基于PMAC的時(shí)基控制(電子凸輪)原理與應(yīng)用.doc

基于PMAC的時(shí)基控制（電子凸輪）原理與應(yīng)用李顯 湯以范 何法江 （上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院 201620）摘要: 本文概要地介紹了PMAC的結(jié)構(gòu)原理, 主要討論了PMAC 的時(shí)基控制的原理與功能， 并給出了實(shí)際應(yīng)用的例子。關(guān)鍵詞：PMAC時(shí)基控制編碼器The Principle of PMACs Time-based control and its ApplicationLI Xian TANG Yi-Fan HE Fa-JiangAbstract: PMACs structure and principle were introduced , the principle and function of the PMACs Time-based control were discussed , and practical example was given.Keywords : PMAC; PMAC Time-based control; Encoder.1 開(kāi)放式控制器PMAC簡(jiǎn)介PMAC ( Programmable Multi-Axis Controller)可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器，是美國(guó)Delta Tau Data System 公司于推出的PC 機(jī)平臺(tái)上的運(yùn)動(dòng)控制器,是一個(gè)完全開(kāi)放的系統(tǒng)。它采用了Motorola 公司的高性能信號(hào)數(shù)字處理器DSP5600作為CPU ,是世界上功能最強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制器之一。從硅谷計(jì)算機(jī)硬盤(pán)的超高精度的伺服磁道寫(xiě)入，到高級(jí)CNC 機(jī)械控制，以及機(jī)器人、硅晶片處理、激光切割等廣大領(lǐng)域，最著名的例子是PMAC 被用來(lái)控制哈勃望遠(yuǎn)鏡鏡面的修磨。PMAC 可以控制步進(jìn)、交直流伺服、直線電機(jī)、液壓伺服等各類電機(jī)，可以接受諸如增量絕對(duì)碼盤(pán)、光柵尺、激光干涉儀、電位計(jì)、旋轉(zhuǎn)變壓器等檢測(cè)元件的反饋功能。另外，由于作為CNC 最深層次的NC 內(nèi)核的開(kāi)放，PMAC 允許用戶使用諸如VC+ 、C、C+ 、VB、Delphi 等多種語(yǔ)言開(kāi)發(fā)程序,極大地方便了用戶。2 PMAC的結(jié)構(gòu)及原理PMAC外形簡(jiǎn)易圖如下: 圖1 PMAC結(jié)構(gòu)框圖J1 : 模擬量輸入口, 此接口可接受16路0-5V12位的模擬信號(hào)J2 : 多端口I/O擴(kuò)展口, 可提供8進(jìn)8出點(diǎn)供用戶使用J3 : 通用I/O接口, 此接口可提供16進(jìn)16出輸入輸出點(diǎn)J4 : 光纜接口, 用于與具有光纜接口驅(qū)動(dòng)器和I/ O 板使用J5 : 串行數(shù)據(jù)接口, 可與上位機(jī)進(jìn)行串口通訊J6 : 顯示器接口J7 : 手輪編碼器接口, 可接收手輪脈沖或編碼器信號(hào)J8 : 位置比較相等輸出信號(hào)接口J9J12 : 18 號(hào)電機(jī)的輸入輸出接口PMAC 運(yùn)動(dòng)控制器提供了運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制、離散控制、內(nèi)部處理、同主機(jī)的交互等基本功能,伺服控制包括PID 和速度、加速度前饋控制。它的速度、分辨率、帶寬、伺服控制精度等指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于一般的控制器。它能夠?qū)Υ鎯?chǔ)在內(nèi)部的程序進(jìn)行單獨(dú)運(yùn)算，執(zhí)行運(yùn)動(dòng)程序、PLC 程序進(jìn)行伺服環(huán)更新，并以串口、總線兩種方式與主計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。PMAC 本身就是一臺(tái)完整的計(jì)算機(jī),能夠完全獨(dú)立于操作系統(tǒng)之外處理存儲(chǔ)的程序，進(jìn)行加工。而且它還可以自動(dòng)對(duì)任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先等級(jí)判別，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)的多任務(wù)處理，這使得它在處理時(shí)間和任務(wù)切換這兩方面大大減輕主機(jī)和編程器的負(fù)擔(dān)。即使在主機(jī)控制之下,兩者之間的通訊也是一臺(tái)計(jì)算機(jī)和另一臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的通訊，而不是計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備的通訊。通過(guò)特定設(shè)計(jì)的門(mén)陣列ICS(作為DSP - GATE)，PMAC 實(shí)現(xiàn)CPU 與軸的通信。PMAC 所控制的8 根軸既可聯(lián)動(dòng)，亦可在各自的坐標(biāo)系中完成各自獨(dú)立的完全運(yùn)動(dòng)。3 關(guān)于PMAC時(shí)基控制(電子凸輪) PMAC 有許多強(qiáng)大的特性來(lái)幫助它所控制的運(yùn)動(dòng)與外部事件同步。