中英文翻译---一个高性能单元数控系统架构的设计.doc

第1页共13页外文科技资料翻译中文译文一个高性能单元数控系统架构的设计摘要-我们回顾了开放架构的数控系统所能选择的不同设计方案。运动控制软件目前的趋势与较传统的方法相比，使用一个单独的处理器。而不同的方法相结合的实时活动，包括插补和位置的测量，以及FPGA则是文件的重点。对于该系统的方法描述是基于在过去12年间状态线结构的一体化，由哥伦比亚省不列颠大学和忒修斯（一个由西泰克水疗发展的新的创新的工业电子公司）所发展而来。关键词开放式数控系统，基于FPGA的运动控制，动力系统重构，可扩展控制。1.序言过去十年，在数控设计系统方面发生了变革。绝大部分的商业数控系统不得不提供某种类型的接口，使额外任务及用户可以修改控制软件的高次层。而各厂商都用完全不同的方案来解决这些问题，这在很大程度上，反映了他们的经验和能力。作者将在本文讨论出现的问题，从纯技术的观点出发是因为过去在硬件和软件方面的投资都没有问题。还应该指出，有相当多的进展标准基于发展的情况进行了协调，例如在美国，（OCAM），欧洲，（OSACA）和日本（OSEC）。见1，2，3，4。早期的开放式架构系统一般由一个电脑终端和一个单独的处理器实时处理所有活动，见5，6，7。这些系统大部分是分层性质。近来的系统主要是PC，但许多早期的系统都是使用摩托罗拉的硬件。硬实时活动一般安置在一个或多个设备板，这样反过来信息接口板又可以读合适的位置。通常，可编程逻辑控制器是作为一个单独的处理器，用来定制并且容纳所需要的来支持各种机器功能。同时被作者采取的方法会有所不同8，9。图（1），基本状态线架构第2页共13页图（1）所示的UBC状态限架构旨在允许如下条件：A）避免在主机上必须使用一个实时操作系统。B）尽量减少主机与从处理器间所需的带宽。C）在为轴和支配进程使用同步机制的时候，容许的可扩展性的存在。D）允许支配进程间进行通信。这里的想法是，通过促进落实先进的运动和过程控制算法来实行一个高度并行的规定。通过使用一个双阶段校对机和两条平行的交流渠道来实现设计目标10。第一个交流渠道（显示为标准总线，如图1），用于第一阶段通过插值增量（通常计算循环结束频率的1/32到1/8），以及高层次的指令和主从关系单位的状态信息。第二通道包括一个同步线和状态限系列（再次显示在图1）。状态线路允许任何处理器选择是整体控制还是外部控制来影响一个安全的同步方式的移动方向。最近一些研究人员和公司推行"单数控软件"11，12。通过这个可以推论出填补，循环结束和可编程逻辑控制器（PLC）活动都可以在电脑中的软件内进行，正如图（2a）中概念性描述的一样。这些结构随着电脑电力的增强而出现，而且乍一看这似乎是系统中自然演变的一部分。本文作者不认为这是正确的长期的办法。CNC软件结构命令微机上的实时运转系统，而且显然，任何高频率的监测或控制任务，例如为了过程控制，高速轮廓，或监测任务而添加的，将会变得难以适应。现在对公司来说更常用的是用专有网络数字驱动技术来包装这种系统。后者的趋势似乎是移回到层次类型的控制，但是这由如何打开驱动器技术本身而定。许多人已经对可开放的基本要求作出表态，然而在有良好开放和可扩展性意向的背后，构造系统的实际问题往往会被忽视。作者认为一个构造良好的，（即符合业界公认的标准构造和软件结构），易组装系统，可以轻松扩展及重新配置，是非常可取的。系统应该有规范化的接口，并且允许一套单独的高质量维护或调试工具的供应。同时用户应该毫无保留的被允许对硬件和软件做大的变动和添加。