（机械电子工程专业论文）基于多类型伺服并行结构的五坐标联动智能数控系统.pdf

皇王型垫盔堂堡主堑窒圭望些堡苎一 摘要 j f 数控系统发展到今天已进入计算机数控的第三代一一基于 p d 时代，对系统的精确性和快速性的要求越来越高，传统的数控 系统设计方式已难满足现代数控系统的设计要求。y 本论文一基于多类型伺服并行结构的五坐标联动系统，深入 地研究了第三代c n c 系统的核一t l , 技术，并应用于实践。 多坐标精密联动的关键，一是自动编程系统，它要解决根据 运行的轨迹情况自动编程，以生成相应的位置命令代码；二是控 制系统，它要完成代码的准确解释与可靠执行。自动编程系统现 在国内外发展的技术已比较成熟，如我们可用u n ig r a p h 、 p r o e n g i n e e r 、c i m a t r o n 、m a s t e y c a m 等软件来完成自动编程工 作，因此本系统的重点是控制系统。 机械运动机构方面，开发出了五坐标运动的机械系统；运动 控制方面，实现了c n c 五联动系统。这个五联动c n c 系统是含有 步进与交流两种伺服驱动方式，含有开环、半闭环、全闭环三种 控制方式组合的系统。 控制系统基于i p c 平台，采用上、下位机控制方式实现分层 插补：粗插补和精插补。止位机采用t p c 完成离线粗插补任务并 进行各种重要任务的处理，、下位机采用智能运动控制器完成实时 的糟插补任务。我们完成了对三种类型智能运动控制器的调试， 成功地应用了智能运动控制器的中断功能。伺服系统方面，采用 了两种伺服系统：步进伺服系统和交流伺服系统。这一方面是考 虑系统的经济性和继承性而采用了步进伺服系统：另一方面是紧 跟现代伺服系统的发展趋势，在各种高精度和快速性控制场合中， 交流伺服系统得到了越来越广泛的应用。深入地研究了步进伺服 系统和交流伺服系统的运行原理，并比较了它们的优缺点。成功 地实现了在一个系统中应用两种不同类型的伺服系统并存、两种 不同类型的智能运动控制器的并存。y 软件方面，采用了分层插补的思想，开发出了基于上、下位 电子科技大学硕士研究生毕业论文 摘要 i 机的二次插补算法：粗插补和精插补。i 上位机完全离线完成粗插 补任务，并利用扩充内存技术，把粗插补得到的大量数据以一定 的格式放入扩充内存。精插补阶段成功地采用了中断技术，使下 位机一智能运动控制器实时地从扩充内存取得运行参数，并完 成精插补。j 本系统的设计还充分考虑柔性要求。硬件设计采用模块化设 计，可根据需要搭建出任意轴的组合联动。软件几乎不需改动就 可成功地移植，用于控制一轴运动，二轴、三轴或四轴联动数控 系统。 t ll 一7 v 关键词：i p c ，智能运动控制器，步进伺服系统，交流伺服系统， 离线粗插补，二次插补 h 皇王型垫查堂堡圭婴塞竺望些笙茎 一一 a b s t r a c t n c ( t h en u m e r i cc o n t r 0 1 ) s y s t e m h a s d e v e l o p e d i n t ot h et h i r d g e n e r a t i o no fc n c ( t h ec o m p u t e r n u m e r i cc o n t r 0 1 ) ，w h i c hisb a s e do np c h i g h e rv e l o c i t y a n d p r e c i s i o n a r e r e q u i r e d i n d e s i g n s o fm o d e r nn c s y s t e m ，a n d t r a d i t i o n a l d e s i g n m e t h o d so fn cc a nn o tm e e tt h e s e d e m a n d s i nt h i sp a p e r ，k e yt e c h n o l o g i e so ft h et h i r dg e n e r a t i o no fc n ca r e e x p l o r e dd e e p l y a n d ，a sp r a c t i c ea n da p p l i c a t i o n ，a5 - a x i ss i m u l t a n e o u s n u m e r i cc o n t r o ls y s t e mb a s e do nm u l t i - t y p es e r v op a r a l l e ls t r u c t u r e is p r o p o s e d t h e r ea r et w