1、基于PC运动控制板卡的交流伺服运动控制系统,1 开放式运动控制系统2 PMAC运动控制器3 PCI运动控制卡设计,基于PC的伺服运动控制系统是一种开放式结构的系统，可以充分利用PC机的资源和第三方软件资源完成用户应用程序的开发，将生成的应用程序指令通过PC并行总线传送给运动控制器，运动控制器根据来自PC机的应用程序命令，按照设定的运动模式，向驱动器发出运动指令，完成相应的实时运动规划。,1 开放式运动控制系统,开放式数控系统,一般数控系统由3部分组成：1，MMC：人机接口2，CNC：运动控制部分，包括伺服部分，但一般主轴在PLC部分。3，PLC：机床的顺控部分,人机接口,NC控制器,伺服驱动器
2、,数控机床,传感器,机床强电,MMC,CNC,PLC,1 开放式运动控制系统,1、传统数控系统,数控系统软件功能模块,数控装置,控制模块,管理模块,电机运动控制,位置运动控制,插补计算,刀补计算,速度处理,G功能处理,监控处理,中断处理,PLC处理,误差补偿,数控软件功能模块,电机运动控制,插补计算,刀补计算,监控处理,中断处理,匀速控制,加/减速控制,直线、圆弧插补,螺旋线、空间插补,刀具半径补偿,刀具长度补偿,键盘处理,显示处理,报警处理,急停处理,部分控制模块功能,随着数控技术的发展，数控系统变得越来越复杂，暴露出许多自身固有的缺陷。最大的问题是，这些数控系统都是专门设计的，它们具有不同
3、的编程语言、非标准的人机接口、多种实时操作系统、非标准的硬件接口等，这些缺陷造成了数控系统使用和维护的不便，也限制了数控技术的进一步发展。为了解决这些问题，人们提出了“开放式数控系统”的概念。这个概念最早见于1987年美国的NGC(Next Generation Controller)计划，NGC控制技术通过实现基于相互操作和分级式的软件模块的“开放式系统体系结构标准规范（SOSAS）”找到解决问题的办法。一个开放式的系统体系结构能够使供应商为实现专门的最佳方案去定制控制系统。,2、开放式数控系统,（1）开放式数控系统的定义,IEEE关于开放式系统的定义：一个开放式数控系统应能够在多平台上运行
4、，能够与其他系统进行操作，并能够给用户提供一致的交互界面；系统互换性；可伸缩性；可移植性；互操作性；可扩展性；不依赖于硬件、模块化；,（2）开放式数控系统的结构形式：,PC连接型NC即将现有原型CNC与PC用通用串行线直接相连的一种组成形式:DNC PC嵌入型NC即在传统的专用数控机床中嵌入PC技术，PC与CNC之间用专用总线连接。系统。运动控制器+PC型即在通用PC的扩展槽中插入运动控制卡，完全采用以PC为硬件平台的数控系统。PMAC运动控制器 全软件型NC即完全采用PC的全软件形式的数控系统。NC的全部功能处理全由PC进行，并通过装在PC扩展槽中的接口卡等进行控制。STEP-NC,（3）P
5、C嵌入型NC,即在传统的专用数控机床中嵌入PC技术，PC与CNC之间用专用总线连接。其优点是原型CNC几乎可以不加改动的使用，且数据传送速度快、系统响应快。其目的是增加数控系统的计算机功能，实现联网和大规模数据处理。如FANUC公司的150/160/180/210系统、Siemens840D系统、Num1060系统、AB9/360等数控系统。,（4）软件数控,它的CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。目前由于存在着操作系统的实时性标准统一性及系统稳定性等问题，这种系统目前正处于探求阶段，还没有大规模投入到实际的应用中。目前全软件型NC的典型
6、产品有美国MDSI公司的Open CNC、德国Power Automation公司的PA8000 NT等。,常用的运动控制器主要包括PLC、PC-Based运动控制卡、专用系统和驱动器集成运动控制。运动控制卡是一种PC-Based的运动控制器，主要厂商包括Delta TAU(PMAC)、GALIL(DMC)、Bardor、Trio（英国翠欧）、NI、Advantech、Adlink、Googol（固高）、雷赛、众为兴、成都步进、摩信等。PMAC在高端市场表现最好，GALIL也表现不错。从数量上讲，国内的厂商的出货量更多，但是主要针对低端市场。,（5）基于运动控制卡的开放式数控系统,计算机,运动
