机器人伺服控制系统及应用技术第7章 运动控制器

机器人伺服控制第七章运动控制器运动控制（MotionControl）：在复杂条件下将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制区别于过程控制（ProcessControl）一种大系统控制，控制对象比较多，可以想象为过程控制是对一条生产线的控制，运动控制是生产线内某个部件的具体控制快速区分方法：凡事涉及到电机拖动，目的是电机运动的都是运动控制，而整体系统控制，为达到稳定系统的都是过程控制！运动控制器广义运动控制范围速度控制：电力拖动，变频器位置控制：步进电机，伺服电机，直线电机数控系统机械手系统其他专用系统通用运动控制（狭义的运动控制）运动控制器专用运动控制系统数控系统：车床，铣床，磨床，加工中心机械手系统缝纫机系统绣花机系统数控雕刻系统激光切割系统打标机系统机器人系统运动控制器通用运动控制运动控制PLC：功能少或价格高昂通用运动控制器：国外品牌为主运动控制卡：需要工控电脑，插卡易松动运动控制器运动控制器就是控制电动机的运行方式的专用控制器如电动机在由行程开关控制交流接触器而实现电动机拖动物体向上运行达到指定位置后又向下运行，或者用时间继电器控制电动机正反转或转一会停一会再转一会再停为什么需要通用运动控制？非标自动化设备年全国需求量在万套以内的同类设备不同类型的要求设备工艺千奇百怪时间成本是最大的成本，采用中间件而不是从最底层开始构建流水线和工业4.0最小代价实现产品的不断升级换代运动控制器主要内容contents7.2运动控制器7.3PMAC运动控制卡运动控制器7.1运动控制系统7.4驱控一体化技术7.1运动控制系统定义以电机、液压马达等为主要控制对象以控制器为核心以功率变换装置、电液伺服阀为执行机构在自动控制理论指导下组成的自动控制系统运动控制系统方框图7.1运动控制系统以运动机构作为控制对象的自动控制系统输出量（被控量）是速度、位移等参数从运动控制系统的能量提供方式和传动方式来分类主要有液压传动系统、气压传动系统和电气传动系统三种基本类型运动控制系统方框图7.1运动控制系统运动控制系统发展历史液压传动的运动控制系统历史悠久。从17世纪中叶帕斯卡提出静压的传递原理算起，液压传动已有三百多年的历史，但真正用于工业生产是在19世纪20世纪初，美国人Janney将矿物油引入液体传动作为传动介质，并设计制造了第一台轴向柱塞泵及其液压驱动装置在第二次世界大战期间，由于武器工业的需要，在很多车辆、舰船、航空、兵器设备上都采用了反应快、动作准、功率大的液压传动的运动控制装置战后，液压传动技术迅速转向民用领域，在机床、工程机械、汽车等行业逐步推广，并得到了长足的发展7.1运动控制系统运动控制系统发展历史气压传动技术出现在19世纪初，1829年出现了多级空气压缩机，为气压传动的发展创造了条件1871年，气压风镐在采矿业上开始应用。美国人G.威斯汀豪斯在1868年发明了气动制动装置并于1872年应用于铁路车辆的制动20世纪后，随着武器、机械、化工等工业的发展，气动元器件和气压传动的运动控制系统得到广泛的应用20世纪50年代研制成功用于导弹尾翼控制的高压气动伺服机构20世纪60年代，射流和气动逻辑元件的发明使气压传动更加如虎添翼，在工程上有了很大发展7.1运动控制系统运动控制系统发展历史电气传动的运动控制系统是在电机发明之后发展起来的1831年，法拉第，电磁感应定律1832年，斯特金，直流电动机1886年，特斯拉，两相交流电动机1888年，多里沃·多勃罗沃尔斯基，三相感应电动机20世纪中叶以前，在工业领域形成了直流调速和伺服系统一统天下的局面，交流电动机只是用在大功率驱动场合随着交流电机理论和控制理论的快速发展，交流电机运动控制系统的成本逐步降低，性能逐步提高，直流调速系统正在被其取代7.1运动控制系统运动控制系统发展历史液、电、气三种传动方式相互配合，取长补短，形成了混合式的运动控制系统电-液伺服系统兼有