ok e yt e c h n o l o g i e si nm u l t i a x i ss i m u l t a n e o u sc o n t r o l s y s t e r nd e s i g n o n ek e y i st h ea u t o p r o g r a m m i n gs y s t e m ，w h i c h c a n g e n e r a t e t h ec o d e sf r o mt h ed e m a n d e dm o t i o np a t h t h eo t h e ri st h e c o n t r o l s y s t e m ，w h i c h c a n c o m p i l e a n de x e c u t et h ec o d e s e x a c t l y n o w a d a y st h et e c h n o l o g y o fa u t o p r o g r a m m i n gs y s t e m h a s d e v e l o p e d m a t u r e l ya n dt h et a s ko ft h ea u t op r o g r a m m i n gc a nb ef i n i s h e ds p e c i a l l y b ys o m ec a ms o f t w a r e ，s u c h a s u n i g r a g h ，p r o e n g i n e e r ，c i m a t r o n ， m a s t e r c a ma n ds oo n t h e r e f o r ee m p h a s i so ft h i sp a p e ris p u t o na u t o c o n t r o ls y s t e m t h es p e c i a lm e c h a n i c a lp l a t f o r mi sd e v e l o p e da st h ee x e c u t o ro ft h is 5 - a x i sc n c s y s t e m w ea p p l i e dt h es t e p p i n gm o t i o ns e r v oc o n t r o lt ot h r e e o ft h ef i v ea x i sa n da p p l i e dt h ea l t e r n a t i n gc u r r e n ts e r v oc o n t r o lt ot h e r e s tt w oa x i s t h r e em e t h o d so fc o n t r o l ，i n c l u d i n go p e nc y c l ec o n t r o l ， h a l fc l o s e dl o o pc o n t r o la n dc l o s e dl o o pc o n t r o l ，a r ea l l a p p l i e di nt h i s s y s t e m t h ec o n t r o ls y s t e mi sb a s e do ni p c ( i n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r 0 1 ) ，i n w h i c ht h ec o n t r o ls c h e m eo f p r i n c i p a la n ds u b o r d i n a t eisa d o p t e d i p c ，a s t h e p r i n c i p a l ，a c c o m p l i s h e s t h ef i r s to f f l i n e i n t e r p o l a t i o n a n dh a n d l e s o t h e r i m p o r t a n t t a s k s a i n t e l l i g e n t m o t i o n c o n t r o l l e r ， a st h e j j j 电子科技大学硕士研究生毕业论文 s u b o r d i n a t i o n ，f i n i s h e st h es e c o n da c c u r a t ei n t e r p o l a t i o n t w ot y p e so f s e r v oc o n t