运动控制系统（第2版新形态版）课件 第八章 运动控制器的硬件和软件

1运动建模与控制系统设计

第八章运动控制器的硬件和软件Ch.8SoftwareAndHardwareOfMotionControllerModelingandControlSystemDesignofMotion3学时2

目录运动控制器类型基于微处理器的直流伺服电动机驱动器案例基于DSP的全数字直流伺服电动机控制系统案例数控机床运动控制系统工业机器人控制器案例操作系统现场总线小结38.1运动控制器类型图8.1典型单片机示例8.1.1单片机(MicrocontrollerUnit，MCU)单片微型计算机简称单片机，是最早用于运动控制器的微处理器，也是典型的微控制器。48.1运动控制器类型8.1.2PLC(ProgrammableLogicController)可编程逻辑控制器采用可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令。图8.2典型PLC示例58.1运动控制器类型8.1.3ARM(AdvancedRISCMachines)ARM处理器采用RISC指令集，本身是32位设计，但也配备16位指令集。ARM微处理器支持两种指令集：ARM指令集和Thumb指令集。图8.3Arm-based微控制器示例68.1运动控制器类型8.1.4DSP图8.4典型的DSP示例78.1运动控制器类型(a)采用冯.诺依曼结构的处理器88.1运动控制器类型(b)从存储器取指令的过程98.1运动控制器类型(c)指令流的定时关系图8.5处理器体系机构108.1运动控制器类型(a)哈佛结构118.1运动控制器类型(b)指令时序图图8.6哈佛结构（1）哈佛结构和改进的哈佛结构DSP芯片采用哈佛结构（HarvardArchitecture）或改进的哈佛结构。最大特点是独立的数据存储空间和程序存储空间，独立的数据总线和程序总线。允许CPU同时执行取指令和取数据操作，从而提高了系统运算速度。（2）流水线技术

流水线操作就是将一条指令的执行分解成多个阶段，在多条指令同时执行过程中，每个指令的执行阶段可以相互重叠进行。12（3）硬件乘法器和乘加指令MAC

通用计算机的乘法是用软件来实现的DSP由硬件实现，所以速度快（4）特殊的DSP指令（5）丰富的片内外设13148.1运动控制器类型8.1.5专用控制器CNC多用于数控机床。图8.7典型CNC示例158.1运动控制器类型8.1.6工控机(IndustrialPersonalComputer,IPC)工控机是一种增强型个人计算机，可作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。图8.8工控机及触控平板电脑示例168.1运动控制器类型图8.9PC+运动控制卡运动控制系统功能图178.1运动控制器类型8.1.7通用程序设计语言C语言C++语言汇编语言188.1运动控制器类型8.1.8专用程序设计数控编程图8.10数控机床编程工作框图198.2基于微处理器的直流伺服电动机驱动器案例LMD18200是专用于直流电动机驱动的H桥组件，其外形结构有两种，如图8.11所示(a)11-LEDTO-220封装(b)24-Lead双列直插式封装图8.11直流电机驱动芯片208.2基于微处理器的直流伺服电动机驱动器案LMD18200的原理如图8.12所示。图8.12LMD18200的原理图218.2基于微处理器的直流伺服电动机驱动器案(a)电路图228.2基于微处理器的直流伺服电动机驱动器案(b)输出的理想波形图8.13LMD18200典型应用电路23直流伺服电动机全数字双闭环控制系统框图。图8.14直流伺服电动机双闭环调速原理图8.3基于DSP的全数字直流伺服电动机控制系统案例248.3基于DSP的全数字直流伺服电动机控制系统案例采用TMS320LF2407ADSP的速度直流伺服控制系统。图8.15基于DSP控制的直流伺服电动机系统258.3基于DSP的全数字直流伺服电动机控制系统案例电动机电流检测方法通常有：(1)电阻采样(2)采用电流互感器(3)采用磁场平衡式霍尔电流检测器

