基于PMAC的时基控制(电子凸轮)原理与应用.doc

基于PMAC的时基控制（电子凸轮）原理与应用李显 汤以范 何法江 （上海工程技术大学 机械学院 201620）摘要: 本文概要地介绍了PMAC的结构原理, 主要讨论了PMAC 的时基控制的原理与功能， 并给出了实际应用的例子。关键词：PMAC时基控制编码器The Principle of PMACs Time-based control and its ApplicationLI Xian TANG Yi-Fan HE Fa-JiangAbstract: PMACs structure and principle were introduced , the principle and function of the PMACs Time-based control were discussed , and practical example was given.Keywords : PMAC; PMAC Time-based control; Encoder.1 开放式控制器PMAC简介PMAC ( Programmable Multi-Axis Controller)可编程多轴运动控制器，是美国Delta Tau Data System 公司于推出的PC 机平台上的运动控制器,是一个完全开放的系统。它采用了Motorola 公司的高性能信号数字处理器DSP5600作为CPU ,是世界上功能最强大的运动控制器之一。从硅谷计算机硬盘的超高精度的伺服磁道写入，到高级CNC 机械控制，以及机器人、硅晶片处理、激光切割等广大领域，最著名的例子是PMAC 被用来控制哈勃望远镜镜面的修磨。PMAC 可以控制步进、交直流伺服、直线电机、液压伺服等各类电机，可以接受诸如增量绝对码盘、光栅尺、激光干涉仪、电位计、旋转变压器等检测元件的反馈功能。另外，由于作为CNC 最深层次的NC 内核的开放，PMAC 允许用户使用诸如VC+ 、C、C+ 、VB、Delphi 等多种语言开发程序,极大地方便了用户。2 PMAC的结构及原理PMAC外形简易图如下: 图1 PMAC结构框图J1 : 模拟量输入口, 此接口可接受16路0-5V12位的模拟信号J2 : 多端口I/O扩展口, 可提供8进8出点供用户使用J3 : 通用I/O接口, 此接口可提供16进16出输入输出点J4 : 光缆接口, 用于与具有光缆接口驱动器和I/ O 板使用J5 : 串行数据接口, 可与上位机进行串口通讯J6 : 显示器接口J7 : 手轮编码器接口, 可接收手轮脉冲或编码器信号J8 : 位置比较相等输出信号接口J9J12 : 18 号电机的输入输出接口PMAC 运动控制器提供了运动控制、过程控制、离散控制、内部处理、同主机的交互等基本功能,伺服控制包括PID 和速度、加速度前馈控制。它的速度、分辨率、带宽、伺服控制精度等指标远远优于一般的控制器。它能够对存储在内部的程序进行单独运算，执行运动程序、PLC 程序进行伺服环更新，并以串口、总线两种方式与主计算机进行通讯。PMAC 本身就是一台完整的计算机,能够完全独立于操作系统之外处理存储的程序，进行加工。而且它还可以自动对任务进行优先等级判别，从而进行实时的多任务处理，这使得它在处理时间和任务切换这两方面大大减轻主机和编程器的负担。即使在主机控制之下,两者之间的通讯也是一台计算机和另一台计算机之间的通讯，而不是计算机和外部设备的通讯。通过特定设计的门阵列ICS(作为DSP - GATE)，PMAC 实现CPU 与轴的通信。PMAC 所控制的8 根轴既可联动，亦可在各自的坐标系中完成各自独立的完全运动。3 关于PMAC时基控制(电子凸轮) PMAC 有许多强大的特性来帮助它所控制的运动与外部事件同步。这些特殊性包括:位置跟随，通常叫做电子齿轮;时基控制,通常叫做电子凸轮；位置捕捉，在定位操作中很有用处；位置比较，可用于精确的扫描与测量功能。