r o l s y s t e m s a r e a p p l i e d i nt h i s s y s t e m o n ei s t h e s t e p p i n g m o t i o ns e r v oc o n t r o l s y s t e m t h eo t h e ri s t h ea l t e r n a t i n gc u r r e n ts e r v o c o n t r o l s y s t e m c o n s i d e r i n gt h er e a s o no fe c o n o m ya n ds o p h i s t i c a t i o n ， t w ot y p e so fs e r v oc o n t r o l s y s t e m s a r e k e p tb o t h i nt h es y s t e m t h e a l t e r n a t i n gc u r r e n ts e r v oc o n t r o ls y s t e mi st h et r e n do ft h es e r v os y s t e m o nt h eb a s i so fr e s e a r c ho nt h ep r i n c i p l eo ft h ea l t e r n a t i n gc u r r e n ts e r v o c o n t r o la n dt h e s t e p p i n gm o t i o ns e r v oc o n t r o l ，c o e x is t e n c e o ft h et w o d i f f e r e n ti n t e l l i g e n tm o t i o nc o n t r o l l e r si sr e a l i z e ds u c c e s s f u l l y w e p r o p o s ean e wa l g o r i t h mo ft w ot i m e si n t e r p o l a t i o n t h ep r i n c i p a l c o m p u t e ra c c o m p l i s h e st h ef i r s t i n t e r p o l a t i o na n dp u t st h e s ed a t at ot h e e x t e n d e dm e m o r y s e c o n d l y ，t h es u b o r d i n a t ec o n t r o l l e r c a r r i e so u tt h e r e a l t i m ei n t e r p o l a t i o nw i t hs u p p o r to ft h ei n t e r r u p tt e c h n o l o g y t h ed e s i g no ft h i s s y s t e ma l s os h o w sg o o df l e x i b i l i t y m o d u l a r i z e d d e s i g nh a r d w a r ea n ds o f t w a r em a k ei tp o s s i b l et op u tu pc n cs y s t e m f l e x i b l y w i t ho n e a x i s ，t w oa x i s ，t h r e ea x i s ，f o u ra x i so rf i v ea x i s f u r t h e r m o r e ，t h ec n cs o f t w a r ec a nb e t r a n s p l a n t e d t oo t h e r s y s t e m w i t h o u ta n yc h a n g e k e y w o r d s ：t h e i n t e l l i g e n tm o t i o nc o n t r o l l e r ，i p c ，t h et w ot i m e s i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ，t h ee x t e n d e dm e m o r yt e c h n o l o g y ，t h es t e p p i n g m o t i o ns e r v oc o n t r o l ，t h ea l t e r n a t i n gs e r v oc o n t r o l ，o f f i i n ei n t e r p o l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。