運動控制技術(shù)的發(fā)展是制造自動化前進的旋律,是推動新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)。運動控制器已經(jīng)從以單片機或微處理器為核心的運動控制器和以專業(yè)芯片(ASIC)作為核心處理器的運動控制器，發(fā)展到了基于PC總線的以DSP和FPGA作為核心處理器的開放式運動控制器。

    當今，隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，運動控制技術(shù)正在發(fā)生根本性的變革，由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。開放式體系結(jié)構(gòu)使運動控制系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適用性、擴展性。

    一、開放式運動控制系統(tǒng)

    按照IEEE定義，一個開放式運動控制系統(tǒng)應提供這樣的能力來自不同賣主的種種平臺上運行的應用都能夠在系統(tǒng)上完全實現(xiàn)，并能和其他系統(tǒng)應用互操作，且具有一致性的用戶界面。

    開放式運動控制系統(tǒng)的研究始于1987年，是由美國發(fā)起的。目前，通用運動控制器從結(jié)構(gòu)上主要分為如下三大類：

    1. 基于計算機標準總線的運動控制器

    這種運動控制器大都采用DSP或微機芯片作為CPU，可完成運動規(guī)劃、高速實時插補、伺服濾波控制和伺服驅(qū)動，外部IO之間的標準化通用接口功能，它開放的函數(shù)庫可提供用戶根據(jù)不同的需要，在DOS或Windows等平臺下開發(fā)應用軟件，組成各種控制系統(tǒng)。目前這種運動控制器得到了廣泛的應用。

    2. Soft型開放式運動控制器

    它提供給用戶最大的靈活性，它的運動控制軟件全部裝在計算機中，而硬件部分僅僅是計算機與伺服驅(qū)動和外部IO之間的標準化通用接口。用戶可以在WINDOWS平臺和其他操作系統(tǒng)的支持下，利用開放的運動控制內(nèi)核，開發(fā)所需要的控制功能，構(gòu)成各種類型的高性能運動控制系統(tǒng)，從而提供給用戶更多的選擇和靈活性。Soft型開放式運動控制的特點是開發(fā)，制造成本相對較低，能給予開發(fā)人員更加個性化的開發(fā)平臺。

    3. 嵌入式結(jié)構(gòu)的運動控制器

    這種運動控制器是把計算機嵌入到計算機控制器中的一種產(chǎn)品，它能夠獨立運行。運動控制器與計算機之間的通訊依靠計算機總線，實質(zhì)上是基于總線結(jié)構(gòu)的運動控制器的一種變種。對于標準總線的計算機模塊，這種類型的控制器采用了更加可靠的總線連接方式(采用針式連接器)，更加適合工業(yè)應用。在使用中，采用如工業(yè)以太網(wǎng)、RS485、SERCOS、PROFIBUS等現(xiàn)場網(wǎng)絡通訊接口連接上級計算機或控制面板。嵌入式的運動控制器也可配置軟盤和硬盤驅(qū)動器，甚至可以通過Internet進行遠程診斷。

    二、PC+運動控制卡的控制方案

    采用PC＋運動控制卡作為上位控制可充分利用計算機資源，用于運動過程、運動軌跡都比較復雜，且柔性比較強的機器和設備。從用戶使用的角度來看，基于PC機的運動控制卡主要是硬件接口(輸入輸出信號的種類、性能)和軟件接口(運動控制函數(shù)庫的功能函數(shù))的差異。

    運動控制卡是基于PC機各種總線的步進電機或數(shù)字式伺服電機的上位控制單元，總線形式也是多種多樣。由于計算機主板的更新?lián)Q代，ISA插槽都越來越少了，PCI總線的運動控制卡應該是目前的主流?？ㄉ蠈Ｓ肅PU與PC機CPU構(gòu)成主從式雙CPU控制模式。PC機CPU可以專注于人機界面、實時監(jiān)控和發(fā)送指令等系統(tǒng)管理工作;卡上專用CPU來處理所有運動控制的細節(jié)升降速計算、行程控制、多軸插補等，無需占用PC機資源。同時隨卡還提供功能強大的運動控制軟件庫Ｃ語言運動庫、Windows DLL動態(tài)鏈接庫等，讓用戶更快、更有效地解決復雜的運動控制問題。

    運動控制卡采用了開放式結(jié)構(gòu)，使用簡便，功能豐富，可靠性高。若采用PC機的PCI總線方式，卡上無需進行任何跳線設置，所有資源自動配置，并且所有的輸入、輸出信號均用光電隔離，提高了控制卡的可靠性和抗干擾能力;在軟件方面提供了豐富的運動控制函數(shù)庫，以滿足不同的應用要求。用戶只需根據(jù)控制系統(tǒng)的要求編制人機界面，并調(diào)用控制卡運動函數(shù)庫中的指令函數(shù)，就可以開發(fā)出既滿足要求又成本低廉的多軸運動控制系統(tǒng)。

