運動控制系統(tǒng)第二講

華南農業(yè)大學課程講座----運動控制系統(tǒng)

10級機制

1、2、3、4班l(xiāng)ecturetwo

各位同學大家好!

華南農業(yè)大學工程學院班華2013年3月

第2章運動控制器技術控制器的作用類比房屋評判一個運動控制系統(tǒng)是否成功的標準？運動控制器及其運動控制軟件是否合適！運動控制器是運動控制系統(tǒng)的核心！對運動控制系統(tǒng)的性能起著關鍵的作用。2.1運動控制系統(tǒng)簡介2.1.1運動控制系統(tǒng)的構成運動控制系統(tǒng)是由運動需求、運動控制器、驅動控制器、執(zhí)行器及位置或者速度反饋單元構成的，如圖2-1所示。2.1.2運動控制系統(tǒng)的任務任務是具體對象對運動系統(tǒng)的要求，其形態(tài)可以是路徑、位置增量或位移、移動速度，也可以是速度的變化率——加速度，還可以是驅動力或驅動力矩。2.2運動控制器的基本原理2.2.1運動控制器的構成運動控制器由軌跡生成器、插補器、控制回路和步序發(fā)生器四部分構成，如圖2-3所示。其基本原理為：運動控制器根據任務的需要，首先由軌跡生成器計算出任務希望的理想軌跡，插補器根據位置或者速度反饋單元的實際狀態(tài)，按照軌跡生成器的要求，計算出驅動單元下一步將要執(zhí)行的命令，然后交由控制回路進行精確控制。如果是步進電機，則還有一部分就是步序發(fā)生器，步序發(fā)生器根據控制回路控制指令進一步生成控制相序和脈沖，達到控制運動對象的目的。2.2.2軌跡生成器軌跡生成器的主要作用就是根據運動任務要求，為系統(tǒng)生成運動軌跡，作為運動系統(tǒng)控制器插補器的輸入設定。軌跡生成器的職責是把運動控制器的輸入轉化為系統(tǒng)希望得到的理想軌跡。運動軌跡是運動系統(tǒng)必須要完成的運動任務。就運動控制器而言，軌跡生成器是運動控制器三個核心部件之一，軌跡生成器性能好與壞對運動控制器的起著至關重要的影響。我們這里所說的軌跡是廣義軌跡，廣義軌跡的軌跡可以是路徑或者輪廓軌跡，也可以是速度軌跡，還可以是加速度軌跡。狹義的軌跡特指路徑或者輪廓軌跡。圖2-4預設編碼值與停止指令1．點對點運動軌跡最簡單、最直接的運動曲線是點對點運動軌跡，雖然軌跡很多?。?！用途點對點運動的應用范圍十分寬廣，包括各種大型醫(yī)療自動化診療設備，例如CT機、MR核磁共振等；機械制造業(yè)使用的各類加工中心、數控機床等；科學研究領域的自動檢測與定位儀器；軍事領域中的自動定位跟追、自動瞄準系統(tǒng)等；民用自動設施，如電梯，需要注意的是自動扶梯不是點對點式運動。點對點這種運動形式的運動特點是運動需求描述簡單，控制容易；點對點運動方式，從起點開始，負載速度從零開始，加速到設定速度，穩(wěn)定運行，然后減速至停止，此時被控對象到達目標位置--終點。一個典型的點對點運動，速度是從零的開始和結束的運動，并啟動加速和停止減速都是平滑的。主要研究方法是特征值描述法有關特征值計算問題圖2-7是梯形曲線特征點示意圖，橫坐標是時間軸，曲線有三個特征點