具我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 f 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名 吨铆 日期：- 0 0 1 年；月f 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解秘后应遵守此规定) 占z 签名：列 电子科技大学硕士研究生毕业论文 1 1 选题背景 第一章引言 1 c n c 在国内和国外的发展状况 传统的数控系统，其控制核心一般采用专用计算机，造成了 较强的封闭性，带来了一系列的问题，如软硬件的不透明性、先 进技术的难适应性、应用范围的固定性、软件的不开放性、供应 商和用户支持的艰难性。 计算机数控( c n c ) 发展到今天已经历了三代：1 9 7 0 年的小 型机，1 9 7 4 年的微处理器( 单片机) ，1 9 9 0 年的第三代一一基于 p c 。 在发展数控技术方面，我们是后来者，在接受最新技术方面， 我们没有任何历史包袱，因而，较快地进入了计算机数控第三代， 在这方面，我们就和国外竞争对手处于同一起跑线上，带来了难 得的机遇。 从宏观上看，工业发达国家在上个世纪的7 0 年代末和8 0 年 代初，就大规模地普及了数控技术。而在我国，目前数控技术都 还未大规模普及，这严重地限制了我国的生产能力和生产质量。 本系统的开发就是适应当前的国际形势和国内状况而开发 的。 2 i p c 系统的开放性、先进性、实用性 作为工业应用越来越广泛的工业p c 机，除了具有一般通用计 算机的特点外，还由于在可靠性、抗干扰能力及机构设计等方面 采取了相应措施，因而可以长期稳定可靠地运行于各种恶劣环境， 具有模块化、开放化、高可靠性等特点。 基于工业p c 的数控系统是一种新型的开放式数控系统，可以 满足开发者和用户适应环境改变或新技术出现而要求修改、扩展 系统功能的要求，可以较好地适应现代控制系统发展的需求。其 电子科技大学硕士研究生毕业论文 硬、软件体系结构均有别于传统的数控系统，其核心部件为工业 p c 机，可以方便地利用商用机丰富的软件资源及最新的发展成果， 联网通讯方便、系统开发周期短，因此工业p c 机已成为当前数控 领域新产品开发和产品更新换代中普遍采用的新一代系统平台。 本系统就是基于r p c 平台所作的研究和开发。 3 数控系统的伺服驱动部分的发展方向 伺服驱动部分是数控系统的重要组成部分，并在很大程度上 决定着数控系统的性能。数控系统发展到今天，要求系统具有快 速性、精确性、稳定性和大负载性也越来越显得突出，而传统的 直流伺服系统和步进伺服系统再也难满足要求，应用交流伺服系 统也是发展趋势，因而我们在这个系统中选择了交流伺服系统， 同时，从系统不同部位的精度要求可能不一样和从降低成本的角 度出发，我们选择了交流伺服系统和步进伺服系统并存，也算作 多种伺服系统并列应用的一种探索。 4 本系统的开发与实际科研项目相结合 本系统的开发是结合四川省应用基础研究项目一一高性能超 微步五联动c n c 系统关键技术研究，并结合2 】1 工程一一智能机 械系统工程实验室建设项目中的五坐标机构精密运动控制系统的 实现来进行的。 同时，也是配合我校本科生和研究生教学的需要，本系统可 作为让他们深入理解计算机数控技术中的核心控制技术的实验平 台。 1 2 本系统概述 由于元器件技术的迅猛发展，过去要用几十块中、小规模集 成电路，现在用一块大规模或超大规模集成电路就可替代，大量 通用元器件都是著名厂家成批大量地生产。这样不但减少了元器 件的体积，而且大大提高了元器件质量和可靠性。智能运动控制 器就是在这样一种背景下出现的，它能根据轨迹规划完成实时插 补并发出位置运动指令，这样就大大分担了上位机的工作，可把 上位机解放出来去并行完成其它更重要的工作。 电子科技大学硕士研究生毕业论文 基于多类型伺服并行结构的五坐标精密运动智能控制系统就 是基于这些技术的典型代表。五坐标精密运动的关键，一是自动 编程系统，它要解决根据运行的轨迹情况自动编程，以生成相应 的位置命令代码；二是控制系统，它要完成代码的准确解释与可 靠执行。自动编程系统现国内外发展的技术已比较成熟，如我们 可用u n ig r a p h 、p r o e n g i n e e r 、c i m a t r o n 、m a s t e r c a m 等软件来 完成自动编程工作，因此本系统的重点是控制系统。