    運動函數(shù)庫為單軸及多軸的步進或伺服控制提供了許多運動函數(shù)，如單軸運動、多軸獨立運動、多軸插補運動等等。另外，為了配合運動控制系統(tǒng)的開發(fā)，還提供了一些輔助函數(shù)，如中斷處理、編碼器反饋、間隙補償，運動中變速等。

    正是由于運動控制卡的開放式結(jié)構(gòu)，強大而豐富的軟件功能，對于使用者來說進行二次開發(fā)的設計周期縮短了，開發(fā)手段增多了，針對不同的數(shù)控設備，其柔性化、模塊化、高性能的優(yōu)勢得以被充分利用。

    三、開放式多軸運動控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

    整個系統(tǒng)以基于“PC機＋運動控制卡”為核心，采用ADT850運動控制卡加松下數(shù)字交流伺服驅(qū)動器構(gòu)成一個開放式硬件結(jié)構(gòu)。同時配備內(nèi)容豐富、功能強大的運動函數(shù)庫，采用VC++面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，實現(xiàn)PC機、運動控制卡和伺服驅(qū)動器之間的通訊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 二軸運動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

    PC機負責人機交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控等方面的工作，例如鍵盤和鼠標的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、控制指令的發(fā)送、外部信號I0的監(jiān)控等等。其中，脈沖信號控制電機所走的步數(shù)，方向信號控制電機正反轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)二軸的位置控制。X軸和Y軸原點、限位檢測是通過一組機械開關(guān)來實現(xiàn)，原點檢測開關(guān)用來生成用戶二維運動系統(tǒng)坐標系原點，限位檢測開關(guān)確保每軸工作行程極限。這些狀態(tài)信號經(jīng)邏輯電平整形電路、光電隔離電路后送入運動控制卡狀態(tài)寄存器中，由CPU隨時讀出，達到對IO狀態(tài)信號的檢測。在硬件上，由于采用了光電隔離措施，這樣，既隔離了外設對內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)的干擾，又能有效地防止過電壓、過電流等外界突發(fā)事件對計算機系統(tǒng)的損壞，大大提高了系統(tǒng)的控制精度和可靠性。

    本系統(tǒng)充分發(fā)揮了PC機軟件資源豐富和計算速度快的優(yōu)點，吸收CADCAM的特點，在利用造型軟件生成零件圖后，再利用數(shù)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為加工G代碼，將指令G代碼與機床實際位置進行分析比較產(chǎn)生瞬時速度，然后由板卡將其解釋為運動軌跡控制函數(shù)，最后通過調(diào)用運動函數(shù)庫內(nèi)的插補程序段，輸出脈沖和方向信號，控制半閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)帶動工作臺運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)所希望的空間軌跡路徑動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)精度。

    四、基于Visual C++多軸運動控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)

    Visual C++是一個在Windows環(huán)境下的程序開發(fā)工具，它是可視化的、面向?qū)ο蟮?，采用事件?qū)動的。它屏蔽了Windows環(huán)境下程序設計的復雜性，使Windows應用程序設計變得簡單、方便、快捷。利用ADT850運動控制卡的動態(tài)鏈接庫DLL可以很快開發(fā)出Windows平臺下的運動控制系統(tǒng)。ADT850運動控制卡動態(tài)鏈接庫是標準的Windows 32位動態(tài)鏈接庫，選用的開發(fā)工具應支持Windows標準的32位DLL調(diào)用。#p#分頁標題#e#

    基于PC+運動控制卡多軸運動控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)需由ADT850運動控制卡配套光盤提供開發(fā)庫中的三個文件，一個是靜態(tài)庫ADT850.LIB，一個是頭文件ADT850.H，一個是WindowsNT2000使用的文件winio.sys，動態(tài)庫中的函數(shù)已在頭文件ADT850.H中有聲明，用戶可以直接調(diào)用其中的函數(shù)。ADT850函數(shù)庫中提供常用的單軸運動，多軸獨立運動控制，多軸插補運動控制，中斷、等功能。

    每塊ADT850卡最多可以控制四軸的運動，當需要控制多個軸時，可以在PC機上插入幾塊卡，而在編程時，把它們當成一個整體對待，各卡之間的軸與同一塊卡上的軸也同樣能夠進行聯(lián)動或插補，這樣就能實現(xiàn)多于四軸的運動控制。一臺計算機上可同時使用的ADT850卡的數(shù)目取決于PCI擴展槽的數(shù)目。

    五、結(jié)語

    以基于“PC機＋運動控制卡”為核心的開放式多軸運動控制系統(tǒng)的已經(jīng)成功的應用到了南京工業(yè)大學研發(fā)的二維交流伺服系統(tǒng)的高精度X-Y坐標繪圖儀上，取得了很好的控制性能。利用Visual C++在Windows平臺上，對ADT850運動函數(shù)庫二次開發(fā)，可以很快的開發(fā)出用戶界面和自己的控制系統(tǒng)，大大節(jié)省了開發(fā)周期和開發(fā)費用。