电压检测方式通常有：(1)分压电阻采样(2)采用电压互感器(3)采用磁场平衡式霍尔电压传感器268.3基于DSP的全数字直流伺服电动机控制系统案例图8.16ADC中断处理子程序流程图278.4数控机床运动控制系统数控机床对伺服系统的要求：(1)调速范围宽(2)精度高(3)响应快(4)低速大扭矩288.4数控机床运动控制系统8.4.1数控机床结构图8.17数控机床组成298.4数控机床运动控制系统8.4.2数控机床的分类(1)按工艺特征分类一般数控机床即数控化的通用机床，按工艺可分为数控车床、数控铣床、数控滚齿机、数控线切割机床等。(2)按数控装置功能分类(A)点位控制数控机床(B)点位直线控制数控机床(C)轮廓控制数控机床308.4数控机床运动控制系统图8.18工作模式8.4.3数控机床的工作原理目前数控机床多数采用微型计算机作为控制器，基本原理如图8.19所示，控制工作流程如图8.20所示。318.4数控机床运动控制系统图8.19CNC控制器一般工作原理328.4数控机床运动控制系统图8.20工作流程图8.21单微处理控制器的结构338.4数控机床运动控制系统图8.22单微处理机+专用硬件的控制机结构图8.23多微处理机控制机结构348.4数控机床运动控制系统图8.24数控机床加工零件的过程358.4数控机床运动控制系统8.4.4数控机床的坐标系图8.25右手直角笛卡儿坐标系图8.26判定直角坐标系正方向的右手螺旋法368.4数控机床运动控制系统图8.27普通数控机床的坐标系378.4数控机床运动控制系统图8.28多坐标数控机床的坐标系38数控回转台39数控滑动导轨40数控光栅41数控回转刀架42数控机械手换刀43数控刀具448.4数控机床运动控制系统8.4.5数控插补概述所谓插补，实质上是进行起点和终点之间数据点的“密化”，即插补出起点至终点之间各点的坐标值。普遍应用的插补算法可分为两大类：(1)脉冲增量插补(2)数据采样插补零件程序…N12G00X12Y24(定位)N13G01

X24Y56(线性插补)…yx

0122424568.4数控机床运动控制系统8.4.6逐点比较插补方法468.4数控机床运动控制系统8.4.6逐点比较插补方法图8.28多坐标数控机床的坐标系(1)直线插补在直线上任意一点(x,y)，可建立插补计算公式为，，(8-1)478.4数控机床运动控制系统(8-3)(8-2)488.4数控机床运动控制系统直线插补过程如图8.30所示。图8.30直线插补算法示意图498.4数控机床运动控制系统

(2)圆弧插补当加工点在AB圆弧上或圆弧外侧时(F＞0)，控制工作台沿–X方向进给一步；当F＜0时，沿+Y方向进给一步，循环直到终点为止。图8.31圆弧插补算法示意图508.4数控机床运动控制系统

(3)数据采样法中的二阶递归法二阶递归法主要思想是本次插补的输出值取决于前两点的值。知道了前两点的值，就可以计算出第三点的值。图8.32二阶递归法圆弧插补518.4数控机床运动控制系统8.4.7数控机床NC编程表8.1基本的NC符号NC编程的关键是G代码指令。528.4数控机床运动控制系统图8.33子程序调用方法图8.34子程序调用538.4数控机床运动控制系统图8.35数控加工指令执行过程545556575859606162638.5工业机器人控制器案例8.5.1Staubli工业机器人编程软件Staubli工业机器人编程系统组成如图8.36所示。图8.36工业机器人648.5工业机器人控制器案例图8.37工业机器人坐标系65668.5工业机器人控制器案例67控制器变位机焊枪清理装置电焊机送丝机焊枪688.5工业机器人控制器案例698.5工业机器人控制器案例图8.39控制柜内部结构图70光电隔离数字I/O主计算机数字位置伺服主控逻辑码盘输入示教编程盒PC104总线弧焊接口上位机传感器接口现场总线接口I/O控制RH06A焊接机器人控制器硬件系统718.6操作系统操作系统OS(OperationSystem)是一组计算机程序的集合，用来有效地控制和管理计算机的硬件和软件资源，即合理地对资源进行调度，并为用户提供方便的应用接口。常用操作系统有：windows，UNIX，Linix，Apple,DOS。728.6操作系统图8.40系统结构示意图 图8.41任务状态转换738.6操作系统中断及中断处理是实时操作系统的关键。iRMX进行中断处理的过程如图8.42所示。图8.42中断处理的过程748.7现场总线8.7.1现场总线的发展现状

(1)FF（FoundationFieldbus基金会现场总线）(2)Profibus(ProcessFieldbus)(3)HART（HighwayAddressableRemoteTransducer，可寻址远程传感器数据通路）(4)CAN（ControllerAreaNetwork，控制局域网络）(5)LonWorks（LocalOperatingNetwork，局部操作网）758.7现场总线8.7.2CAN总线简介数据帧仲裁场控制场数据场CRC场ACK场帧起始帧结束帧间空间帧间空间超载帧图8.43数据帧组成结构768.7现场总线图8.44CAN总线工作电平778.7现场总线8.7.3基于CAN总线的分布式跟随运动控制系统(1)速度跟随伺服系统图8.45速度跟随控制系统图788.7现场总线(2)位置跟随伺服系统图8.46位置跟随系统中主电机的信号流程如图798.7现场总线(3)增益内模控制算法数据传送速度匹配问题分析。假设伺服系统的插补周期为T，则每个插补周期中CAN总线上允许的最大数据流量W为bits图8.47模型算法控制系统原理简图8