运动控制作业.doc

32 运动控制卡运动控制卡是根据运动控制的要求和传感器的信号，进行必要的逻辑、数字运算，为电动机或其他动力和执行装置提供正确的控制信号，以实现预定运动轨迹的装置。运动控制卡在运动控制系统中处于核心地位，它的性能好坏对整个控制系统有决定性作用。随着开放式数控系统的应用越来越广，各具特色的运动控制卡也越来越多。目前常用运动控制卡有美国Delta Tau公司的PMAC，英国翠欧运动技术公司的Trio运动控制卡，美国Gailio运动控制卡及中国固高公司的运动控制卡等。下面分别对这些控制卡进行介绍。运动控制卡是一种基于PC机及工业PC机、 用于各种运动控制场合（包括位移、速度、加速度等）的上位控制单元。 运动控制卡是基于PC总线，利用高性能微处理器（如DSP）及大规模可编程器件实现多个伺服电机的多轴协调控制的一种高性能的步进/伺服电机运动控制卡，包括脉冲输出、脉冲计数、数字输入、数字输出、D/A输出等功能，它可以发出连续的、高频率的脉冲串，通过改变发出脉冲的频率来控制电机的速度，改变发出脉冲的数量来控制电机的位置，它的脉冲输出模式包括脉冲/方向、脉冲/脉冲方式。脉冲计数可用于编码器的位置反馈，提供机器准确的位置，纠正传动过程中产生的误差。数字输入/输出点可用于限位、原点开关等。库函数包括S型、T型加速，直线插补和圆弧插补，多轴联动函数等。产品广泛应用于工业自动化控制领域中需要精确定位、定长的位置控制系统和基于PC的NC控制系统。具体就是将实现运动控制的底层软件和硬件集成在一起，使其具有伺服电机控制所需的各种速度、位置控制功能,这些功能能通过计算机方便地调用。现国内外运动控制卡公司有美国的GALIL、PAMAC，英国的翠欧，台湾的台达、凌华、研华，国内的雷赛、固高、乐创、众为兴等。运动控制卡的出现主要是因为：（1）为了满足新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求；（2）在各种工业设备（如包装机械、印刷机械等）、国防装备（如跟踪定位系统等）、智能医疗装置等设备的自动化控制系统研制和改造中，急需一个运动控制模块的硬件平台；（3）PC机在各种工业现场的广泛应用，也促使配备相应的控制卡以充分发挥PC机的强大功能。运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速DSP作为运动控制核心，大多用于控制步进电机或伺服电机。一般地，运动控制卡与PC机构成主从式控制结构：PC 机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作（ 例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等）；控制卡完成运动控制的所有细节（包括脉冲和方向信号的输 出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等）。运动控制卡都配有开放的函数库供用户在DOS或Windows系统平台下自行开发、构造所需的控制系统。因而这种结构开放的运动控制卡能够广泛地应用于制造业中设备自动化的各个领域。 2应用插补定义机床数控系统依照一定方法确定刀具运动轨迹的过程。也可以说，已知曲线上的某些数据，按照某种算法计算已知点之间的中间点的方法，也称为“数据点的密化”。数控装置根据输入的零件程序的信息，将程序段所描述的曲线的起点、终点之间的空间进行数据密化，从而形成要求的轮廓轨迹，这种“数据密化”机能就称为“插补”。插补计算就是数控装置根据输入的基本数据，通过计算，把工件轮廓的形状描述出来，边计算边根据计算结果向各坐标发出进给脉冲，对应每个脉冲，机 床在响应的坐标方向上移动一个脉冲当量的距离，从而将工件加工出所需要轮廓的形状。直线插补直线插补（Llne Interpolation）这是车床上常用的一种插补方式，在此方式中，两点间的插补沿着直线的点群来逼近，沿此直线控制刀具的运动。 一个零件的轮廓往往是多种多样的,有直线,有圆弧,也有可能是任意曲线,样条线等. 数控机床的刀具往往是不能以曲线的实际轮廓去走刀的,而是近似地以若干条很小的直线去走刀,走刀的方向一般是x和y方向. 插补方式有:直线插补,圆弧插补,抛物线插补,样条线插补等 所谓直线插补就是只能用于实际轮廓是直线的插补方式(如果不是直线,也可以用逼近的方式把曲线用一段段线段去逼近,从而每一段线段就可以用直线插补了).首先假设在实际轮廓起始点处沿x方向走一小段(一个脉冲当量),发现终点在实际轮廓的下方,则下一条线段沿y方向走一小段,此时如果线段终点还在实际轮廓下方,则继续沿y方向走一小段,直到在实际轮廓上方以后,再向x方向走一小段,依次循环类推.