液压传动的输出功率大、反应速度快的优点和电气控制的操作性控制性良好、自动化程度高的优点电-气伺服系统成本低、对环境要求不高且易于计算机控制，在实现汽缸在目标位置定位等方面的控制上显示了特有的控制效果和功能气-液混合控制系统在很大程度上改善气-液系统的性能7.1运动控制系统运动控制系统发展历史运动控制系统发展经历从直流到交流，从开环到闭环，从模拟到数字，直到基于PC的伺服控制网络系统和基于网络的运动控制的发展过程从运动控制器件的发展看，大致经历下列阶段阶段分类主要技术特征早期模拟步进控制器+步进电机+电液脉冲马达20世纪70年代直流模拟基于微处理器技术的控制器+大惯量直流电机20世纪80年代交流模拟基于微处理器技术的控制器+模拟式交流伺服系统20世纪90年代数字化初级数字/模拟/脉冲混合控制通用计算机控制器+脉冲控制式数字交流伺服系统21世纪至今全数字化基于PC的控制器+网络数字通信+数字伺服系统7.1运动控制系统运动控制关键技术精密机械技术机械技术是运动控制的技术基础运动控制中，机械结构更简单，功能更强，一些新机构、新原理、新材料和新工艺被应用，能够满足对各种应用的需要，既提高精度和刚度，又改善性能，例如，体积缩小，重量降低，性价比提高等7.1运动控制系统运动控制关键技术传感检测技术运动控制技术需要对位置、速度、加速度等检测，组成反馈回路，实现伺服控制系统对传感检测技术提出更高要求，例如，高精度检测，快速检测和苛刻环境条件检测等7.1运动控制系统运动控制关键技术计算机与信息处理技术运动控制中涉及大量运动信息，因此，除了这些信息的检测传送外，还涉及计算机与信息处理的大量工作如信息的交互、运算、判断、决策等。与过程控制中采用集散控制系统不同，它对信息处理时间要求更高，对信息实时性和交互要求更高7.1运动控制系统运动控制关键技术自动控制技术在过程控制中，控制理论是基础。同样，在运动控制中，控制理论也是基础由于被控对象不同，并且大量伺服系统的电动机是非线性被控对象。因此，高精度位置控制、轨迹控制、同步控制等都需要控制理论用于指导7.1运动控制系统运动控制关键技术伺服驱动技术伺服驱动技术是在控制器输出指令下，控制驱动元件使其按照指令要求运动，因此，需要满足运动过程动态响应等性能指标由于不同的伺服驱动方式有不同的动态性能，因此，对DC伺服、AC伺服、步进等电动机和变频技术等有更高要求。而伺服技术则从DC伺服转向AC伺服。全闭环交流伺服驱动技术、直线电机驱动技术等已经显现其优势7.1运动控制系统运动控制关键技术系统总体技术运动控制技术是对整个运动系统的控制，因此，既要将运动控制系统分解为各自自治又相互交互的单元，又要在总体性能要求下兼顾各个个体性能。只有这样，才能使设计的运动控制系统具有良好的性价比，满足应用要求7.1运动控制系统系统组成一般由控制器、功率放大器与变换装置（通常是驱动器）、电动机、负载，及相关的传感器等组成7.1运动控制系统系统组成一般由控制器、功率放大器与变换装置（通常是驱动器）、电动机、负载，及相关的传感器等组成三大部分：电机部分，功率变换部分，控制器电机部分：直流电机、交流电机功率变换部分：可控整流、直流斩波、逆变等控制器部分：PID控制（单环，多环）、工程设计、自适应控制、模糊控制、智能控制、矢量控制、直接转矩控制等7.1运动控制系统系统组成一般由控制器、功率放大器与变换装置（通常是驱动器）、电动机、负载，及相关的传感器等组成控制器下达指令，通过驱动器转化为能够运行电机的电流，驱动电机旋转，带动工作机械运行。同时，电机上的传感器经过信号处理将电机的实时信息反馈给控制器，控制器实时调整，从而保证整个系统的稳定运转7.1运动控制系统系统组成系统中控制方案采用PLC进行控制，目前市场上的大部分PLC都是支持运动控制的，大部分PLC可以扩展到32轴，根据驱动器类型可以采用脉冲控制、总线控制或模拟量控制采用运动控制卡控制，运动控制卡是专门进行运动控制的一种控制器，可以进行多达256轴的控制，运动控制卡需要PC编程采用运动控制器控制，与运动控制卡不同之处在于，可以脱离PC电脑的束缚，编写完程序下载到控制器里，即可直接对驱动器进行控制7.1运动控制系统系统组成系统中控制方案PLC的专长在于逻辑IO控制，实现一些复杂的逻辑控制都很容易。