所谓的多类 型伺服并行结构是指本系统采用了两种伺服系统：步进伺服系统 和交流伺服系统在一种系统中并行存在。本系统的控制核心是工 业微机数控系统和两种智能运动控制器。本系统采用上、下位机 的控制方式，上位机工业微机根据接收到的轨迹指令，通过一定 的插补算法得到各坐标轴的位置指令，并把这些位置指令放入扩 充存储器中，并启动下位机智能运动控制器运行，智能运动控制 器完成实时控制运动：从扩充存储器中取出位置指令，完成各轴 的运动轨迹规划，发出控制脉冲去驱动伺服执行机构以完成各轴 的相应运动。检测系统随时监测各轴的运行情况，并把这些信息 返回给智能运动控制器去处理。因此本系统综合运用了i h 动控制、 工业i p c 、精密检测、伺服驱动与精密机械等多种技术，是现代 制造系统和控制系统必备的技术基础。 1 3 主要内容 本论文详细地介绍了基于多类型伺服并行结构的五坐标精密 运动智能控制系统的系统设计思想。简单介绍了五坐标精密运动 智能控制系统的机械结构设计，重点介绍了系统的硬件和软件设 计，在硬件设计方面重点介绍了三种智能运动控制器的硬件原理 及所作的硬件测试，以及两种伺服控制系统的运作原理和测试， 软件方面重点介绍了二次插补算法和实时控制模块的设计。 1 4 本论文要解决的问题 电子科技大学硕士研究生毕业论文 在继承分层结构、离线插补思想以及扩充内存技术的基础上， 本论文要解决的关键、核心问题有： 1 研究在一个系统中并存应用两种伺服系统。 2 系统地研究交流和步进伺服系统，并作了分析和比较。 3 研究并测试三种智能运动控制器，以达到通过对其端口的直接 操作来控制智能运动控制器。 4 研究一种插补算法来实现基于智能运动控制器的五坐标系统的 联动的分层插补。 电子科技大学硕士研究生毕业论文 2 1 系统要求 第二章系统总体方案 1 系统具有如下五个坐标系： 1 ) x 向运动，平动行程为2 0 0 r a m 。 2 ) y 向运动，平动行程为1 5 0 m m 。 3 ) z 向运动，平动行程为1 5 0 m m 。 4 ) 绕x 轴的转动一a 向运动，转动角度为9 0 度。 5 ) 绕y 轴的转动召向运动，转动角度为9 0 度。 2 系统组合具有柔性，即五坐标能组成任意的联动型式：一轴运 动，二轴、三轴、四轴、五轴联动。 3 运动精度：平动的运行精度为0 0 0 1 m m ，转动运行的精度为5 秒。 4 y 向、z 向全闭环控制，x 向采用半闭环控制，a 向和b 向皆为 开环控制。 5 y 向和z 向采用交流伺服驱动系统，其余三向采用步进伺服驱 动系统。 6 系统承载1 0 0 k g 2 2 五坐标精密运动智能控制系统的机械结构设计 1 根据系统精度、受力要求，x 向和y 向的平动采用两个两端支 撑中间悬空的简支梁的形式，滑动采用滚珠滑动导套副，推力 传递采用滚珠丝杠副。 2 z 向运动，采用四个滚珠滑动导套副支撑，运动传递也是采用 滚珠丝杠副。 3 两个旋转运动采用蜗轮蜗杆副来实现。 4 考虑到交流伺服电机的转速较高，为了充分发挥其功率，我们 电子科技大学硕士研究生毕业论文 在y 向和z 向加减速机构，y 向采用蜗轮蜗杆减速机构，z 向 采用同步带减速机构。采用步进伺服电机驱动的a 向和b 向运 动有较大的偏心力矩，故采用蜗轮蜗杆减速机构来增大力矩和 确保白锁；x 向运动无偏心情况运行较为稳定，可用步进伺服 电机直接驱动。 2 3 五坐标精密运动智能控制系统的控制系统设计 2 3 1 控制系统的硬件设计 1 主控机采用工控机作为整个系统的控制核心。 利用工控机性能稳定、抗干扰能力强、价格便宜、和商用p c 机功能比较兼容的诸多优点，可加快整个系统的硬件开发周期、 软件开发周期。如采用单片机开发，硬件系统和操作系统都要自 己设计，不但要增加开发周期和开发成本，而所开发的软件系统 的移植性很差。 2 实时控制采用两个智能运动控制器。 一个智能运动控制器可控制三个轴的运动，由于智能运动控 制器可独立完成相应轴的速度轨迹规化，这样一方面实时性较好， 一方面可把上位机解放出来去作更重要的中断信号处理。 1 ) 伺服驱动系统 考虑到系统精度要求、机械机构空间情况和研究生教学需要， y 向采用了蜗轮蜗杆减速机构便于自锁，因此y 向采用全闭环交 流伺服系统驱动，z 向的自锁要求更高，z 向采用半闭环断电抱闸 的交流伺服系统驱动系统，x 向、a 向、b 向运动采用步进伺服系 统驱动系统。 伺服驱动系统接受从智能运动控制器发来的位置命令信号， 并把它转换为相应的控制电机运行位置的摸电信号。 