直到到达轮廓终点为止.这样,实际轮廓就由一段段的折线拼接而成,虽然是折线,但是如果我们每一段走刀线段都非常小(在精度允许范围内),那么此段折线和实际轮廓还是可以近似地看成相同的曲线的-这就是直线插补.圆弧插补圆弧插补（Circula : Interpolation）这是一种插补方式，在此方式中，根据两端点间的插补数字信息，计算出逼近实际圆弧的点群，控制刀具沿这些点运动，加工出圆弧曲线。复杂曲线实时插补算法传统的 CNC 只提供直线和圆弧插补，对于非直线和圆弧曲线则采用直线和圆弧分段拟合的方法进行插补。这种方法在处理复杂曲线时会导致数据量大、精度差、进给速度不均、编程复杂等一系列问题，必然对加工质量和加工成本造成较大的影响。许多人开始寻求一种能够对复杂的自由型曲线曲面进行直接插补的方法。国内外的学者对此进行了大量的深入研究，由此也产生了很多新的插补方法。如A(AKIMA)样条曲线插补、C(CUBIC)样条曲线插补、贝齐尔(Bezier)曲线插补、PH(Pythagorean-Hodograph)曲线插补、B 样条曲线插补等。由于 B 样条类曲线的诸多优点，尤其是在表示和设计自由型曲线曲面形状时显示出的强大功能，使得人们关于自由空间曲线曲面的直接插补算法的研究多集中在它身上。321 PMAC运动控制卡1.PMAC简介PMAC（programmablemultiaxescontroller）是美国DeltaTau公司九十年代推出的开放式多轴运动控制器，它提供运动控制、离散控制、内务处理、同主机的交互等数控的基本功能。PMAC内部使用了一片MotorolaDSP56003数字信号处理芯片，它的速度、分辨率、带宽等指标远优于一般的控制器。伺服控制包括PID加Notch和速度、加速度前馈控制，其伺服周期单轴可60s，二轴联动为110s。产品的种类可从二轴联动到三十二轴联动。甚至连接MACRO现场总线的高速环网，直接进行生产线的联动控制。与同类产品相比，PMAC的特性给系统集成者和最终用户提供了更大的柔性。它允许同一控制软件在三种不同总线（PCXT和AT，VME，STD）上运行，由此提供了多平台的支持特性。并且每轴可以分别配置成不同的伺服类型和多种反馈类型。PMAC全称可编程多轴控制器（Programmable Multi-Axis Controller），是美国Delta Tau Data Systems 公司于1990年推出的基于PC机平台的开放式运动控制器。它集运动控制和PLC控制于一体，具有优秀的插补计算、伺服和I/O接口等实时控制能力，最多可控制32轴（Turbo PMAC）。板上的MACRO接口允许将诸多的PMAC卡联成环形网进行控制。它支持多种总线规范（ISA、PCI、VME和STD），同一控制软件可以不同的总线上运行，从而提供了多平台支持特性。PMAC还支持多种电机（如直流伺服电机、交流同步电机、交流异步电机、步进电机，直线电机等）和检测反馈元件（增量编码器、绝对编码器、旋转变压器、线性磁传感器等）。PMAC以Motorola 56000系列 DSP为CPU，板上的存储器用于存放系统控制软件和用户程序、I/O接口和伺服接口用于连接外部输入/输出信号和伺服电机,板上的显示接口允许连接一个240的字符液晶显示器。此卡本身就是一个NC系统可以单独使用，也可以插入PC机中，构成开放式控制系统，其硬件结构如下图所示，下表为PMAC开放式运动控制器的主要技术性能指标。图 PMAC开放式运动控制卡 表 开放式运动控制器的主要技术性能指标主要技术性能指标TURBO-PMAC控制轴数32通道结构（坐标系）16联动轴数32插补（直线、圆弧、螺旋线）有非均匀有理样条插补(NURBS)有三阶多项式插补有CPUDSP56300CPU频率(MHz)80,100程序段处理能力1000段/分预测（Look Ahead）功能有速度和加速度前馈控制有S曲线加减速控制有同步控制功能有刀具半径和长度补偿有丝杠螺距误差补偿有高速位置采集有电子齿轮和电子凸轮有编程语言RS274和类Basic语言网络接口Macro Ring直接数字驱动能力PWM直接连接放大器，可驱动各种交流、直流、步进、直线电机PLC 能力内装64个PLC（实时PLC,编译好再执行的PLC, 解释执行的PLC2.PMAC的分类PMAC卡按控制电机的控制信号来分，有1型卡和2型卡，1型卡输出10V模拟量。主要用速度方式控制伺服电机.2型卡输出PWM数字量信号,可直接变为PULSE+DIR信号来控制步进电机和位置控制方式的伺服电机。