对于运动控制，一般低端的PLC主要是通过高速输出点来进行脉冲控制，中高端PLC一般会通过总线的方式来进行控制，常用的总线包括Profinet、EtherCAT、CC-Link等PLC具有工作可靠，编程简单等优点，其运动控制功能相对简单PLC的应用过程中主要通过PLC+HMI，目前基于PLC的上位机应用也越来越广泛7.1运动控制系统系统组成系统中控制方案运动控制卡通过PCI插槽将控制卡插在PC的主机上，也可通过以太网连接到PC主机上利用高级编程语言C++、C#、VB、VB.NET、labview等编程语言进行开发；编程中使用运动控制卡厂商提供的控制卡API接口函数，来实现对控制卡资源的使用运动控制卡可利用PC强大的功能，如CAD功能、机器视觉功能、软件高级编程等；利用FPGA+DSP/ARM+DSP芯片的功能实现高精度的运动控制（多轴直线、圆弧插补等，运动跟随，PWM控制等）7.1运动控制系统系统组成系统中控制方案运动控制器和运动控制卡的算法几乎一样，它们之间的主要区别在于运动控制卡需要依赖于PC编程，而运动控制器可以直接写程序并下载，这样就可以脱机运行PLC相对来说更偏向于逻辑控制，而弱化运动控制，而运动控制卡、运动控制器更偏向于运动控制，而弱化逻辑控制，同时，运动控制卡和运动控制器对开发人员的门槛也要相对高一些7.1运动控制系统系统组成系统中控制方案7.1运动控制系统PLC7.1运动控制系统EtherNET运动控制卡7.1运动控制系统EtherCAT总线运动控制卡7.1运动控制系统EtherCAT运动控制器7.1运动控制系统运动控制算法指如何控制一个目标运动轨迹的算法，控制算法通常内置在运动控制硬件中，实际应用的时候，通过发送命令给控制硬件完成多个电机的协调运动通常的运动控制算法有加减速控制、插补运动、轨迹前瞻等插补最常见的两种方式是直线插补和圆弧插补，插补运动至少需要两个轴参与，进行插补运动时，将规划轴映射到相应的机台坐标系中，运动控制器根据坐标映射关系，控制各轴运动，实现要求的运动轨迹。插补运动指令会存入运动缓冲区，再依次从运动缓冲区中取出指令执行，直到插补运动全部执行完7.1运动控制系统直线插补直线插补方式中，两点间的插补沿着直线的点群来逼近假设轴需要在在XY平面上从点(X0,Y0)运动到点(X1,Y1)，其直线插补的加工过程如图所示7.1运动控制系统圆弧插补与直线插补类似，给出两端点间的插补数字信息，以一定的算法计算出逼近实际圆弧的点群，控制轴沿这些点运动，加工出圆弧曲线可以是平面圆弧(至少两个轴)，还可以是空间圆弧(至少三个轴)假设轴需要在XY平面第一象限走一段逆圆弧，圆心为起点控制器的空间圆弧插补功能是根据当前点和圆弧指令参数设置的终点和中间点(或圆心)，由三个点确定圆弧，并实现空间圆弧插补运动，坐标为三维坐标，至少需要三个轴分别沿X轴、Y轴和Z轴运动7.2运动控制器高性能工业机器人作为核心装备，一直被国外品牌垄断，而运动控制器的自主可控一直是国产机器人领域的一大痛点作为工业机器人的核心技术之一，运动控制器在机器人执行过程中起到控制机器人运动的关键作用，被称为制造装备的“心脏”和“大脑”，是“智能制造”的基础，也是连接“智能”与“制造”的桥梁作为我国亟待攻克的35项核心技术之一，工信部将控制器列为我国需要着力补齐的关键技术短板之一，纳入《工业强基工程实施指南（2016-2020）》“一条龙”应用计划机械工程专家谭健荣院士也表示：机器人引领智能制造，核心控制器是机器人的核心技术之一，是中国最需要突破的领域7.2运动控制器运动控制器从广义上来说就是数控装置，是一个典型现代运动控制系统的核心组成部分。