7、控制器基本模块,I/O模块,PCI总线,数控系统（运动控制器）,伺服驱动器,开关量I/O,其它I/O,伺服辅助控制信号,运动控制指令,位置反馈,伺服电机,主轴驱动器,2基于运动控制器的数控系统（功能概图）,2基于运动控制器的数控系统（PCI总线）,数控装置,控制模块,管理模块,电机运动控制,位置运动控制,插补计算,刀补计算,速度处理,G功能处理,监控处理,中断处理,PLC处理,误差补偿,2基于运动控制器的数控系统（软件系统）,PMAC-Programmable Multi-Axis Controller是可编程多轴运动控制器，也称运动控制计算机.它主要由MOTOROLA DSP CPU与DEL
8、TA TAU公司开发和特制的用户门列IC组成.主要功能:控制伺服轴 PLC 数据采集,2PMAC运动控制器,1、PMAC运动控制器结构,基于PC（它本身也是一台计算机）可控制各类电机步进，交/直流服，线性电机，液压伺服.可接受各类反馈增量绝对码盘，光栅尺，激光干涉仪，电位计，磁致伸缩传感器，旋转变压器等.多总线结构PC，VME，STP，PCI，104，MACRO.一卡可同时控制8个轴，可扩展到128个轴连动.后台PLC可扩展到1024点.可独立运行RS-232，422由主机通过接口或总线发送指令在板DPRAM选项在板A/D转换选项32位在板I/OPWM,DAC 输出模式,2、PMAC的开放式结
9、构,3、PMAC系列运动控制器,20MHz Motorola DSP 56001系列数据信号处理器8路（数模转换）16位DAC输出16个码盘通道输入16个通用I/OI/O扩展端口越程极限，回原点，伺服放大器报警，使能标志信号接口LCD和VFD显示端口Bus and/or RS-422通信脱机运行G-Code 编程（可自定义）,PMAC 1 的标准配置,线性，圆弧，三次轨迹计算，样条插补256个运动程序存储能力64个异步PLC程序存运行超大程序的实时下载执行功能64位位置计数范围位置环，速度环，电流环三环矢量控制能力曲线加减速控制自定义伺服算法能力电子齿轮先进的PID及扩展伺服算法,一、执行运动
10、程序1.PMAC 在某一时间执行一个运动,并执行有关运动的所有计算2.PMAC 总是在实际运动之前,正确地调和即将执行的运动二、执行PLC程序1.以处理器允许的时间尽可能快的扫描PLC程序2.PLC适用于某些异步于运动程序的运动过程三、伺服环更新1.对于每一个电机，PMAC都以一个固定频率（2KH左右）自动对其进行伺服更新2.伺服环根据运动的设计者编写程序公式，从当前的实际位置和指令位置增加指令的数值 四、换相更新1.PMAC 以9KHZ的频率自动进行换向计算和控制；2.PMAC 测量并估算 转子的磁场定向，然后处理电机的相之间的指令,1）PMAC 的功能,五、资源管理1.常规管理定期自动执行
11、资源管理功能，以确认谁正常2.报警跟随误差限制、硬件超程限制、软件超程限制、放大器报警3.看门狗的更新在每个PLC扫描之间,PMAC 执行上述任务保证自身的正常更新，如果这些功能不能在最小的频率内检测，卡上的看门狗将报警六、与主机通信1.随时与上位机实时通讯，甚至在一个运动序列中间；2.将命令放入一个程序缓冲区以便以后执行；3.如果命令非法则将向上位机主机报错。七、任务优先级1.任务是按照优先级电路组织起来，使应用程序以最优化、高效、安全的运行2.优先级是固定的，但是他们的频率时可以由用户控制的,1）PMAC 的功能,1.机床-磨床/车床/铣床/电加工/攻丝2.检验-半导体/机械3.喷涂-混合