PMAC卡按控制轴数来分,有2轴卡： MINI PMAC PCI4轴卡：PMAC PCI Lite，PMAC2 PCI Lite， PMAC2A-PC/104及Clipper8轴卡：PMAC-PCI，PMAC2-PCI和PMAC2A-PC/104及Clipper32轴卡：TURBO PMAC和TURBO PMAC2PMAC卡按通讯总线形式分，有：ISA总线，PCI总线，PCI04总线，网口和VME总线。目前,PMAC各种轴数的1型和2型卡，都有上述的计算机总线方式供选择。PMAC除上述板卡形式外。还可以提供集成的系统级产品有：UMAC ADVANTAGE400 、ADVANTAGE900等，具体分类可以参考北京泰诺德公司网站。3.与各种产品的匹配（1）与不同伺服系统的连接：伺服接口有模拟式和数字式两种，能连接模拟、数字伺服驱动器，交、直流、直流无刷伺服电机伺服驱动器及步进电机驱动器。（2）与不同检测元件的连接：测速发电机、光电编码器、光栅、旋转变压器等。（3）PLC功能的实现：内装式软件化的PLC，使用类似basic的程序，可扩展到2048点I/O。（4）界面功能的实现：按用户的需求定制。（5）与IPC的通讯：PMAC提供了三种通讯手段串行方式、并行方式和双口RAM方式。采用双口RAM方式可使PMAC与IPC进行高速通信，串行方式能使PMAC脱机运行。（6）CNC系统的配置：PMAC以计算机标准插卡的形式与计算机系统共同构成CNC系统，它可以用PCXT&AT，VME，STD32或者PCI总线形式与计算机相连。PMAC可以通过储存在它自己内部的程序进行单独的操作，能自动对任务进行优先等级判别，从而使具有较高优先等级的任务比具有较低优先等级的任务能先被执行。从完整意义上讲，PMAC应被看作实时多任务的计算机。它与一台主计算机之间的通信应该被认为是一台计算机与另一台计算机的通信，而不是主计算机与它的外围设备之间的通信。这对于正确理解PMAC非常重要的。作为与一台计算机，PMAC具有以下基本功能：执行运动程序。执行PLC程序。伺服环更新。换向更新。资源管理。与主机通信运动控制卡是一种基于PC机及工业PC机、 用于各种运动控制场合（包括位移、速度、加速度等）的上位控制单元。 运动控制卡是基于PC总线，利用高性能微处理器（如DSP）及大规模可编程器件实现多个伺服电机的多轴协调控制的一种高性能的步进/伺服电机运动控制卡，包括脉冲输出、脉冲计数、数字输入、数字输出、D/A输出等功能，它可以发出连续的、高频率的脉冲串，通过改变发出脉冲的频率来控制电机的速度，改变发出脉冲的数量来控制电机的位置，它的脉冲输出模式包括脉冲/方向、脉冲/脉冲方式。脉冲计数可用于编码器的位置反馈，提供机器准确的位置，纠正传动过程中产生的误差。数字输入/输出点可用于限位、原点开关等。库函数包括S型、T型加速，直线插补和圆弧插补，多轴联动函数等。产品广泛应用于工业自动化控制领域中需要精确定位、定长的位置控制系统和基于PC的NC控制系统。具体就是将实现运动控制的底层软件和硬件集成在一起，使其具有伺服电机控制所需的各种速度、位置控制功能,这些功能能通过计算机方便地调用。现国内外运动控制卡公司有美国的GALIL、PAMAC，英国的翠欧，台湾的台达、凌华、研华，国内的雷赛、固高、乐创、众为兴等。运动控制卡的出现主要是因为：（1）为了满足新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求；（2）在各种工业设备（如包装机械、印刷机械等）、国防装备（如跟踪定位系统等）、智能医疗装置等设备的自动化控制系统研制和改造中，急需一个运动控制模块的硬件平台；（3）PC机在各种工业现场的广泛应用，也促使配备相应的控制卡以充分发挥PC机的强大功能。运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速DSP作为运动控制核心，大多用于控制步进电机或伺服电机。一般地，运动控制卡与PC机构成主从式控制结构：PC 机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作（ 例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等）；控制卡完成运动控制的所有细节（包括脉冲和方向信号的输 出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等）。运动控制卡都配有开放的函数库供用户在DOS或Windows系统平台下自行开发、构造所需的控制系统。因而这种结构开322翠欧运动控制卡1翠欧运动控制器MC464(P860)MC464是TRIO公司最新推出的一款高速高精度运动控制器，其采用国际先进的64位处理器实现了高精度的控制运算，400MHz主频及200MHz DDR内存使的运算速度更快，确保对各个轴的基准控制。