運動函數(shù)：單軸運動、多軸獨立運動、多軸插補運動等等。另外，為了配合運動控制系統(tǒng)的開發(fā)，還提供了一些輔助函數(shù)：中斷處理、編碼器反饋、間隙補償，運動中變速等。正是由于運動控制卡的開放式結(jié)構(gòu)，強大而豐富的軟件功能，對于使用者來說進行二次開發(fā)的設(shè)計周期縮短了，開發(fā)手段增多了，針對不同的數(shù)控設(shè)備，其柔性化、模塊化、高性能的優(yōu)勢得以被充分利用。在目前工業(yè)生產(chǎn)中，它的應(yīng)用范圍十分廣泛，在使用步進電機和數(shù)字式伺服電機的PC機運動控制系統(tǒng)中，都可以使用運動控制卡作為核心控制單元，例如：數(shù)控機床、加工中心、機器人等； 送料裝置、云臺；X-Y-Z控制臺； 繪圖機、雕刻機、印刷機械；打標機、繞線機；醫(yī)療設(shè)備；包裝機械、紡織機械。從目前工業(yè)設(shè)備中應(yīng)用來看，使用專業(yè)運動控制卡作為運動控制系統(tǒng)的上位控制越來越普及，附帶產(chǎn)生的各種數(shù)控系統(tǒng)軟件也越來越多。隨著像激光雕刻機，三位坐標