12、涂料和喷涂4.焊接-机械/半导体5.印刷-快速印刷6.张力控制-织物处理7.食品加工-混合/分切/处理,8.包装-塑料/食品9.材料处理-半导体贴片加工10.车辆控制-汽车/电车/叉车摄像控制-远距离控制机器人-3到 6轴抓举和搬运通用自动化-输运带/同步控制,2）PMAC 的应用领域,3）PMAC 的典型开放式应用,硬件,软件设置及定义,系统编程,4）PMAC 的应用系统建立,5）PMAC 的指令,初始化和变量设置 提前定义其含义 有的影响卡的全局 有的是电机的定义 有的是坐标系的定义 有的是编码器的定义,1.I-变量(1024),6）受控制电机的运动方式,Ix20 加速时间(Jog,Hom
13、e)Ix21 S-曲线加速时间(Jog,Home),Ix20 加速时间(Jog,Home)Ix21 S-曲线加速时间(Jog,Home),6）受控制电机的运动方式,Ix20 加速时间(Jog,Home)Ix21 S-曲线加速时间(Jog,Home),6）受控制电机的运动方式,7）通过设置 I变量可以控制以下典型 P.I.D 伺服环,Following Error跟随误差,Commanded Position指令位置,ActualPosition实际位置,=,-,P(proportional gain比例增益)Ix30 Spring刚性，刚度I(integral gain积分增益)Ix33D(d
14、erivative gain微分增益)Ix31 Shock Absorber 减震，吸收,8）重要P变量及其功能,P变量是用户全局变量，可用于PMAC编程中的计算,48位浮点形式 1024 P变量从 P0 to P1023,可用于:1.计算P100=P101*(sin(45)2.软件触发 IF(M1!=1 AND P10=0),利用P变量及DSP进行大量运算,OPEN PROG 1 CLEARWHILE(1=1)IF(P10)P2=SIN(P1)+COS(P1)p3=2 IF(P13)P2=SIN(P1)+COS(P1)P3=2 w w IF(P199)P2=SIN(P1)+COS(P1)p3
15、=99 ENDIF w w ENDIF ENDIF X2000 P1=P1+1ENDWHILECLOSE,8）用户定义坐标系,允许定义的轴:X,Y,Z,U,V,W,A,B,CX,Y,Z:传统上的主要直线轴U,V,W:传统上的第二直线轴A,B,C:传统的旋转轴(A 围绕 X,B 围绕 Y,C 围绕 Z)位置翻转(Ix27),将电机和坐标轴绑定#1-X#2-Y#3-Z,笛卡尔坐标轴可以是直线轴电机的组合:#1-A11X+A12Y+A13Z+B1#2-A21X+A22Y+A23Z+B2#3-A31X+A32Y+A33Z+B3这样允许坐标系旋转和平移，可推广到更多轴的方式,9）编写PMAC运动程序,运
16、动指令X1000 Y2000 Z3000U(P1*3.14159)V(20*SIN(Q6)DWELL,DELAY模态指令ABS,INC,FRAX,NORMALLINEAR,RAPID,CIRCLEn,SPLINEn,PVTTA,TS,TM,F变量赋值variable=expression逻辑控制表达式N,O,GOTO,GOSUB,CALL,RETURNG,M,T,D(special CALL statements)IF,ELSE,ENDIF,WHILE,ENDWHILE辅助表达式 COMMAND,SEND,DISPLAYENABLE PLC,DISABLE PLC,Logic Operator
17、s逻辑操作符 less than or equal to)(less than)Functions函数（计算）SIN,COS,TAN,ASIN,ACOS,ATAN,ATAN2,SQRT,LN,EXP,ABS,INT,9）编写PMAC运动程序,PMAC 程序结构,建立一个程序:CLOSE;关闭所有缓存区DEL GAT;清除缓存区数据&n；坐标系定义#motor-axis scalingaxis；绑定电机于坐标系OPEN PROG n CLEAR；打开（新建）一个程序 电机运动命令及数学运算，逻辑判断CLOSE；程序结束从内存中删除一个程序OPEN PROGn CLEARCLOSE,9）编写PMA