2 ) 运行情况反馈装置 电子科技大学硕士研究生毕业论文 x 向采用圆光栅来检测电机的实际转动位移情况，以形成半 闭环控制，y 向和z 向采用长光栅来检测机械机构的实际平动位 移量以形成全闭环控制，a 向、b 向采用开环控制，这样整个系统 中开环控制、半闭环控制、全闭环控制都具备，既满足了机构的 精度要求，教学上又便于学生深入的理解控制的核心思想。 2 3 2 控制系统的软件设计 1 ，要求基于i p c 平台开发软件系统。增加软件的可移植性。 2 要求软件系统能够读入符合i s o 的g 代码标准的数控语言。这 样可以方便地利用现在大量的自动编程软件，增加软件的通用 性。 3 采用离线插补形式，即插补和实时控制分离。 4 要求生成的位置代码能对两种类型的智能运动控制器进行控 制。 5 要求实时控制阶段能形成闭环控制。 6 控制系统能和上位机之间进行通信。 7 要有简单、明了、友好的用户界面。 电子科技大学硕士研究生毕业论文 第三章系统的机械部分设计 根据系统总体方案的要求，初步设计运动部分的机械结构如 图3 1 所示，从上到下依次为a 轴传动、b 轴传动、x 轴传动、y 轴传动、z 轴传动。 图3 1 系统机械结构总图 3 1 五坐标精密运动智能控制系统的机械结构的初次设计 1 a 向和b 向扭矩的计算及脉冲当量 系统受力为l o o k g ，最大偏心为3 0 m m ，则所产生的最大偏心力 矩为 10 0 9 8 0 0 3 = 2 9 4 n m ( 3 1 ) 选择蜗轮蜗杆副的传动比为2 0 ，折算到蜗杆上所需的理想力 矩为 2 9 4 2 0 = 1 4 7 n m( 3 2 ) 考虑到蜗轮蜗杆副的传动效率低，功率损耗较大以及空载启 皇至型垫查堂堡主堕至竺望些堡苎 动的快速响应性，我们选择了如下的电机型号： 8 6 b h 2 5 0 d 2 ( 6 )保持转矩为8 n m ，步距角1 8 。 则这两个方向的脉冲当量为： 取细分模式为6 4 细分， 1 8 x 3 6 0 0 6 4 2 0 = 5 0 秒，满足转动的运行精度。 2 x 向平动所需扭矩的计算及脉冲当量 x 轴运动的垂直受力为l o o k g ，初步选定滚珠丝杠副丝杠的导 程为5 m m ，则所需电机的理想扭矩计算如下： 1 0 0 9 8 0 0 0 5 ( 2 3 14 l5 9 2 6 ) = 0 7 8 n m( 3 3 ) 考虑到摩擦因素和经济的原因，我们和a 轴和b 轴所选的电 机型号一致： 8 6 b h 2 5 0 d 2 ( 6 )保持转矩为8 n m ，步距角1 8 。 则x 向平动运行脉冲当量为： 取细分模式为6 4 细分 5 ( 3 6 0 1 8 6 4 ) = o 0 0 0 4 m m 3 3 3 3 满足电机的惯量匹配要求。 3 电机力矩计算 1 ) 快速空载起动力矩m 起 m 起= m 。+ m s + m o ( 3 1 5 ) 设起动加速时忙 t 。= 2 5 m s 。 电机额定转速为门= 2 0 0 0 r m i n ，则z 向位移量2 0 0 0 m i n 已能满足 要求。 。咄等枷一。器黑枷堋。，s m 册 折算到电机轴上的摩擦力矩m ，为 虬= 等= 器 其中：r 一一导轨的摩擦力( n ) ，焉= 厂g ； g 一一运动部件总重量( n ) ，g = ( 1 0 0 + 1 0 0 ) 9 8 n 一一导轨摩擦系数，取。0 1 6 ； i 一一传动比； 7 7 一一传动链总效率，取7 7 ；0 8 。 m 。：0 1 6 x 2 0 0 x 9 8 x 0 5 ：6 1 n c 删 ，5 瓦i 舔厂劬叩删 附加摩擦力矩峨： m 。：之上止( 1 一叩孑) 二i t - - 1 7 o b 。一一滚珠丝杠预加负荷，取g ( n ) ； 厶一一丝杠导程( c m ) ，厶= o 5 c m ； 一一滚珠丝杠未预紧时的传动效率，叩0 = 0 9 。 m 。：掣型( 1 0 9 z ) ：7 4 n 硼” 2 石0 8 5 、 故 m 起= m 啪。+ 材，+ m o = 8 7 4 1 8 + 6 1 + 7 - 4 = 8 8 7 6 8 n c , r t 2 ) 匀速移动时所需力矩m 快 m 匀= m ，+ 靠+ m z = 6 1 + 7 4 + 1 5 6 = 2 9 1 n c m 5 ( 3 17 ) ( 3 1 8 ) ( 3 一i9 ) ( 3 2 0 ) ( 3 - 2 1 ) ( 3 - 2 2 ) 电子科技大学硕士研究生毕业论文 从上面计算可以看出，m 起、m 快两种工况下，以快速空载起 动所需力矩最大，因此该项作为选择步进电机的依据。 所选择电机参数如下； m d m 0 8 2 a 1d ，转速为2 0 0 0 r m i n ，保持转矩为3 5 7 n m ，最大转 矩为l o 7 l n m 电机惯量3 13 k g c m 2 两相比较， m 。