作者相信这种方法可以包含各种领域连接，并且较好的为提供在盘上的CNC然后允许用户为设计和规划硬件安装负责这一概念提供更完善的解答。第3页共13页图（2a）分级数控系统图（2b）的软数控图(2C)基本UBC结构图(2D)UBC忒修斯基础架构在下面的章节的作者将介绍在UBC控制架构发展过程中的最新成果，以及位于忒修斯模块化系统的工业电子产品之下的动机和基本原则。最后，这两种努力的结合伴随着忒修斯框架的高速轴处理器的发展，将会被描述。IIUBC状态线架构的最新发展正如介绍所说的，基本UBC架构的使用已经超过了10年。在这段时间内，系统发生一定的变化，并已应用到一系列的硬件。目的是提供给研究人员和终端用户一个简单开放的系统，可以进行修改和扩展，并且在基本运动控制功能即过程控制和监测功能保护他们，以防问题干扰。本节介绍了与硬件和系统固件基础发展有关的最近行动。作为新一代的FPGA，该硬件已经向前发展，为巩固位置测量和循环结束及第二阶段插值提供了一个机会。显然，这是一个对哲学基础匹配非常好的的基本架构，尤其是当多个轴可被容纳时。已经进行了一系列的练习来实施这一系统，当前练习的最高阶段是需要为忒修斯系统设计并实施两轴模块。在作者们检测基本运动控制软件嵌入的同时，检查提供简单强大配置工具的方法被发现有用。这些工具允许终端用户接口新的模块和真正的设计自己的模块，其他人便可以使用。A.基于FPGA的轴控制在规模和当前一代FPGA的速度性能以及正交解码和插值活动之间存在着明显的匹配。UBC活动始于大约4年前,同时调查为正交解码而使用的FPGA，以及所有轴从动装置纳入活动已取得重大进展。所需的各种功能参考模型如图（3）。如图（3）所示的功能在一个简单的2万门的XilinxFPGA10内部已取得。如图（3）所示的各种元素的虚拟轴控制器，被形容为使用VHDL和运作在一个相对低的同步高速芯片（时钟速度12MHz）的状态机。循环结束频率为4kHz，芯片含所有必需的功能包括一个PWM信号放大器输出和数字滤波第4页共13页正交信号输入。为了系统缓冲，从那时起第一阶段的增量都存储在主内存板上。通过一个标准的并行端口到电脑主机接口。图（3）基于FPGA的轴控制器的参考模型。随着在UBC对这一系统进行初步测试，卡默莱昂控制中心利用UBC的实验所提供的基本构建块设计并建成了数字控制训练系统。在这种情况下操作界面更为发达，并且在一个现代化的基于Windows的Forth系统（SwiftForth）的基础上，组合成一种高层次运动/工艺/监测的语言，称为CamScript。该系统表示如图（4）。相同公司在为了高性能的控制多个轴，而继续审查更大容量和更高速度的FPGA的使用。该活动的结果说明在文件的最后部分。图（4）开发基于FPGA的伺服系统B.打开配置系统和协议作者还纳入了“像打开固件“接近有参考架构的高级元素配置。基本计划在图（5）由奥尔德诺和Yellowley10描绘。系统调用可以是依赖硬件或无须硬件。无须硬件的调用由每个对象类的方法定义直接处理（如轴线，可编程控制器，过程监控）。另一方面，依赖硬件的方法由一个称为绑定表的软件处理。绑定表将这些引用转换为适当的方法，用于连接物理硬件。用于接口的物理硬件。举个例子，用于轴控制器中最常见的硬件相关方法实现如下：输入增量；读取位址；读取速度；中断输入脉冲；等等。该方法通过实施配置系统包括存储在每个设备标记化的配置流，这种方法在15中，进行详细的介绍，它相当于一个开放软软硬件方法的动态扩展，1314标识货化的配置流首先转换为FORTH代码。在FORTH进行译码后，