数控技术的发展趋势就是采用运动控制器的开放式数控系统运动控制器为运动控制的实现提供一个平台基础，在这个平台上可以方便地对单个或多个电机进行协调控制以实现复杂的运动轨迹运动控制器由硬件和软件两部分集成硬件即工业控制板卡，包括主控单元、信号处理等部分软件是控制算法目前国内的运动控制器生产商提供的产品大致可以分为三类以单片机或微机处理器作为核心控制器大多由MCS-51系列或MCS-96系列为代表的单片机作为核心控制单元，加上位置检测、信号处理、AD/DA转换等外围电路以及相应的软件控制算法所构成，一般只具有点位和简单的连续轨迹控制功能这类运动控制器速度较慢，精度不高，成本相对较低在只需要低速点位运动控制和轨迹要求不高的轮廓运动控制场合应用7.2.1运动控制器的分类目前国内的运动控制器生产商提供的产品大致可以分为三类以专用芯片作为核心处理器将实现电机控制所需的一些特有功能（如加减速控制、直线插补、圆弧插补、PID算法、编码器信号处理等）固化在一块集成电路芯片内，并以该芯片作为控制核心，提供一些运动控制专用指令和硬件接口结构比较简单，但只能输出脉冲信号，工作于开环控制方式这类控制器对单轴的点位控制场合是基本满足要求的，但对于要求多轴协调运动和高速轨迹插补控制的设备，这类运动器不能满足要求。由于这类控制器不能提供连续插补功能，也没有前瞻功能，特别是对于大量的小线段连续运动的场合，不能使用这类控制器7.2.1运动控制器的分类目前国内的运动控制器生产商提供的产品大致可以分为三类基于PC总线的以DSP和FPGA作为核心处理器以数字信号处理器DSP（DigitalSignalProcessor）芯片为控制核心，采用FPGA芯片以硬件可编程的形式实现编码器反馈、插补以及其它逻辑控制功能依托DSP芯片强大的数据处理和计算能力以及FPGA超强的逻辑处理能力，可以提供多轴协调控制、复杂轨迹规划、实时插补运算、伺服闭环控制算法、误差补偿和PLC控制等功能采用FPGA技术进行硬件设计，提高了产品灵活性、集成度和可靠性，方便运动控制器供应商根据客户的技术和工艺要求定制个性化产品，同时还具有很好的加密性7.2.1运动控制器的分类目前国内的运动控制器生产商提供的产品大致可以分为三类基于PC总线的以DSP和FPGA作为核心处理器以PC机作为信息处理平台，通过总线（如PCI、USB、工业以太网等）相接，运动控制器以插卡形式嵌入PC机，即“PC+运动控制器”的模式将PC机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机结合在一起，具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点7.2.1运动控制器的分类7.2.2运动控制器主要功能运动规划功能形成运动的速度和位置的基准量。通用运动控制器通常都提供基于对冲击、加速度和速度等这些可影响动态轨迹精度的量值加以限制的运动规划方法，用户可以直接调用相应的函数

对于加速度进行限制的运动规划产生梯形速度曲线；对于冲击进行限制的运动规划产生S形速度曲线一般来说，对于数控机床而言，采用加速度和速度基准量限制的运动规划方法，就已获得一种优良的动态特性对于高加速度、小行程运动的快速定位系统，其定位时间和超调量都有严格的要求，往往需要高阶导数连续的运动规划方法7.2.2运动控制器主要功能多轴插补、连续插补功能通用运动控制器提供的多轴插补功能在数控机械行业获得广泛的应用。近年来，由于雕刻市场，特别是模具雕刻机市场的快速发展，推动了运动控制器的连续插补功能的发展。在模具雕刻中存在大量的短小线段加工，要求段间加工速度波动尽可能小，速度变化的拐点要平滑过渡，这样要求运动控制器有速度前瞻和连续插补的功能7.2.2运动控制器主要功能电子齿轮与电子凸轮功能电子齿轮和电子凸轮可大大地简化机械设计，而且可以实现许多机械齿轮与凸轮难以实现的功能。