、

、，縱坐標有一個特征點。其中：

=最大速度；amax=最大加速度；

=加速度時間；

=減速度時間；

=最大速度時間；

=整個運動時間。注意：假如由式（2-4）計算出的時間是負值，那么說明實際速度不可能達到最大速度，而且速度曲線就不是一個梯形，而是一個三角形。式（2-1）~式（2-4）是梯形速度曲線特征點基本關系計算式?！纠?-1】請參閱書17【例2-2】請參閱書17由于時間絕不可能是負值，因此改變的是加速和減速時間。所以，得出其結論是速度不可能達到最大速度。由于梯形曲線特征點參數設置不合理，故導致梯形曲線變化成三角形曲線，顯然這種狀況屬于異常情況。計算公式根據已知參數計算運動曲線，設置曲線的特征點可以根據下述方程確定。公式2-5~2-8，詳見教材第二章第18頁。請注意條件與時序段特征點計算的C語言子程序voidgenerate_setpoint_table(doublet_acc,doublet_max,doublet_step.doublevel_max,doubleacc_max.doubletheta_start,doubletheta_end.doublesetpoint[],int*count){doublet.t_1,t_2,t_total;t_1=t_acc;t_2=t_acc+t_max;t_total=t_acc+t_max+t_acc;*count=0;for(t=0.0;t<=t_total;t+=t_step){if(t<t_1){setpoint[*count]=0.5*acc_max*t*t+theta_start;}elseif((t>=t_1)&&(t<t_2)){Setpoint[*count]=0.5*acc_max*t_acc*t_acc+vel_max*(t–t_1)+theta_start;}elseif((t>=t_2))&&(t<t_total)){setpoint[*count]=0.5*acc_max*t_acc*t_acc+vel_max*(t_max)+0.5*acc_max*(t-t_2)*(t-t_2)+theta_start;}else{setpoint[*count]=theta_end;}*count++;}setpoint[*count]=theta_end;*count++;}典型T型曲線的優(yōu)點與缺陷T型曲線簡單，具有良好速度調節(jié)性能；梯形曲線的缺陷是如果加速度和減速度是定值，那么在加速度段和減速度段，負載會發(fā)生抖動。改進型圓滑曲線多項式曲線在某些場合，這種抖動希望能減小到最小，故多項式曲線就起到這樣的作用。圖2-9多項式曲線多項式曲線圖2-9所示的是一種典型的多項式曲線。由圖可見，在加速度段和減加速度段，速度由多項式表示。這種多項式曲線的最大特色為速度平滑，穩(wěn)定性好，不存在負載抖動的問題。對于圖2-9所示的多項式曲線，已知四個參數值θstart、θend、ωmax、αmax，即起點位置、結束位置、最大角速度與最大角加速度，并且如圖2-9所示的速度多項式的約束條件是已知條件求取系數ABC求取ABC求取ABC第一段曲線的方程2-9第二段曲線的方程為2-10第一段曲線（加速段）的路程為2-11第二段曲線（最大速度）的時間為2-122．路徑軌跡沿著一條路徑的所有位置點來描述的軌跡曲線就是路徑軌跡曲線。其他說法：位置軌跡、輪廓軌跡等等，都是表述行走的路徑。差異之處：路徑更強調的是行駛線路，而輪廓則更加強調走過的具體位置及其精度。選擇原則通常，當運動需求沒有速度或者加速度要求、而對路徑或者形狀有很嚴格的要求時，采用這種方法。路徑軌跡曲線的運動表述法利用的是參數函數“p(u)”。當參數值u的值域是0～1時，函數值的變化范圍也是0～1。無論如何，函數的參數選擇條件是，運動開始與停止時的速度都是0，這樣就使得最終多項式方程簡化為公式(2-11)。隨后這個方程可以用在式(2-9)中，使控制器能夠在起點和終點之間產生一條光滑的運動路徑。公式2-13例2-3請參閱教材，計算由同學自行驗證圖2-10計算路徑軌跡曲線特征點的C語言子程序#defineTABLE_STZE11intpoint_mastor[TABLE_SIZE]={0,24,95,206,345,500,655,794,905,976,1000};intpoint_position[TABLE_SIZE];intpoint_time[TABLE_SIZE];intpoint_start_time;intpoint_index;intticks;/*variablestokeepasystemclockcount*/intpoint_current;/*aglobalvariabletotrackposition*/inttable_init(){/*initializethesetpointtable*/ticks=0;/*settheclocktozero*/point_current=0;/*startthesystematzero*/point_index=TABLE_SIZE;/*markthetableasempty*/}voidtable_generate(intstart,intend,intduration_sec){unsignedi;point_time[0]=ticks+10;/*delaythestartslightly*/point_position[0]=start;for(i=1;1<TABLE_SIZE;1++){point_time[1]=point_time[0]+(unsignedlong)i+duration_nec*250/(TABLE_SIZE-1);point_position[1]=start+(longint)(end-start)*point_mastor[1]/1000;}point_index=0;}inttable_update(){/*interruptdrivenencoderupdate*/ticks**;/*updatetheclock*/}if(point_index<TABLE_SIZE){if(point_time[point_index]==ticks){point_current=point_position[point_index++];outint16(point_current);putch("\n");}}returnpoint_current;}3．多軸運動軌跡除了單軸運動之外，很多機器的運動軌跡都是多軸運動復合的產物。例如，一個機器人完成平面運動，從一個位置點到達另一個新的位置點，必須完成兩點之間的復合運動。在機械加工領域，工作裝置頭的運動往往是一種多軸運動。對于平面二維復合運動，有辦公室里廣泛使用的打印機、繪圖儀，機械加工領域中的車床、排鉆等；對于空間三維點位運動，有機械加工中的數控鉆、數控坐標鏜、數控坐標銑、加工中心與柔性制造系統(tǒng)，大型物流中心中的自動運搬機、行車等。4．往復運動軌跡除了點對點運動之外，還有一個范圍廣泛的應用就是往復運動。往復運動的運動軌跡是周期的，其特點是由一個主定時器或編碼器做運動索引。電子凸輪也屬于運動索引范疇，它還有一個功能就是變速器，其變速功能是通過電子齒輪實現(xiàn)的。電子凸輪設定方式有兩種：①輸入特征參數，②使用可下載表格（這種方式基本上是通過串口或者數據總線完成的）。表格的數據用來為主編碼器或者主時鐘提供基本數據，每一項表格數據對應編碼器的一個位置，每一個編碼器位置確定對應的一個運動目標點?？梢蕴崆鞍迅黝愡\動軌跡編制成數據表，用戶根據實際需要下載一個梯形曲線或一個S形曲線。2.2.3插補器1．插補器定義插補器是運動控制器中的算法。所謂“插補”，就是在一條已知起點和終點的曲線上進行數據點的密化。通常，可以采用的形式有簡單的一次插補、二次插補或者更為復雜一些的三次樣條函數插補。插補結果將送入控制回路。插補器由插補的定義可以看出，在輪廓控制系統(tǒng)中，插補是最重要的功能，是輪廓控制系統(tǒng)的本質特征。插補算法的穩(wěn)定性和精度將直接影響到CNC系統(tǒng)的性能指標，所以為使高級數控系統(tǒng)能發(fā)揮其功能，不論是在國外還是國內，精度高、速度快的插補算法一直是科研人員希望能夠突破的難點，也是各數控公司保密的核心技術。例如，西門子、Fanuc公司的數控系統(tǒng)，其許多功能都是對用戶開放的，但其插補算法卻從不對用戶開放。2．插補的種類插補插補的種類很多。按插補工作是由硬件電路還是由軟件程序完成的，可將其分為硬件插補和軟件插補。圖2-11所示的就是直線插補和圓弧插補，以及二者的組合。插補分類按照數學模型，可分為一次（直線插補）、二次（圓弧插補、拋物線插補、橢圓、雙曲線、二次樣條曲線）和高次（樣條線插補）。1)直線插補(1)直線插補原理(2)直線插補步驟直線插補一般有三個步驟：①偏差函數的構造，②偏差函數遞推計算，③終點判別。①偏差函數的構造如圖2-13所示，pi(x,y)是直線OA上任意一點，點O(0，0)是起始點，Ae(xe,ye)是終止點，對于OA直線上任何一點Pi，應滿足。若實際點坐標為，用Fi表示x/y，那么Fi=0，表明Fi在直線上；若Fi>0，則表明實際點位于直線OA上方；若Fi<0，表明實際點位于直線OA下方。②偏差函數遞推計算偏差函數的計算采用的是遞推方式，即由前一個點的坐標計算后一個點的位置，即公式2-19.若Fi>0，規(guī)定向+x方向走一步，即公式2-20.若Fi<0，規(guī)定向+y方向走一步，即公式2-21.③終點判別直線插補的終點判別方法有三種：判別插補總步數；分別判別各子坐標插補步數；僅判別插補步數多的那一個坐標軸。例2-4請參閱書看圖2-13，2-14，表2-12)圓弧插補(1)圓弧插補原理圓弧插補算法針對的是多軸運動，其思想就是用弦進給代替弧進給。圓弧插補分為順時針圓弧插補和逆時針圓弧插補兩種。請看書圖2-15.圖2-15圓弧插補要加工如圖2-15所示的圓弧AE。圓弧AE位于第一象限，逆時針走向，半徑為R，以原點為圓心，起點坐標為A(x0,y0)，對于圓弧上任一加工點的坐標設為P(xi,yi)。點P與圓心的距離的平方為。(2)圓弧插補步驟圓弧插補的具體步驟與直線插補完全相同，也是三個步驟：①偏差函數的構造