可以使客户生产效率达为提高，产品质量得到稳定保障，迅速与您的竞争对手拉开差距，同时客户可以根据自己需要，自由选择任何厂家伺服作为执行单元，增强自身的竞争力，使您的愿望尽早在市场上展现，并能使客户降低整个生产环节成本。特点概述：1， 高可靠性设计及测试，确保客户应用稳定可靠。2，单个CPU支持轴数最多，可以支持64 轴控制。3，CPU为64位支持轴数，400MHz主频及200MHz DDR内存使程序运行速度更快， 运算精度更为精准。4，模块化设计，各种控制接口可以灵活转换。5，数字总线式驱动能力，支持SERCOS II, SLM,PanasonicRealTimeExpress,以及EtherCat(正在开发中）等各类总线接口的伺服驱动连接。6，丰富的通讯接口设计，支持EtherNetIP, Modbus TCP/IP, CanOpen Master,DeviveNetSlave, CC-Link, Profibus, Profinet I/O, Modbus_RTU等各种网络通讯协议，方便与客户系统实现无缝连接。7， 内置SD卡接口，方便程序下载，保存各种历史记录，满足客户对文件操作的各种需要。8，丰富的运动控制功能，可满足99%的客户需求9，丰富的编程语言能力，支持TrioBasic以及符合IEC61131-3的各类编程语言编程，包括LD(梯形图），ST(结构化文本），IL（指令列表图）， FBD（功能块图）， SFC（顺序功能图） 和MSFC（机器顺序功能图）， 为客户快速实现应用要求提供了有效手段。2 MC302X型运动控制器智控推出TRIO翠欧运动控制器TrioMC302X，它是一款基于Trio，最新ARM处理技术的小型DIN轨道安装的运动控制器。 MC302X是一款专门为OEM设计的紧凑型控制器，其性价比极高。控制器上配置两个轴，其中第一个轴，可以通过软件配置为伺服轴或步进轴。第二轴可以配置成步进轴或参考编码器输入轴。 MC302X支持TRIOBASIC多任务编程，最多可同时运行3个进程。每个轴都可以作线性或圆弧插补、电子凸轮、电子齿轮等运动。同时支持旋转模式，两个输入还可以作为高精度的色标输入。在MC302x本体上有4个24v数字量输入，和4个双向I/O口。这些口可以作为系统的逻辑输入，同时也可以根据需要用控制器设置为高速色标，限位，零点，进给保持等输入口。通过CAN口可以对I/O口进行扩展。最多可扩展到256个。 MC302X有一个RS232编程口和一个可选的RE232/485通讯口，可作为人机交换通道。3MC206型运动控制器MC206是翠欧(Trio)公司生产的一款新型的、紧凑型的5.5轴数字运动控制器(通过SERCOS子板,最多可控制8轴)，该控制器采用32-bit 120MHz 的DSP微处理器。MC206有16个光电隔离数字式I/O(8个输入，8个双向功能的输入/输出)。每个轴都有一个高速的硬件Register功能信号输入接口，对于高精度的控制如印刷机械和包装生产线是十分适合的使用。MC206还有一个光电隔离的0到10V的模拟量输入通道。此外，I/O的数量可以扩展，通过Can总线可以连接Trio的开关量和模拟量输入模块，最多可以扩展的24V开关量通道为256个，+/-10V模拟量输入通道为32个。MC206具有广泛的通讯接口能力，在标准模块上有2个RS232串口、1个RS485接口，1个TTL形式的接口，1个USB接口和1个标准CAN接口。RS232的接口Port1或者RS485的接口Port2可以设置运行MODBUS协议，与PLC或HMI进行连接。如果CAN总线没有连接扩展I/O模块，可以选择该该口用于与其他设备进行CAN协议的通信，或者可以将该端口设置为运行DeviceNet协议，使控制器作为DeviceNet的从站设备与其它DeviceNet主站设备进行通讯。内置USB通讯接口，可以进行编程操作或通过Trio提供的ActiveX控件进行通讯操作。此外提供Profibus通讯子板，使控制器在Profibus网络中做从站使用。MC206x还提供一个FlashStick内存条的接口，用户可以直接通过FlashStick进行传导程序，而不用连接PC机。这样给OEM客户提供了一种复制和维护简便的方式。4MC224运动控制器运动控制器MC224是Trio公司目前功能最强大的组合式的运动伺服控制器。通过插入合适的“轴板（具有轴控制功能的子板），实现对伺服或步进轴的控制，根据应用的需要，这些子板可以是伺服与步进方式的任意组合。如果利用数字总线连接的方式（SERCOS总线），可以最多达对24个轴的控制；如果是通过传统的模拟量指令输出+编码器反馈的方式，可以实现最多对16个轴的控制。该控制器外部