电子齿轮可以实现多个运动轴按设定的齿轮比同步运动，这使得运动控制器在定长剪切和无轴转动的套色印刷方面有很好地应用电子齿轮功能还可以实现一个运动轴以设定的齿轮比跟随一个函数，而这个函数由其他的几个运动轴的运动决定；一个轴也可以以设定的比例跟随其他两个轴的合成速度电子凸轮功能可以通过编程改变凸轮形状，无需修磨机械凸轮，极大简化了加工工艺。这个功能使运动控制器在机械凸轮的淬火加工、异型玻璃切割和全电机驱动弹簧等领域有良好的应用7.2.2运动控制器主要功能比较输出功能指在运动过程中，位置到达设定的坐标点时，运动控制器输出一个或多个开关量，而运动过程不受影响如在AOI的飞行检测中，运动控制器的比较输出功能使系统运行到设定的位置即启动CCD快速摄像，而运动不受影响，这极大地提高了效率，改善了图像质量7.2.2运动控制器主要功能探针信号锁存功能可以锁存探针信号产生的时刻，各运动轴的位置，其精度只与硬件电路相关，不受软件和系统运行惯性的影响，在CCM测量行业有良好应用越来越多的OEM厂商希望他们自己丰富的行业应用经验集成到运动控制系统中去，针对不同应用场合和控制对象，个性化设计运动控制器的功能7.2.3运动控制器的控制形式运动控制器的控制形式点位运动控制：即仅对终点位置有要求，与运动的中间过程即运动轨迹无关。相应的运动控制器要求具有快速的定位速度，在运动的加速段和减速段，采用不同的加减速控制策略在加速运动时，为了使系统能够快速加速到设定速度，往往提高系统增益和加大加速度在减速的末段采用s曲线减速的控制策略为了防止系统到位后震动，规划到位后，又会适当减小系统的增益点位运动控制器往往具有在线可变控制参数和可变加减速曲线的能力运动控制器的控制形式连续轨迹运动控制：该控制又称为轮廓控制，主要应用在传统的数控系统、切割系统的运动轮廓控制。相应的运动控制器要解决的题目是如何使系统在高速运动的情况下，既要保证系统加工的轮廓精度，还要保证刀具沿轮廓运动时的切向速度的恒定同步运动控制：是指多个轴之间的运动协调控制，可以是多个轴在运动全程中进行同步，也可以是在运动过程中的局部有速度同步，主要应用在需要有电子齿轮箱和电子凸轮功能的系统控制中。产业上有印染、印刷、造纸、轧钢、同步剪切等行业。相应的运动控制器的控制算法常采用自适应前馈控制，通过自动调节控制量的幅值和相位，来保证在输进端加一个与干扰幅值相等、相位相反的控制作用，以抑制周期干扰，保证系统的同步控制7.2.3运动控制器的控制形式7.2.4基于DSP+FPGA的分布式多轴运动控制器背景目前市场上的运动控制器种类繁多，但是结构都比较复杂，并且拥有大量的硬件部分，没有能够充分利用计算机资源，仅功能简单的运动控制器便达到上千的价格大多数运动控制器采用固化设计，不能进行及时更新，适用性低。并且很多运动控制器采用的是集中控制模式，只能工作于固定操作系统上，不能做到裸机运行，使得运动控制器应用性和适应性降低研究实现结构紧凑，能够进行快速更新，能够裸机运行的分布式运动控制器很有必要分布式运动控制器后续还能通过EtherCAT主从站设计将目前的三轴协同运动扩展为n轴协同运动，进一步提升其工作性能设计需求能够实现多轴运动，具有良好的分布式性能能够解释上位机发出的运动控制命令根据运动控制命令实现直线插补、圆弧插补和螺旋插补插补前对运动轴的速度进行规划，并能够获得位置、速度的反馈信息，形成闭环控制能够监测运动轴的运行状态7.2.4基于DSP+FPGA的分布式多轴运动控制器分布式多轴运动控制器总体方案设计选用DSP+FPGA作为多轴运动控制器的处理器，这样既可以利用DSP的高速数据运算处理能力，也可以利用FPGA实现很好的扩展工控机通过总线方式连接运动控制器，使得可以同时控制多个运动控制器，实现分布式功能。运动控制器接受工控机发出的运动控制命令，并且按照命令生成脉冲。