②偏差函數遞推計算

③終點判別。①偏差函數的構造請參閱公式2-22②偏差函數遞推計算對于逆圓弧，若Fi≥0，則規(guī)定向x方向插補一步，即

公式2-23

若Fi<0，則規(guī)定向+y方向插補一步，即公式2-24③終點判別圓弧插補的終點判別方法有兩種。判別插補的總步數，即 (2-27)分別判別各坐標軸的插補步數，即

2-28例2-5已知第一象限起點A(4，0)，終點B(0，4)，計算插補過程。例2-5解題思路：根據圖2-16所示，起點A(4，0)，終點B(0,4)，顯然此插補屬于圓弧插補類別的逆圓弧插補，按照式(2-23)，式(2-24)計算，流程如圖2-16和表2-2所示。3)拋物線插補拋物線插補算法是一種新型插補算法。拋物線函數是一種簡單函數，既可以利用硬件，也可以利用軟件來實現(xiàn)。拋物線插補算法以拋物線頂點的坐標值作為原點，拋物線的起點和終點都換算成以拋物線頂點為原點的相對坐標。拋物線的開口方向不同，它的數學表達式也不一樣。為簡明起見，以一種情況為例說明拋物線插補計算的方法和過程。設拋物線方程為解法拋物線采用8個特征點A、B、C、D、E、F、G和H。拋物線插補在相關特征點之間進行，如圖2-17所示的拋物線特征點圖。根據高等數學有關曲率的計算公式，采用三次樣條函數。特征點4)樣條插補為了滿足快速成形制造及模具加工領域中高速度和高精度的要求，利用B樣條曲線良好的局部控制性和計算機CPU處理速度快的優(yōu)點，開發(fā)出基于三次非均勻B樣條曲線的插補算法。(1)樣條插補原理快速成形制造系統(tǒng)讀入STL文件后，首先利用擬合算法將這些離散的數據點擬合為分段的三次非均勻無理B樣條；然后構造一鏈表用來保存每段B樣條的系數和長度；插補時讀入此鏈表，根據分段標志，以當前插補點為控制目標，求出下一插補點的坐標值，完成變速度自適應插補。B樣條的參數表達式說明公式2-39中，如果三次項系數為零，則表示拋物線；三次項和二次項系數均為零，則表示直線，因此可以把三次非均勻無理B樣條、拋物線和直線用同一個公式統(tǒng)一起來。(2)樣條插補步驟樣條插補算法采用參數化數據采樣原理來實現(xiàn)插補過程，其基本思想是按照給定的采樣周期將時間軸分成非均勻間隔的小區(qū)間，插補過程中根據進給速度、加減速要求和允許誤差，在各采樣周期產生空間小直線段、、、、，去逼近被插補曲線，逐步求得伺服控制所需的各插補直線段端點的坐標值，即以當前插補點的速度為控制目標，以插補周期T內的插補步長等于曲線上的弧長為依據，最終求出下一插補點的坐標。5)基準脈沖插補基準脈沖插補又稱為行程標量插補或脈沖增量插補。這種插補算法的特點是每次插補結束，運動控制裝置向每個運動坐標輸出基準脈沖序列，每個脈沖插補的實現(xiàn)方法比較簡單，只有加法和移位，可以利用硬件實現(xiàn)。目前，隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，多采用軟件完成這類算法。脈沖的累積值代表運動軸的位置，脈沖產生的速度與運動軸的速度成比例?；鶞拭}沖插補方法方法有很多，常用的有以下幾種：①數字脈沖乘法器插補法；②逐點比較法；③數字積分法；④矢量判別法；⑤比較積分法；⑥最小偏差法；⑦目標點跟蹤法；⑧直接函數法；⑨單步跟蹤法；⑩加密判別和雙判別插補法等。早期常用的基準脈沖插補算法有逐點比較法、單步跟蹤法等，插補精度常為一個脈沖當量。20世紀80年代后期，插補算法改進為直接函數法、最小偏差法等，使插補精度提高到半個脈沖當量，但執(zhí)行速度不很理想，因此在插補精度和運動速度要求均高的CNC系統(tǒng)中，應用受限。