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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(jī)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(jī)技術(shù)使信息和智能與機(jī)械裝置和動力設(shè)備相結(jié)合，促使機(jī)械工業(yè)開始了一場大規(guī)模的機(jī)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(jī)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(jī)技術(shù)使信息和智能與機(jī)械裝置和動力設(shè)備相結(jié)合，促使機(jī)械工業(yè)開始了一場大規(guī)模的機(jī)電一體化技術(shù)革命。隨著計算機(jī)電子電力和傳感器技術(shù)的發(fā)展，各先進(jìn)國家機(jī)電一體化產(chǎn)品層出不窮。機(jī)床、汽車、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)器人等許多門類產(chǎn)品每年都有新的進(jìn)展。機(jī)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、增強企業(yè)競爭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，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(jī)構(gòu)”是系統(tǒng)中舉足輕重的兩個組成部分�！皥�(zhí)行機(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(jī)系統(tǒng)，專業(yè)運動控制plc，pc 運動控制卡，專用控制系統(tǒng)�！吧衔豢刂啤笔恰爸笓]”執(zhí)行機(jī)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(jī)系統(tǒng)來實現(xiàn)運動控制。
此系統(tǒng)由單片機(jī)芯片、外圍擴(kuò)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(jī)的i/o口發(fā)數(shù)字脈沖信號來控制執(zhí)行機(jī)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(dá)到控制。此方案優(yōu)點在于成本較低，但由于一般單片機(jī)i/o口產(chǎn)生脈沖頻率不高，對于分辨率高的執(zhí)行機(jī)構(gòu)尤其是對于控制伺服電機(jī)來說，存在速度達(dá)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(kuò)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(jī)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，fpσ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(jī)界面）進(jìn)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0.1~0.2a。在工業(yè)生產(chǎn)中，作為plc驅(qū)動的負(fù)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(jī)構(gòu)進(jìn)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10k~100k），對于諸如伺服電機(jī)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(jī)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(jī)數(shù)控系統(tǒng)等等。它集成了計算機(jī)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(jìn)行什么二次開發(fā)，對使用者來說只需通過熟悉過程達(dá)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。
四、采用pc 運動控制卡作為上位控制的方案。
隨著pc（personal computer）的發(fā)展和普及，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計算機(jī)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(jī)器和設(shè)備。從用戶使用的角度來看，基于pc機(jī)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(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)幾兆的頻率），能夠滿足對伺服電機(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(jī)，專用運動控制芯片，dsp。
以單片機(jī)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(jìn)電機(jī)；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(dá)到幾兆赫茲，能夠滿足對步進(jìn)電機(jī)和數(shù)字式伺服電機(jī)的控制。以dsp（digital signal processor）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，常用于像工業(yè)機(jī)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(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。而且由于計算機(jī)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胏pu與pc機(jī)cpu構(gòu)成主從式雙cpu控制模式：pc機(jī)cpu可以專注于人機(jī)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(xì)節(jié)：升降速計算、行程控制、多軸插補等，無需占用pc機(jī)資源。同時隨卡還提供功能強大的運動控制軟件庫：ｃ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）
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