运动轴在运动过程中，运动控制器要监测其运动状态，使得能够对错误进行及时处理7.2.4基于DSP+FPGA的分布式多轴运动控制器分布式多轴运动控制器总体方案设计根据功能需求，分布式多轴运动控制器分硬件电路模块和软件功能模块硬件电路模块包括DSP电路模块，FPGA电路设计DSP具有快速实时计算的特点，所以DSP负责数据的运算处理任务FPGA能够实现逻辑连接，可以用于控制驱动装置，控制轴的运动，主要负责脉冲生成，在生成脉冲的同时，对脉冲进行计算，将计数结果进行反馈，形成位置信息和速度信息反馈FPGA还负责检测运动轴的运行状态，并且对监测到的状态及时反馈7.2.4基于DSP+FPGA的分布式多轴运动控制器分布式多轴运动控制器总体方案设计根据功能需求，分布式多轴运动控制器分硬件电路模块和软件功能模块软件模块分为两部分，通信程序和轨迹实现程序迹实现程序中的G代码解释模块需要解释运动控制命令，获得运动学信息轨迹规划负责轨迹坐标计算、速度规划计算插补周期内的加速度和速度。要完成以上三个功能，需要大量的计算7.2.4基于DSP+FPGA的分布式多轴运动控制器分布式多轴运动控制器总体方案设计运动控制器硬件电路架构运动控制器的硬件电路主要是DSP核心电路和FPGA辅助电路设计对于数据读取，可以通过共用寄存器的方式实现。通过该种方式，FPGA就能从DSP读取数据，同时DSP也能获得FPGA中的反馈信息分布式多轴运动控制器硬件电路架构图7.2.4基于DSP+FPGA的分布式多轴运动控制器分布式多轴运动控制器总体方案设计运动控制器器件型号选择为实现闭环控制，需要将各个轴的位置信息和速度信息进行反馈，因此每个轴总共需要4个寄存器进行数据存储。如果选用的寄存器为16位寄存器，三个轴则需要12个16位寄存器。另外还需要2个16位寄存器作为命令寄存器，存储各轴的运动方向、加减速方向和实现置位，并且状态寄存器和命令寄存器公用同样的寄存器，所以运动控制器总共需要14个16位寄存器。为了能很好地实现运动控制器的扩展，还应该预留更多的寄存器以满足要求，所以选择的DSP应该至少具有16个16位寄存器7.2.4基于DSP+FPGA的分布式多轴运动控制器分布式多轴运动控制器总体方案设计运动控制器器件型号选择选用ADI公司的BF518作为运动控制器的DSP，含两个16位乘法器，2个40位累加器目前市面上的FPGA多为Altera公司和Xilinx公司生产的产品，这两家公司根据不同的应用环境设计了各样的FPGA，运动控制器中的FPGA主要进行数字信号处理和简单逻辑设计，并不需要进行高速数字信号采集，也不需要进行通信系统方面的设计，所以选择Altera公司的CycloneIII7.2.4基于DSP+FPGA的分布式多轴运动控制器分布式多轴运动控制器总体方案设计运动控制器软件功能设计运动控制器软件部分包括通信程序和轨迹实现程序工控机可以通过通信程序连接多个运动控制器，使得工控机可以通过总线控制多个运动控制器，实现分布式功能轨迹生成程序负责轨迹生成，并将生成的轨迹分别分配给单个轴，通过多轴的协同运动实现轨迹合成，这样可以实现轨迹生成7.2.4基于DSP+FPGA的分布式多轴运动控制器分布式多轴运动控制器总体方案设计分布式多轴运动控制器硬件电路设计与实现包括DSP核心电路，FPGA辅助电路设计两个部分DSP负责数据的运算，FPAG需要将运算出来的位置信息和速度信息转变成脉冲信号，所以DSP要能完成对FPGA的读写操作分布式多轴运动控制器硬件电路功能图7.2.4基于DSP+FPGA的分布式多轴运动控制器分布式多轴运动控制器总体方案设计分布式多轴运动控制器轨迹实现模块设计轨迹实现程序主要包括G代码解释模块，负责解释上位机的运动控制命令，并将解释好的轨迹段添加到轨迹队列中加减速算法根据轨迹类型和起点、终点信息计算出每个插补周期需要的加速度、速度轨迹规划算法将预设的轨迹离散成轨迹点，然后利用速度规划计算出来的速度计算轨迹点的坐标速度前瞻实现衔接速度的计算，减少电机的启动频率，可以减小对电机造成的冲击，提高控制精度7.2.4基于DSP+FPGA的分布式多轴运动控制器分布式多轴运动控制器总体方案设计系统测试与分析测试平台包括PC机、运动控制器、3个雷赛公司的M542C驱动器、3个57HS22步进电机7.2.4基于DSP+FPGA的分布式多轴运