近年來的插補算法有改進的最小偏差法、映射法等，兼有插補精度高和插補速度快的特點。6)數據采樣插補數據采樣插補又稱為時間標量插補或數字增量插補。這類插補算法的特點是數控裝置產生的不是單個脈沖，而是標準二進制字。插補運算分兩步完成。第一步為粗插補，它是在給定起點和終點的曲線之間插入若干個點，即用若干條微小直線段來逼近給定曲線，每一微小直線段的長度都相等。粗插補在每個插補運算周期中計算一次，因此，每一微小直線段的長度與進給速度F和插補周期T有關，即。第二步為精插補，它是在粗插補算出的每一微小直線段的基礎上再進行“數據點的密化”工作。這一步相當于直線的基準脈沖插補。數據采樣插補適用于閉環(huán)、半閉環(huán)以直流和交流伺服電機為驅動裝置的位置采樣控制系統(tǒng)。粗插補在每個插補周期內計算出坐標實際位置增量值，而精插補則在每個采樣周期內采樣閉環(huán)或半閉環(huán)反饋位置增量值及插補輸出的指令位置增量值。然后算出各坐標軸相應的插補指令位置和實際反饋位置，并將二者相比較，求得跟隨誤差。根據所求得跟隨誤差算出相應軸的精速度，并輸給驅動裝置。一般粗插補運算用軟件實現(xiàn)，而精插補既可以用軟件，也可以用硬件實現(xiàn)。數據采樣插補方法很多，常用的方法有：①直接函數法；②擴展數字積分法；③二階遞歸擴展數字積分圓弧插補法；④圓弧雙數字積分插補法；⑤角度逼近圓弧插補法；⑥ITM（ImprovedTustinMethod）法。近年來，眾多學者又研究了更多的插補類型及改進方法，有改進DDA圓弧插補算法、空間圓弧的插補時間分割法、拋物線的時間分割插補方法、橢圓弧插補法、B樣條等參數曲線的插補方法、任意空間參數曲線的插補方法。3．運動進程表隨著定位進程表技術的發(fā)展，運動曲線輪廓可以由定位點表確定。定位點表將依據時鐘確定定位點的修改。圖2-24所示的是一個定位點表的流程。在這個系統(tǒng)中，總運動時間看做系統(tǒng)時間，定位點表是一個中斷驅動子程序。隨著時間的流逝，程序執(zhí)行到定位點表的下一個值，中斷頻率時間間隔必須小于或者等于用于計算定位點的時間步長。另外，伺服驅動模塊還需要增加一個算法，如PID算法。2.2.4控制回路在運動控制器中固化有控制算法，由算法依據期望的位置或速度與實際的位置或速度的差值信號進行計算。運動控制器通常使用增強型PID（比例、積分、微分）算法，使得控制功能更加強大。PID的增益設定值決定控制回路的控制能力。下面結合前饋控制研究實際運動控制系統(tǒng)控制回路的基本架構，如圖2-27所示。圖中包括兩個組成部分：一是實時控制回路，二是物理系統(tǒng)。這里所說的物理系統(tǒng)就是執(zhí)行器，具體在本系統(tǒng)中是電機。圖2-27圖2-28舉例實驗裝置詳見圖2-29,2-30說明2-28圖2-28所示的是多回路運動控制器的組合控制回路。該系統(tǒng)具有靈活的組合性，可以實現(xiàn)單回路（位置、速度、力矩）控制，也可以實現(xiàn)雙回路控制，還可以實現(xiàn)三回路控制。其基本控制程序也是三種調節(jié)器的控制算法（位置、速度、力矩），已經固化在只讀存儲器中。用戶與運動控制器的通信可以通過CAN、RS232、RS485來實現(xiàn)。系統(tǒng)中還有八路I/O控制接口，其中六路輸入、兩路輸出，具體如圖2-28所示。如何確定PID參數模糊PID調節(jié)器按照下列步驟進行設計。