18、C运动程序,Example:,*Set-up and Definitions*DEL GAT;Erase any defined gather buffer Coord.System 1,point to Beginning of Program 1,Run,9）编写PMAC运动程序,10）PMAC运动程序执行,PMAC程序的运行模式:在线命令方式执行PMAC运动指令(命令行方式)下载到PMAC缓冲区内,再发送运行命令方式,开始一个程序指向一个坐标系，用在线指令:&n用在线指令指向程序:Bn用在线指令运行:R or,停止程序用在线指令指向坐标系:&n用在线指令:Q,S,A,or,CNC的任务通
19、常可分为两大类：。管理任务主要承担系统资源管理和系统各子任务的调度，负责系统的程序管理、显示、诊断等子任务；控制任务主要完成CNC的基本功能：译码、刀具补偿、速度预处理、插补运算、位置控制等任务。CNC装置在工作中这些任务不是顺序执行的，而往往需要多任务并行处理。如：,11）实时操作系统,管理任务和控制任务,a)CNC的操作系统,(1)当机床正在加工时(执行控制任务)，要实时显示加工状态(管理任务)。这是控制任务与管理的并行；,(3)在控制任务中更是如此，为了保证加工的连续性，刀具补偿、速度处理、插补运算以及位置控制必须同时不间断执行。,(2)在管理任务中也是如此，当用户将程序送人系统时，需要
20、实时显示输入的内容；,一般地，CNC装置通常采用循环调度和优先抢占调度相结合的方法来解决上述问题的。,假定某CNC装置软件将其功能仅分为三个任务：位置控制、插补运算和背景程序。位置控制优先级最高，插补运算其次，背景程序相对最低。系统规定：位置控制任务每4ms执行一次，插补运算8ms执行一次，则两个任务都由定时中断激活。当位置控制和插补运算都不执行时便执行背景程序，正因为如此才称其为“背景”程序。系统的运作是：在完成初始化后，自动进入背景程序，在背景程序中采用循环调度的方式，轮流反复地执行各个子任务。优先级高的任务(如位置控制或插补运算任务)可以随时中断背景程序的运行。同样位置控制也可中断插补运
21、算的运行。,初始化,循环调度,优先抢占调度,b)Windows OS 的限制,非实时(非决策)应用程序不能进入I/O层面有时驱动不稳定(不适用于工业使用),虽然real-time与快速反应看似相同但不同。其区别在于固定的时间之内是否可能一定完成被预定的处理。虽然,经过使用高速CPU,OS的轮转时间(反应速度)被改善,它却不一定意味着它接近real-time控制。real-time是在固定的时间之内,所有的100个任务可完成100次.如果它能完成99次,但1次没完,它不能叫作real-time。实际上,既使在低速CPU上,real-time控制仍可实现,因此OS结构比CPU速度更重要。,c)IN
22、time的结构,Pentium级,Windows 执行Windows 内核Windows硬件抽像化层,Win32程序,Win32 APIs,Windows 硬件任务,实时内核,实时硬件任务,实时优先级,NT 优先级,最高级,最低级,最高级,最低级,实时程序,INtime APIs,用户模式-ring 3内核模式-ring 0,d)PMAC的任务调度,PMAC Tasks As an example,a 40 MHz PMAC could perform the following tasks with the estimated percentage of the total computat