动控制器运动控制卡主要功能是根据工程需求及系统工作中所接收的系统信号，为完成预期任务进行的数字预算和逻辑运算，最终提供控制信号为电机的控制与其它执行装置的控制提供参考的装置目前，市场上比较常见的运动控制卡包括美国DeltaTau公司生产的PMAC运动控制卡，美国Gailio公司生产的Gailio运动控制卡，英国翠欧公司生产的Trio运动控制卡国内，1999年成立的深圳固高公司为国内首家通用运动控制器厂家，其它代表公司有深圳众为兴、成都步进机电等7.3PMAC运动控制卡基于运动控制卡的运动控制系统典型结构图7.3PMAC运动控制卡7.3PMAC运动控制卡programmablemulti－axescontroller美国DeltaTau公司九十年代推出的开放式多轴运动控制器，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采用Motorola56系列高性能DSP处理器来完成各轴运动控制中所有计算伺服控制包括PID加Notch和速度、加速度前馈控制，其伺服周期单轴可达60μs，二轴联动为110μs产品的种类可从二轴联动到三十二轴联动允许同一控制软件在三种不同总线（PC－XT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7.3PMAC运动控制卡programmablemulti－axescontroller按控制电机的控制信号有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7.3.1PMAC运动控制卡分类按通讯总线形式ISA总线PCI总线PCI04总线网口VME总线7.3.1PMAC运动控制卡分类按控制轴数2轴卡：MINIPMACPCI4轴卡：PMACPCILite，PMAC2PCILite，PMAC2A-PC/104及Clipper8轴卡：PMAC-PCI，PMAC2-PCI和PMAC2A-PC/104及Clipper32轴卡：TURBOPMAC和TURBOPMAC27.3.1PMAC运动控制卡分类PMAC系列运动控制器基本功能可以提供离散控制功能可以提供内务处理功能可以提供同主机交互的功能可以进行资源管理，保证系统运行正常可以为多向电机提供换相运动可以对每台电机提供一个固定频率的伺服更新服务可以提供运动控制功能7.3.2PMAC运动控制卡特点有很大的柔性和灵活性可以连接从1到32个轴的直线或旋转伺服、步进或液压马达可扩展多路模拟和数字I/O接口，连接不同类型的编码器反馈控制指令可以提供PFM（脉冲&方向）直接输出、模拟(+/-10V)和数字（直接PWM）三种形式输出采用多种总线形式实现和上位机的通讯连接，如ISA、PCI、USB、RS232/422、VME、以太网等，还可以连接DeviceNet、MACRO等现场总线构成的高速环网，直接进行生产线的联动控制7.3.2PMAC运动控制卡特点采用直观的运动系统编程语言使用简单的命令语句，如WHILE、IF和ELSE等移动命令可以用简单的轴字母（如X、Y、Z等）编辑，移动距离可以使用英寸、角度、毫米或其它单位定义PMAC提供PLC逻辑控制功能用户可以根据控制需要，编写相应的PLC控制程序，既可以独立运行，也可和运动控制程序同时运行，简化了与运动程序同步的I/O执行过程7.3.2PMAC运动控制卡特点PMAC控制卡变量（I、P、Q、M四大类变量）I变量为初始化变量，用于设定运动控制卡的性能。每个I变量能对指定编号电机完成初始化设定，从I0至I1023共有1024个，基本为整形变量且在存储器中的位置固定P、Q变量通用变量，主要在运算中进行赋值操作，同时传送信息。Q变量可以在不同的坐标系统中进行使用，P变量则可以存在于整个控制系统。各自都有1024个，均为48位浮点变量，使用前不需设定M变量可访问运动控制卡的内存和I/O点地址，只需在线定义一次即可，通过读写操作，完成I/O口和电机当前、理论位置等操作。定义好后，能实现计算和判别触发，有1024个7.3.2PMAC运动控制卡特点7.3.3基于PMAC运动控制卡的运动控制系统PMAC构成的运动控制系统