(1)根據被控制對象的線性模型和所期望的性能指標設定PID調節(jié)器增益的標稱值。(2)KP、KI、KD是在PID調節(jié)器增益的標稱值基礎上設計出的模糊調諧值。2．PID標稱值設計3．模糊調節(jié)器設計1)模糊調節(jié)器比例增益系數KP模糊PID調節(jié)器第一個參數是比例增益系數KP。KP的輸入是誤差和誤差變化率。圖2-31所示的是KP誤差隸屬函數。圖2-32所示的是KP誤差變化率隸屬函數。圖2-33所示的是KP輸出值隸屬函數。模糊PID調節(jié)器KP的輸入與輸出規(guī)則見表2-3。最后，模糊調節(jié)器KP的輸出值采用中心面積法對KP去模糊化求得。圖2-31圖2-32圖2-33表2-3KP模糊調節(jié)器規(guī)則2)模糊調節(jié)器微分增益系數KD模糊PID調節(jié)器第二個參數是微分增益系數KD。KD的輸入是誤差及誤差變化率。圖2-34所示的是KD誤差隸屬函數。圖2-35所示的是KD誤差變化率隸屬函數。圖2-36所示的是KD輸出值隸屬函數。模糊PID調節(jié)器KD的輸入與輸出規(guī)則見表2-4。最后，模糊調節(jié)器KD的輸出值采用中心面積法對KD去模糊化求得。表2-4KD模糊調節(jié)器規(guī)則3)模糊調節(jié)器積分增益系數KI模糊PID調節(jié)器第三個參數是積分增益系數KI。KI的輸入是誤差和誤差變化率。圖2-37所示的是KI誤差隸屬函數。圖2-38所示的是KI誤差變化率隸屬函數。圖2-39所示的是KI輸出值隸屬函數。模糊PID調節(jié)器KI的輸入與輸出規(guī)則見表2-5。最后，模糊調節(jié)器KI的輸出值采用中心面積法對KI去模糊化得到。表2-5KI模糊調節(jié)器規(guī)則表4．控制結果與討論借助點對點模糊PID實驗裝置，利用SimulinkOptimizationToolbox設定PID參數增益標稱值進行實驗對比，發(fā)現(xiàn)采用模糊PID的方法更加有效。圖2-40所示的是本實驗裝置在輸入90°步長時的系統(tǒng)實時響應圖，圖中實線部分是采用模糊PID控制算法得到的實際結果，虛線部分是采用傳統(tǒng)經典PID算法得出的實驗結果。有關實驗位置系統(tǒng)的定位性能見表2-6。表2-6經典PID與模糊PID性能對比慣量增加后效果2.3運動控制器的硬件2.3.1按照運動控制器核心器件的組成分類1)基于微處理器（MCU）的技術以8位或16位的MCU單片機技術為核心，如MCS-51、MCS-96等，再配以存儲器電路、編碼器信號處理電路及D/A、A/D電路。圖2-31MCU2)基于專用集成電路的技術利用一塊專用芯片ApplicationSpecificIntegratedCircuit（ASIC）可以實現(xiàn)某些特定的控制算法如PID算法、編碼器信號處理等功能。PCL6045PCL60453基于PC機4)基于DSP的技術20世紀90年代以來，隨著微電子技術水平的快速提升，數字信號處理（DSP）芯片因其高速運算能力而被越來越廣泛地用于運動控制系統(tǒng)中。DSP芯片使復雜算法的實時性得到有效保證，因此DSP在運動控制器中得以應用。目前，主流的運動控制器都采用DSP技術。比如，美國Delta公司的PMAC運動控制卡采用了Motorola公司的DSP56001；國內固高科技有限公司的GT—400運動控制卡采用了ADI公司的ADSP2181。PMAC是多軸控制器，可以提供運動控制、離散控制、控制器內部事物處理、同主機的交互等數控的基本功能。