= 8 8 7 6 8 n c m = 8 8 n ，竹 8 ： o ut p o r t b ( b a s e a + 2 ，v ) ： 读出通道a 的r 1 寄存器中的数据并存入v 中： jn tv 1 】 电子科技大学硕士研究生毕业论文 o u t p o r t b ( b a s e a ，o x 8 1 ) i n p o r t b ( b a s e a + 1 ，v ) ： v = v 8 ： in p o r t b ( b a s e a + 2 ，u ) ： v = v lu ： 3 中断控制 通道1 的启动停止 通道2 的启动停止 通道3 的启动停止 中断使能 b a s e + 1 4 的第0 位控制 图4 3p c l 8 3 9 的中断控制路径 从图4 3 运动控制器的中断要发出来，必须要通过两个环节， 一是通过控制启动停止命令以产生出中断控制信号，二是通道产 生的中断信号还要通过中断使能这个门才能发出，而中断使能这 个门是中断控制器的第0 位控制的( 当这位为0 时，门关闭：当 这位为l 时，门丌通) ，实际上中断控制器就是运动控制器上地址 为b a s e * l4 的一个寄存器。而且还可看出，中断使能这个控制门 是并行的，一开门，三个通道都打开了，一关门，三个通道都发 不出中断信息了。运行过程中，还可通过查询此中断控制器来获 知当前是哪一个通道发出了中断信息。 要使用通道a ( 对应某轴) 发出中断时，我们须输入如下的 语句： i 1 3 t i u m 0 = o x 2 0 ： o u t p o r t b ( b a s e a + 1 4 ，o x 0 1 ) ： o u t p o r t b ( b a s e a ，( o x l 0 + i 叭一b u m 0 ) ) ： 总的看来，对p c l 8 3 9 我们要用的部分有：每个通道有一个规 皇王型垫奎堂堡圭塑塞生兰些堡苎 定工作方式( 启动停止命令、操作模式命令、输出模式命令、寄 存器选择命令等) 的缓冲器，三个数据缓冲器，及一组寄存器r 0 、 r 1 、r 2 、r 4 、r 6 、r 7 ；那么三个通道共有l2 个缓冲器和l 8 个数 据寄存器，再加一个中断控制寄存器我们都要经常用到。 p c l 8 3 9 总的设置流程如下： 智能运动控制器 1 = 作方式设置 方 脉冲 图4 4 智能运动控制器工作方式设置 4 + p c l 8 3 9 运行的速度模式 从以上的硬件分析可以看出，p c l 8 3 9 运行时提供了两种类型 的速度运行模式，一种是恒速运动模式，一种是梯形速度运行模 式，现在分别介绍如下： 1 ) 恒速运行模式 如图4 5 所示： 在这种情况下，运动控制器根据设定的速率，以恒定的速率 7 l 。图 皇王型基盔堂堡主竺塞圭里些丝苎 发出位置控制命令( 在本系统中是脉冲方向信号) ，停止发出位 置控制命令的时间是由操作模式选择命令字来控制的，可在如下 的四种情况下，运动控制器停止发出位置控制命令： 操作模式选择命令字中原点信号使能有效，则运动控制器一 收到原点信号就停止发出位置控制命令。 操作模式选择命令字中现行目标使能无效，则运动控制器一 收到启动停止控制字中的复位命令就停止发出位置控制命令。 输出模式选择命令字中使限位开关信号( 两个极限限位信号、 一个原点信号) 有效时，则运动控制器一接收到此限位信号就停 止发出位置控制命令。 操作模式选择命令字中现行目标使能有效，则运动控制器中 计数器r o 一记数到零就停止发出位置控制命令。 2 ) 梯形速度运行模式 速度图如下： f 0t 图4 6 梯形速度运行 我们可以看出，在这种速度模式运行时，运动控制器一开始 速度( 位置控制命令) 并不是从零开始的，而是一开始就具有一 定的速度( f l 速度) ，然后加速到较高速度( f h 速度) ，然后再减 速到低速的。在如下种情况中，运动控制器停止发出位置控制 命令： 操作模式选择命令字中现行目标使能有效，则运动控制器中 计数器r o 一记数到零就停止发出位置控制命令。 操作模式选择命令字中现行目标使能无效，则运动控制器收 到降速一停止命令并降速到f l 速度后停止发出位置控制命令。 皇王型垫盔兰堡主塑窒生望些丝壅 操作模式选择命令字中原点信号有效，则运动控制器收到降 速信号后降速到f l 速度运行，收到原点信号后停止发出位置控制 命令。 对p c l 8 3 9 的控制流程如下： 1 ) 设置此次运动的速度数据。 2 ) 初始化p c l 8 3 9 ，使p c l 8 3 9 的各寄存器复位。 3 1 ，设定操作模式选择控制字、运动步数等。 