任务处理流程：在运行中自动对任务优先级进行判别，优先执行高优先级别的任务，同时低优先级的任务也能得到合理、快速地执行同上位机通讯从串行端口或主机总线端口输入或输出单字符享有最高的优先级，即PMAC会优先响应主机发来的命令换向更新对多相电机，PMAC自动以固定的频率（默认为9KHz左右）进行换向更新。换向更新为电流环控制，在一个相位周期内对需要换相的电机进行换相计算7.3.3基于PMAC运动控制卡的运动控制系统任务处理流程：在运行中自动对任务优先级进行判别，优先执行高优先级别的任务，同时低优先级的任务也能得到合理、快速地执行伺服更新运行过程中，以固定的频率（默认为2KHz左右）进行伺服更新，称之为伺服周期伺服环更新的频率越快，则运动控制性能越高，但同时也意味着运动控制器的CPU要有更快的运算速度7.3.3基于PMAC运动控制卡的运动控制系统任务处理流程：在运行中自动对任务优先级进行判别，优先执行高优先级别的任务，同时低优先级的任务也能得到合理、快速地执行实时中断当实时中断产生后，可以在伺服环更新之后立即得到应答。实时中断周期由变量I8控制，每I8+1个伺服中断周期产生一次实时中断在响应实时中断时，PMAC处理以下两项任务，一是执行PLC0和PLCC0PLC程序，二是进行运动轨迹规划7.3.3基于PMAC运动控制卡的运动控制系统任务处理流程：在运行中自动对任务优先级进行判别，优先执行高优先级别的任务，同时低优先级的任务也能得到合理、快速地执行后台任务在完成以上应答之后剩余的时间，PMAC将会运行后台任务这些任务从高优先级到低优先级依次是：跟随误差限制、硬件/软件超限控制、伺服器故障、更新看门狗定时器、PLC1-31（一次执行一个程序）、PLCC1-31（一次扫描所有程序）7.3.3基于PMAC运动控制卡的运动控制系统7.3.3基于PMAC运动控制卡的运动控制系统六自由度垂直串联型实验机器人主要参数为结构类型为串联6模块负载能力0.5kg重复定位精度为±0.8mm最大展开半径为485mm7.3.3基于PMAC运动控制卡的运动控制系统六自由度垂直串联型实验机器人模块1采用步进电机驱动，谐波减速器传动，末端作旋转运动模块2采用伺服电机驱动，谐波减速器传动，末端作回转运动模块3采用步进电机驱动，同步带减速传动连接谐波减速器输出，末端作回转运动模块4采用步进电机驱动，蜗轮蜗杆传动输出结构，末端作旋转运动模块5采用步进电机驱动，直连行星齿轮减速器，同步带传动，末端作回转运动模块6采用步进电机驱动，锥齿轮减速传动，末端作旋转运动7.3.3基于PMAC运动控制卡的运动控制系统硬件系统结构图7.3.3基于PMAC运动控制卡的运动控制系统TurboPMAC2-Eth-Lite控制器7.3.3基于PMAC运动控制卡的运动控制系统PMAC系统结构框图上位机与PMAC控制卡的连接开机电源采用6A@5V(15W)的独立电源，这样可使A和D两模块之间形成光电隔离，互不干扰后台任务使用交叉网线通过J14（以太网通讯）接口与PC机连接，若PC机带有串口接口，也可采用串行接口(JRS232)进行连接，Clipper串口(IDC-10)连接PC串口(DB9公头)接线7.3.3基于PMAC运动控制卡的运动控制系统PMAC控制卡与电机驱动器的连接DTC-8B四通道转接接口板通过两根扁平电缆（标准34线和50线）分别接到Clipper的J3（JMACH1）及J4(JMACH2)JMACH1包含4个通道设备I/O：放大器错误（FAULTn）、使能信号(AENAn/DIRn)、模拟量输出、增量式编码器输入以及供电接口JMACH2含4个通道设备I/O：限位输入标志（PLIMn、MLIMn）、回零标志（HOMEn）、脉冲&方向（PUL&DIR）输出信号和用户输入（USERn）7.3.3基于PM