PMAC內部使用了一片Motorola公司的DSP56001芯片，它的速度、分辨率、帶寬等指標遠優(yōu)于一般的控制器。PMAC是開放的運動控制器。PMAC與各種產品的匹配性能如下。(1)與不同伺服系統(tǒng)的連接伺服接口有模擬式和數字式兩種，能連接模擬、數字伺服驅動器。(2)與不同檢測元件的連接如測速發(fā)電機、光電編碼器、光柵、旋轉變壓器等。(3)PLC功能的實現(xiàn)內裝軟件化的PLC，可擴展到2048個I/O口。(4)界面功能的實現(xiàn)按用戶的需求定制。(5)與IPC的通信PMAC提供了三種通信手段——串行方式、并行方式和雙口RAM方式。采用雙口RAM方式可使PMAC與IPC進行高速通信。串行方式能使PMAC脫機運行。(6)CNC系統(tǒng)的配置PMAC以計算機標準插卡的形式與計算機系統(tǒng)共同構成CNC系統(tǒng)，它可以通過PC－XT&AT、VME、STD32或者PCI總線形式與計算機相連。圖2-49所示的是兩種基于DSP技術的PMAC板卡。6)基于多核處理器的技術此類控制器在一個芯片內部集成了多個處理器內核。如TI公司的達·芬奇平臺集成了一個DSPC64X內核和一個ARM9內核，其中DSP用于運算，ARM用于控制。多核處理器技術是未來處理器發(fā)展的一個方向。2.3.2按照數據的傳遞形式分類運動控制器的數據傳遞形式可分為總線式和網絡式。運動控制器的總線式有ISA、PCI、VME、USB、SPI、STD總線、CAN總線；網絡式有Motionnet、Ethernet、Internet等。圖2-51所示的是數據連接關系示意圖，它反映的是傳統(tǒng)數據交換方式和新的串口數據交換方式。新的串口數據交換方式一般由四條線構成：(1)MOSI——主器件數據輸出，從器件數據輸入；(2)MISO——主器件數據輸入，從器件數據輸出；(3)SCLK——時鐘信號，由主器件產生；(4)SS——從器件使能信號，由主器件控制。數據交換形式芯片系列圖2-552.4運動控制器的軟件2.4.1運動控制器軟件體系運動控制系統(tǒng)總體來說是一個復雜的控制系統(tǒng)，兼有控制實時性、功能多樣性、性能層次性和界面?zhèn)€性的要求。如何構建功能模塊，實現(xiàn)功能模塊的有機組合，達到實時性和非實時性的有機統(tǒng)一，是采用所謂引擎機制實現(xiàn)具體運動控制器產品的決定性技術。其實質是采用特定的方法完成軟件的二次組裝并實現(xiàn)可靠高效的信息交互。軟件說明軟件可以采用的支撐技術有參數定制技術、軟件組裝技術、進程通信技術和腳本技術等。運動控制器軟件系統(tǒng)可以簡單地劃分為界面、運動控制和伺服驅動三大部分。無論現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)屬于哪種結構類型，其特征無非是PC、NC、智能伺服驅動三者之間任務的分配關系與表現(xiàn)形式不同。界面部分的用戶差異體現(xiàn)最明顯，要求界面美觀，個性突出，可任意定制，對實時性的要求并不迫切。運動控制子系統(tǒng)是實現(xiàn)高性能運動控制功能的主要模塊，是系統(tǒng)中最核心、最復雜和最難實現(xiàn)的部分，對系統(tǒng)的運算量要求較大，實時性要求較高。伺服驅動部分通常由硬件完成，但其軟件接口需要有相關的驅動程序支持。從前面的軟件支撐技術可以看出，單一的技術手段并不足以滿足運動控制系統(tǒng)的需要，應當綜合不同的需求，兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實時性，分層次地采用不同的技術來實現(xiàn)。