4 ) 设定输出模式控制字、启动停止命令等运动控制器开始工作。 4 3 2 智能运动控制器d m c 2 0 4 d m c 2 0 4 板的控制框图如下 一r 轨迹规划 叫脉冲发射f + i 光隔离l - 一一r 一 乜塑h r_ 指令 = 轨迹规划p 叫脉冲发射p 叫光隔离卜+ ll 1 一一 厂_ 二= p c 净理想位置 一 堂堕! 接 # = 一中断信号 口 实际位置厂五i i 一 l 状态 一 实际位置 解码k i 脉冲方向 开关信号 脉冲方向 开关信号 光码盘1 光码盘2 数字输出 数字输入 例4 7d m c 2 0 4 原理幽 图中的数字输出、数字输入是d m c 2 0 4 板上的数字i o 通道， 解码指的是对光码盘的输入信号( 单端模式为三路信号：两路相 位差9 0 度的脉冲信号和一路零点信号，差分输入时为六路信号) 的辩向和记数处理，开关信号指的是限位开关信号、原点信号等 等，开关信号直接输入到脉冲发射器部分，当运作功能规定在开 皇王型垫查堂堡主婴壅竺望些丝苎一 关信号使能时，一旦检测到开关信号时可使脉冲发射器立即停止 发射脉冲。可以看出d m c 2 0 4 有两个通道输出，可控制两个轴的运 动。 根据我们对d m c 2 0 4 板的测试，它的功能与p c l 8 3 9 的功能基 本相似。不同点是： 1d m c 2 0 4 板比p c l 8 3 9 板多了如下三类寄存器：r 3 、r 1 0 、r 1 2 1 1 多增加一个速度寄存器r 3 ，故它有三个速度设置r 0 、r 1 、r 3 。 2 ) 每个通道多增加一个位置计数器r 10 ( 寄存器选择命令字为0 x b 0 ) ， 根据r 1 2 的设置，它可作为理想位置计数器( 通道输出的脉冲数) ， 也可作为实际位置计数器( 外界光栅尺反馈回的脉冲数) 。 3 ) 每个通道多增加一个寄存器r 1 2 ( 寄存器选择命令字为0 x b 2 ) ，向 此寄存器写入一定的控制指令，就可规定r 1 0 工作在理想位置计数 器模式( 向r 1 2 写入控制字0 x 0 0 ) ，还是实际位置计数器模式( 向 r 1 2 写入控制字o x f 0 ) 。 2 d m c 2 0 4 板可接收外界光电编码器的反馈信号，而p c l 8 3 9 上 无此硬件功能。 3 d m c 2 0 4 板的输出脉冲速度可达到2 4 0 k p p s ，而p c l 8 3 9 板的 输出脉冲仅达8 k p p s 4 d m c 2 0 4 板的中断方式与p c l 8 3 9 的中断方式基本相似， d m c 2 0 4 以板上地址为b a s e + 1 3 的寄存器的低三位为三个通 道中断的门控制，每一位控制一个通道，相当于三个通道三个 门，而p c l 8 3 9 仅一个门控制三个通道。 4 3 3 智能运动控制器g m - 4 0 0 1 g m 一4 0 0 运动控制器的工作原理 图4 8 示为g m 一4 0 0 运动控制器的原理框图。图中所示的增量 式编码器的a 、b 相信号作为位置反馈输入信号。运动控制器通过 四倍频、加减计数器得到实际位置。实际位置的信息保存在位置 寄存器中，上级计算机可通过控制寄存器读取。运动控制器的目 标位置由上级计算机设定，通过内部计算得到位置误差值，经过 电子科技大学硕士研究生毕业论文 数字伺服滤波器后，送到数模转换( d a c ) 或脉宽调制器( p c m ) 硬件处理电路，经过转换，最后输出伺服电机的控制信号：+ 一1 0 v 模拟信号或p w m 信号。 国4 8 锄一4 0 0 运动控制器原理 运动控制器的控制模式和参数由上级计算机设定，g m - 4 0 0 根 据主机发送的命令决定采用何种加减速控制曲线和数字滤波算 法。g m 一4 0 0 运动控制器有两种运行一种是闭环方式，另一种是开 环方式。闭环控制是运动控制器默认的控制方式，开环控制则直 接输出控制信号。开环控制模式下，上级计算机送出的命令不经 过任何处理，直接送出。 g m 一4 0 0 在闭环控制模式下有四种运动模式： s 曲线模式 梯形曲线模式 速度跟踪模式 电子齿轮模式 2 运动控制 1 ) s 曲线模式 s 一曲线模式中主机设定参数含义及g m - 4 0 0 内部表示如表4 8 所示。 电子科技大学硕士研究生毕业论文 表4 8 设置参 数字范围及内部表示单位 数 目标 位 有符号数3 2 位- 1 ，0 7 3 ，7 4 1 ，8 2 4 脉冲 置 1 ，0 7 3 ，7 4 1 ，8 2 3 最大 无符号数3 2位 + 脉冲采样 = i 噩 度 0 1 6 3 8 3 ( 6 5 5 3 5 6 5 5 3 6 )周期 最大 加 无符号数1 6 位“o