23、ional power as indicated:,PLC,PLC,主机命令响应安全检测/看门狗,主机命令响应安全检测/看门狗,18轴运动规划,18轴伺服更新,18轴电流换向,低优先级,高优先级,1、总线的分类与层次,1)系统总线：是微处理器芯片对外引线信号的延伸或映射，是微处理器与片外存储器及I/0接口传输信息的通路。系统总线信号按功能可分为三类：地址总线（Where）：指出数据的来源与去向。地址总线的位数决定了存储空间的大小。数据总线（What）提供模块间传输数据的路径，数据总线的位数决定微处理器结构的复杂度及总体性能。控制总线（When）：提供系统操作所必需的控制信号，对操作过程进行控制
24、与定时。,5.3.1 PC机与运动控制卡的信息交换,5.3 PCI运动控制卡设计,地址总线AB、数据总线DB、控制总线CB,2)扩充总线：亦称设备总线，用于系统I/O扩充。与系统总线工作频率不同，经接口电路对系统总统信号缓冲、变换、隔离，进行不同层次的操作（ISA、EISA、MCA)3)局部总线：扩充总线不能满足高性能设备（图形、视频、网络）接口的要求，在系统总线与扩充总线之间插入一层总线。由于它经桥接器与系统总线直接相连，因此称之为局部总线（PCI）。,2、PCI总线主要性能,总线时钟频率：33.3MHz/66MHz 带宽：时钟频率33.3MHz 位宽32位时为133MB/s，位宽64位时为
25、266MB/s 时钟频率66MHz 位宽32位时 为266MB/s，位宽64位时为532MB/s 总线宽度：32位（5V）/64位（3.3V）时钟同步方式 独立于处理器与CPU及时钟频率无关 支持突发式读写方式，提供首地址即可顺序读写数据。支持并发操作，CPU和PCI可并行工作。PCI控制器能自动执行数据缓冲区到外设的传输，无须CPU干预。支持总线主控技术。允许主控部件（智能设备或多处理器中任一处理器）取得总线控制权，加速数据传输。具有自动配置功能，支持即插即用。,3、PCI总线的引脚,PCI总线支持32位和64位接口卡，64位卡有94个接插点，32位卡仅有接插点162,-|PCI Compo
26、nent Side(side B)|optional|_ mandatory 32-bit pins 64-bit pins _|_|-|-|b01 b11 b14 b49 b52 b62 b63 b94,PCI总线引线示意图,“#”：表示低电平有效，否则为高电平有效,系统信号CLK:系统时钟信号。为所有处理提供定时，在时钟的上升沿采样总线上各信号线的信号。CLK的频率称为PCI总线的工作频率，为33MHz。RST#:复位信号。用来使PCI所有的特殊寄存器、定序器和信号恢复初始状态。,地址和数据信号 AD31:00 地址和数据共用相同的PCI引脚。FRAME#有效时是地址期，IRDY#与TRD
27、Y#同时有效时是数据期。一个PCI总线传输事务包含了一个地址信号期和接着的一个(或多个)数据期。C/BE3:0 总线命令和字节使能多路复用信号。在地址期,定义总线命令;在数据期,用作字节使能。PAR 奇偶校验信号。它通过 AD31:00 和C/BE3:0进行奇偶校验。,接口控制信号 FRAME#:当一个主控设备请求总线时，采样FRAME#、IRDY#，若均为无效电平，并且同一时钟的上升沿GNT#为有效电平，就认定以获得总线控制权。在主控设备发起传输时，将FRAME#驱动为有效电平，并一直保持，直到开始传输最后一个数据时将FRAME#驱动为无效电平。IRDY#:主设备准备好信号。当与TRDY#同
28、时有效时,数据能完整传输。在写周期,IRDY#指出数据已在AD31:00上;在读周期,IRDY#指示主控器准备接收数据。TRDY#:从设备准备好信号。预示从设备准备完成当前的数据传输。在读周期,TRDY#指示数据变量已在AD31:0中;在写周期,指示从设备准备好接收数据。STOP#:从设备要求主设备停止当前数据传送。LOCK#:锁定信号。用于锁定目标存储器地址。IDSEL:初始化设备选择。在参数配置读写传输期间,用作设备配置寄存器的片选信号。DEVSEL#:设备选择信号。该信号有效时,表明总线上某设备被选中。,仲裁信号 REQ#:总线占用请求信号。任何主控器都有它自己的REQ#信号。GNT#:
29、总线占用允许信号,指明总线占用请求已被响应。任何主设备都有自己的GNT#。,总线命令,总线命令在地址期 C/BE3:0#线有效时被译码，表明事务的类型,0000 中断确认 中断识别命令 0001 特殊周期 提供在PCI上的简单广播机制 0010 I/O读 从I/O口地址中读数据 0011 I/O写 向I/O地址空间写数据0110 存储器读 从内存空间中读出数据 0111 存储器写 向内存空间写入数据 1100 多重存储器读 只要FRAME#有效,就应保持存储器管道连续,以便大量传输数据,数据传输,Master置REQ#仲裁器许可（GNT#）FRAME#,AD放slave地址，C/BE#放命令信
30、号地址译码，slave置DEVSEL#IRDY#，TRDY#AD放数据master只剩最后一组数据时将FRAME#置高放开IRDY#释放总线控制权,数据传输,数据传输由启动方（主控）和目标方（从控）共同完成所有事件在时钟下降沿同步，在时钟上升沿对信号线采样,系统时钟标志传输开始与结束地址/数据复用总线命令/字节使能信号master可以传输数据标志slave可以传输数据标志slave发现自己被寻址时置低应答,#,a.总线主控设备获得总线控制权后，将FRAME#驱动至有效电平，开始此次传输。同时启动方将目标设备的地址放在AD总线上，命令放在C/BE#线上。b.目标设备从地址总线上识别出。c.启动方
31、停止启动AD总线，同时改变C/BE#线上的信号，并驱动IRDY#至有效电平，表示已作好接收数据的准备。,系统时钟标志传输开始与结束地址/数据复用总线命令/字节使能信号master可以传输数据标志slave可以传输数据标志slave发现自己被寻址时置低应答,#,d.目标设备将DEVSEL#驱动至有效电平，将被请求的数据放在AD总线上，并将TRDY#至有效电平,表示总线上的数据有效。e.启动方读数据。f.目标设备未准备好传送第二个数据块，因此将TRDY#驱动至无效电平。,系统时钟标志传输开始与结束地址/数据复用总线命令/字节使能信号master可以传输数据标志slave可以传输数据标志slave发
32、现自己被寻址时置低应答,#,g.第6个时钟，目标方已将第三个数据块放到数据总线上，但启动方未准备好，故因此将IRDY#驱动至无效电平。i.启动方知道第三个数据块是要传输的最后一个，将FRAME#驱动至无效电平，停止目标方，同时将IRDY#驱动至有效电平，完成接收。j.启动方将IRDY#驱动至无效电平，总线回到空闲状态。,系统时钟标志传输开始与结束地址/数据复用总线命令/字节使能信号master可以传输数据标志slave可以传输数据标志slave发现自己被寻址时置低应答,#,4、双口RAM：快速双向数据交换通道,要实现PC机和运动控制卡之间的数据传送，必须在PC机和运动控制卡之间建立起双向的数据
33、交换通道，双口RAM是一种性能优良的快速通信器件，适用于多CPU分布式系统及高速数字系统的场合。它提供了两路完全独立的端口，每个端口都有完整的地址、数据、控制线。对器件两边的使用者而言，它与一般RAM并无大的区别，只有在两边同时读写同一地址单元时，才发生争用现象，利用双口RAM提供的指示信号，采用合适的通信规则，可以避免争用，实行快速数据交换。,上位PC机与单片机8031之间选用2KX8位的带中断请求信号INT和忙信号BUSY的IDT71321,I/O寻址控制,11位地址线,8位数据线,IDT71321提供了硬件判优和中断判优两种方式，分别利用INT和BUSY引脚信号。当两端口争用同一地址单元式，由片内硬件电路，根据两边的地址、片选、读写信号到达的先后顺序，裁决哪端口有使用权。如左端口优先使用，则自动将右端口的BUSYR信号拉为低电平，通知右侧暂停读写操作。当使用中断功能时，每个端口各分配