例如機床控制軟件整個機床控制軟件系統(tǒng)由三大部分構成。第一部分是人機交互界面，涵蓋有系統(tǒng)管理、程序交互、手控交互、遠程交互和加工仿真；第二部分是運動控制，運動控制子系統(tǒng)通常包括兩個通道：主通道和輔助通道。主通道主要應用于自動加工狀態(tài)下的運動指令；輔助通道主要起到配合人機接口子系統(tǒng)，響應用戶手動操作的作用。1．開放性需求分析開放層次是開放式數控系統(tǒng)需要考慮的基本問題。面向不同層次的用戶對象進行分級開放的觀點已達成共識，但分級的具體層次尚沒有明確的界定標準。主流的觀點認為，可分為下列三個由淺入深的級別。1)一級開放所謂一級開放是指參數與人機界面的簡易定制。這個級別面向終端用戶開放，用戶無須關心系統(tǒng)內部的具體實現(xiàn)方法，主要依據修改各種配置參數得以實現(xiàn)。根據現(xiàn)場的實際應用環(huán)境和人機接口風格的喜好，在基礎系統(tǒng)上通過參數設置來實現(xiàn)系統(tǒng)與執(zhí)行機構的集成。這一層次上的用戶僅需要閱讀操作手冊即可完成集成。2)二級開放所謂二級開放是指人機界面的用戶化定制這個級別主要面向銷售商開放。在產品銷售的過程中，客戶可能會對產品提出具體的界面要求，如修改界面風格以適應操作工的知識背景、特殊顯示某些系統(tǒng)變量、增加對刀指引等，此時需要徹底地改變原系統(tǒng)的界面風格，可能牽涉到與系統(tǒng)內核的交互。這一層次的開放需要按照開放規(guī)則編輯少量的代碼，并與系統(tǒng)完成基礎通信，不會直接影響系統(tǒng)的運行效果?？赏ㄟ^這種開放實現(xiàn)比專有系統(tǒng)更好的人機交互能力，并且具有更好的上層應用系統(tǒng)集成能力。3)三級開放所謂三級開放是指功能定制。這個級別主要面向具有運動控制理論基礎的用戶開放，他們可能需要實現(xiàn)原系統(tǒng)中所沒有的指令功能，如增加特殊曲線插補功能、實現(xiàn)特殊的加減速等。這個層次的開放需要與系統(tǒng)內核進行深層次的交互（通信交互、事件交互、實時響應等），甚至影響到系統(tǒng)的運動效果。通過這個層次的開放，可以將用戶的使用經驗與研究成果很好地集成到系統(tǒng)中，實現(xiàn)在特殊場合的應用。2．軟件功能模塊圖2-57說明由圖2-57可以清楚地看出運動控制系統(tǒng)軟件架構體系，其四大部分為主監(jiān)視進程、人機交互進程、運動控制進程和運動驅動進程。2.4.2運動控制器的開發(fā)應用軟件簡介1．μC/OS-II2．NI-Motionv7.01)μC/OS-II簡介μC/OS-II是一個完整的、可移植、可固化、可裁剪的占先式實時多任務內核。μC/OS-II絕大部分的代碼是用ANSI的C語言編寫的，包含一小部分匯編代碼，使之可供不同架構的微處理器使用。至今，從8位到64位，μC/OS-II已在超過40種不同架構的微處理器上運行。μC/OS-II已經在世界范圍內得到廣泛應用，包括很多領域，如手機、路由器、集線器、不間斷電源、飛行器、醫(yī)療設備及工業(yè)控制上。實際上，μC/OS-II已經通過了非常嚴格的測試，并且得到了美國航空管理局的認證，可以用在飛行器上。除此以外，μC/OS-II另一個鮮明的特點就是源碼公開，便于移植和維護。2)μC/OS-II內核結構多任務系統(tǒng)中，