這些特殊性包括:位置跟隨，通常叫做電子齒輪;時(shí)基控制,通常叫做電子凸輪；位置捕捉，在定位操作中很有用處；位置比較，可用于精確的掃描與測(cè)量功能。下面就其中的時(shí)基控制功能進(jìn)行詳細(xì)的描述。時(shí)基控制是一種與外部軸協(xié)調(diào)的更復(fù)雜的方法，即用輸入信號(hào)的頻率來(lái)控制運(yùn)動(dòng)和程序的執(zhí)行速率。時(shí)基控制在整個(gè)坐標(biāo)系中進(jìn)行，每一次必須指定哪一個(gè)編碼器寄存器接收輸入頻率，以及輸入頻率與程序執(zhí)行速度間的關(guān)系。這不僅使運(yùn)動(dòng)速度與輸入頻率成比例（頻率始終在接近零），而且保持所有位置的同步。PMAC的運(yùn)動(dòng)語(yǔ)言把位置軌跡表示成時(shí)間的函數(shù)。無(wú)論運(yùn)動(dòng)是由時(shí)間直接決定,還是通過(guò)速度，最終軌跡都是被定義成位置與時(shí)間之間的函數(shù)。這對(duì)于大多數(shù)的應(yīng)用是好的，但是，在一些應(yīng)用中，有時(shí)需要PMAC的軸從動(dòng)于不在PMAC 控制下的一根外部軸(或者有時(shí)是在PMAC 控制下的另外一個(gè)坐標(biāo)系的獨(dú)立軸) 。在這些應(yīng)用中，更希望把PMAC 有軌跡定義成主位置的函數(shù)而不是時(shí)間。PMAC 完成這一功能的方法是使“時(shí)間”同主軸通過(guò)的距離成比例,而不是通過(guò)語(yǔ)言表達(dá)成“時(shí)間”的函數(shù),這是通過(guò)定義一個(gè)從主軸位置傳感器得到的“實(shí)時(shí)輸入頻率”來(lái)完成的。它的單位是步/ ms。時(shí)基控制通過(guò)從上一個(gè)伺服周期以來(lái)的每個(gè)指令位置更新來(lái)工作，而伺服周期的實(shí)際時(shí)間并沒(méi)有改變，伺服環(huán)的動(dòng)態(tài)性能也沒(méi)有改變。僅僅是指令軌跡的速率隨外部頻率而變化，而由于坐標(biāo)系內(nèi)所有軌跡一起變化，所以空間的路徑并沒(méi)有改變。4 時(shí)基控制的應(yīng)用實(shí)例我們以車床上加工多線螺紋為例介紹PMAC卡如何利用一個(gè)外部時(shí)基進(jìn)行復(fù)雜的精確從動(dòng)。PMAC將它的切削軸從動(dòng)于主軸編碼器，使得刀具速度跟蹤主軸速度，從而得到恒定的螺距，這可以在時(shí)基控制下完成。為主軸定義一個(gè)“實(shí)時(shí)”速度，并以此設(shè)置時(shí)基常數(shù)。在假設(shè)主軸運(yùn)行于實(shí)時(shí)速度的前提下對(duì)從動(dòng)軸編寫(xiě)程序時(shí)基控制將會(huì)自動(dòng)主軸速度的變化。我們加工一個(gè)5螺距（每英寸5線）螺桿。假設(shè)主軸速度為50rps.因此切削速度為50（rev/sec）/5（rev/in）10in/sec.為了使刀具與每道螺紋配準(zhǔn)（50rev/sec20msec/rev）每個(gè)循環(huán)的程序時(shí)間必須精確地為20msec/rev的倍數(shù)。圖2 控制原理圖基本設(shè)定和程序編寫(xiě)如下：設(shè)定和定義：&1 ；在坐標(biāo)系統(tǒng)1中定義軸1-1000X ；電機(jī)1在X軸方向以1000cts徑向切削2-10000X ；電機(jī)2在X軸方向以10000cts切削主軸編碼器為1024線/rev或4096cts/rev.在實(shí)時(shí)速度為3000rpm(50rps)時(shí)，編碼器頻率為204.8cts/msec.按公式，時(shí)基常數(shù)為131,072/204.8640WY:1833,640 ；設(shè)置時(shí)基常數(shù)（在地址1833）11931183 ； 通知坐標(biāo)系統(tǒng)1用此地址作為時(shí)基來(lái)源運(yùn)動(dòng)程序如下：OPEN PROG 77 CLEAR ；準(zhǔn)備進(jìn)入程序緩存P100=3.00 ；X（徑向）與毛 距離P101=P100 ；切削起始位置RAPID X(P100-0.1) Z2 ；快速運(yùn)動(dòng)到起始位置WHILE(P1013.10) ；循環(huán)直到深度為0.1英寸P101=P101+0.01 ； 增加深切0.01TM100 ；100msec“切如”時(shí)間X(P101) ；進(jìn)入毛 的軸半徑（“切入）TM(24*1000/10) ；以10in/sec運(yùn)動(dòng)24英寸Z26 ；制造24英寸螺紋（26-2）TM60 ；60msec退刀時(shí)間X(P100-0.1) ；剛好退到毛 外TM(24*1000/30) ；以30in/sec運(yùn)動(dòng)24英寸Z20 ；從下一個(gè)螺紋反向運(yùn)動(dòng) ；循環(huán)中運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間為 ；100+2400+60+8003360msec ；正好是20msec的倍數(shù)或主軸轉(zhuǎn)一圈ENDWHILE ；結(jié)束循環(huán)RAPID X0 Z0 ；返回初始位置CLOSE5 結(jié)束語(yǔ) 本文分析了開(kāi)放式控制卡PMAC的時(shí)基控制原理，從中可以知道PMAC時(shí)基控制技術(shù)很好的解決了從動(dòng)坐標(biāo)系與主動(dòng)坐標(biāo)系的良好的同步問(wèn)題。這一功能可廣泛地應(yīng)用于機(jī)械制造、自動(dòng)控制等領(lǐng)域, 它可以使兩個(gè)不同的事件達(dá)到精確的同步運(yùn)行。參考文獻(xiàn)：1 黎凌霄，呂強(qiáng)中. 基于PC 柔性和開(kāi)放性的可編程多軸控制器 J