下面就其中的时基控制功能进行详细的描述。时基控制是一种与外部轴协调的更复杂的方法，即用输入信号的频率来控制运动和程序的执行速率。时基控制在整个坐标系中进行，每一次必须指定哪一个编码器寄存器接收输入频率，以及输入频率与程序执行速度间的关系。这不仅使运动速度与输入频率成比例（频率始终在接近零），而且保持所有位置的同步。PMAC的运动语言把位置轨迹表示成时间的函数。无论运动是由时间直接决定,还是通过速度，最终轨迹都是被定义成位置与时间之间的函数。这对于大多数的应用是好的，但是，在一些应用中，有时需要PMAC的轴从动于不在PMAC 控制下的一根外部轴(或者有时是在PMAC 控制下的另外一个坐标系的独立轴) 。在这些应用中，更希望把PMAC 有轨迹定义成主位置的函数而不是时间。PMAC 完成这一功能的方法是使“时间”同主轴通过的距离成比例,而不是通过语言表达成“时间”的函数,这是通过定义一个从主轴位置传感器得到的“实时输入频率”来完成的。它的单位是步/ ms。时基控制通过从上一个伺服周期以来的每个指令位置更新来工作，而伺服周期的实际时间并没有改变，伺服环的动态性能也没有改变。仅仅是指令轨迹的速率随外部频率而变化，而由于坐标系内所有轨迹一起变化，所以空间的路径并没有改变。4 时基控制的应用实例我们以车床上加工多线螺纹为例介绍PMAC卡如何利用一个外部时基进行复杂的精确从动。PMAC将它的切削轴从动于主轴编码器，使得刀具速度跟踪主轴速度，从而得到恒定的螺距，这可以在时基控制下完成。为主轴定义一个“实时”速度，并以此设置时基常数。在假设主轴运行于实时速度的前提下对从动轴编写程序时基控制将会自动主轴速度的变化。我们加工一个5螺距（每英寸5线）螺杆。假设主轴速度为50rps.因此切削速度为50（rev/sec）/5（rev/in）10in/sec.为了使刀具与每道螺纹配准（50rev/sec20msec/rev）每个循环的程序时间必须精确地为20msec/rev的倍数。图2 控制原理图基本设定和程序编写如下：设定和定义：&1 ；在坐标系统1中定义轴1-1000X ；电机1在X轴方向以1000cts径向切削2-10000X ；电机2在X轴方向以10000cts切削主轴编码器为1024线/rev或4096cts/rev.在实时速度为3000rpm(50rps)时，编码器频率为204.8cts/msec.按公式，时基常数为131,072/204.8640WY:1833,640 ；设置时基常数（在地址1833）11931183 ； 通知坐标系统1用此地址作为时基来源运动程序如下：OPEN PROG 77 CLEAR ；准备进入程序缓存P100=3.00 ；X（径向）与毛 距离P101=P100 ；切削起始位置RAPID X(P100-0.1) Z2 ；快速运动到起始位置WHILE(P1013.10) ；循环直到深度为0.1英寸P101=P101+0.01 ； 增加深切0.01TM100 ；100msec“切如”时间X(P101) ；进入毛 的轴半径（“切入）TM(24*1000/10) ；以10in/sec运动24英寸Z26 ；制造24英寸螺纹（26-2）TM60 ；60msec退刀时间X(P100-0.1) ；刚好退到毛 外TM(24*1000/30) ；以30in/sec运动24英寸Z20 ；从下一个螺纹反向运动 ；循环中运动的总时间为 ；100+2400+60+8003360msec ；正好是20msec的倍数或主轴转一圈ENDWHILE ；结束循环RAPID X0 Z0 ；返回初始位置CLOSE5 结束语 本文分析了开放式控制卡PMAC的时基控制原理，从中可以知道PMAC时基控制技术很好的解决了从动坐标系与主动坐标系的良好的同步问题。这一功能可广泛地应用于机械制造、自动控制等领域, 它可以使两个不同的事件达到精确的同步运行。参考文献：1 黎凌霄，吕强中. 基于PC 柔性和开放性的可编程多轴控制器 J .