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運動(dòng)控制系統中的上位控制單元
摘要：信息時(shí)代的高新技術(shù)流向傳統產(chǎn)業(yè)，引起后者的深刻變革。作為傳統產(chǎn)業(yè)之一的機械工業(yè)，在這場(chǎng)新技術(shù)革命沖擊下，產(chǎn)品結構和生產(chǎn)系統結構都發(fā)生了質(zhì)的躍變，微電子技術(shù)、微計算機技術(shù)使信息和智能與機械裝置和動(dòng)力設備相結合，促使機械工業(yè)開(kāi)始了一場(chǎng)大規模的機電一體化技術(shù)革命……關(guān)鍵詞：運動(dòng)控制系統 上位控制單元 方案 信息時(shí)代的高新技術(shù)流向傳統產(chǎn)業(yè)，引起后者的深刻變革。作為傳統產(chǎn)業(yè)之一的機械工業(yè)，在這場(chǎng)新技術(shù)革命沖擊下，產(chǎn)品結構和生產(chǎn)系統結構都發(fā)生了質(zhì)的躍變，微電子技術(shù)、微計算機技術(shù)使信息和智能與機械裝置和動(dòng)力設備相結合，促使機械工業(yè)開(kāi)始了一場(chǎng)大規模的機電一體化技術(shù)革命。隨著(zhù)計算機電子電力和傳感器技術(shù)的發(fā)展，各先進(jìn)國家機電一體化產(chǎn)品層出不窮。機床、汽車(chē)、儀表、家用電器、輕工機械、紡織機械、包裝機械、印刷機械、冶金機械、化工機械以及工業(yè)機器人、智能機器人等許多門(mén)類(lèi)產(chǎn)品每年都有新的進(jìn)展。機電一體化技術(shù)已越來(lái)越受到各方面的關(guān)注，它在改善人民生活、提高工作效率、節約能源、降低材料消耗、增強企業(yè)競爭力等方面起著(zhù)極大的作用。在機電一體化技術(shù)迅速發(fā)展的同時(shí)，運動(dòng)控制技術(shù)作為其關(guān)鍵組成部分，也得到前所未有的大發(fā)展。
在一個(gè)運動(dòng)控制系統中“上位控制”和“執行機構”是系統中舉足輕重的兩個(gè)組成部分�！皥绦袡C構”部分一般不外乎：步進(jìn)電機，伺服電機，以及直流電機等。它們作為執行機構，帶動(dòng)刀具或工件動(dòng)作，我們稱(chēng)之為“四肢”；“上位控制”單元的方案主要有四種：?jiǎn)纹瑱C系統，專(zhuān)業(yè)運動(dòng)控制plc，pc 運動(dòng)控制卡，專(zhuān)用控制系統�！吧衔豢刂啤笔恰爸笓]”執行機構動(dòng)作的，我們也稱(chēng)之為“大腦”。以下，我們將分述系統中的“大腦”中的各個(gè)部分，并詳盡地論述“pc 運動(dòng)控制卡”方案。
一、用單片機系統來(lái)實(shí)現運動(dòng)控制。
此系統由單片機芯片、外圍擴展芯片以及通過(guò)搭建外圍電路組成。在“位置控制”方式時(shí)，通過(guò)單片機的i/o口發(fā)數字脈沖信號來(lái)控制執行機構行走；“速度控制”方式時(shí)，需加d/a轉換模塊輸出模擬量信號達到控制。此方案優(yōu)點(diǎn)在于成本較低，但由于一般單片機i/o口產(chǎn)生脈沖頻率不高，對于分辨率高的執行機構尤其是對于控制伺服電機來(lái)說(shuō)，存在速度達不到，控制精度受限等缺點(diǎn)。對于運動(dòng)控制復雜的場(chǎng)合，例如升降速的處理，多軸聯(lián)動(dòng)，直線(xiàn)、圓弧插補等功能實(shí)現起來(lái)都需要自己編寫(xiě)算法，這必將帶來(lái)開(kāi)發(fā)起來(lái)難度較大，研發(fā)周期較長(cháng)，調試過(guò)程煩瑣，系統一旦定型不太容易擴充功能、升級、柔性不強等問(wèn)題。因此這種方案一般適用于產(chǎn)品批量較大、運動(dòng)控制系統功能簡(jiǎn)單、且有豐富的單片機系統開(kāi)發(fā)經(jīng)驗的用戶(hù)。
二、采用專(zhuān)業(yè)運動(dòng)控制plc來(lái)實(shí)現運動(dòng)控制。
目前，許多品牌的plc都可選配定位控制模塊，有些plc的cpu單元本身就具有運動(dòng)控制功能（如松下nais的fp0，fpσ系列），包括脈沖輸出功能，模擬量輸出等等。使用這種plc來(lái)做運動(dòng)控制系統的上位控制時(shí)，可以同時(shí)利用plc的i/o口功能，可謂一舉兩得。plc通常都采用梯形圖編程，對開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單易學(xué)，省時(shí)省力。還有一點(diǎn)不可忽視，就是它可以與hmi（人機界面）進(jìn)行通訊，在線(xiàn)修改運動(dòng)參數，如軸號，速度，位移等。這樣整個(gè)控制系統中從輸入到控制再到顯示，非常便利。一方面將界面友好化，另一方面將控制系統的成本從整體上節省了。但具有脈沖輸出功能的plc大多都是晶體管輸出類(lèi)型的，這種輸出類(lèi)型的輸出口驅動(dòng)電流不大，一般只有0.1~0.2a。在工業(yè)生產(chǎn)中，作為plc驅動(dòng)的負載來(lái)說(shuō)，很多繼電器開(kāi)關(guān)的容量都要比這大，需要添加中間放大電路或轉換模塊。與此同時(shí)，由于plc的工作方式（循環(huán)掃描）決定了它作為上位控制時(shí)的實(shí)時(shí)性能不是很高，要受plc每步掃描時(shí)間的限制。而且控制執行機構進(jìn)行復雜軌跡的動(dòng)作就不太容易實(shí)現，雖說(shuō)有的plc已經(jīng)有直線(xiàn)插補、圓弧插補功能，但由于其本身的脈沖輸出頻率也是有限的（一般為10k~100k），對于諸如伺服電機高速高精度多軸聯(lián)動(dòng)，高速插補等動(dòng)作，它實(shí)現起來(lái)仍然較為困難。這種方案主要適用于運動(dòng)過(guò)程比較簡(jiǎn)單、運動(dòng)軌跡固定的設備，如送料設備、自動(dòng)焊機等。
三、采用專(zhuān)用數控系統作為上位控制。
專(zhuān)用的數控系統一般都是針對專(zhuān)用設備或專(zhuān)用行業(yè)而設計開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的，像專(zhuān)用車(chē)床數控系統，銑床數控系統，切割機數控系統等等。它集成了計算機的核心部件，輸入、輸出外圍設備以及為專(zhuān)門(mén)應用而開(kāi)發(fā)的軟件。由于是“專(zhuān)業(yè)對口”，人們可以盡情發(fā)揮“拿來(lái)主義”。不需要進(jìn)行什么二次開(kāi)發(fā)，對使用者來(lái)說(shuō)只需通過(guò)熟悉過(guò)程達到能操作的目的就行。在這方面，國外知名品牌的產(chǎn)品在我國制造行業(yè)中早已占領(lǐng)了了領(lǐng)地，如西門(mén)子，法那克，法格，海寶等等。當然，之所以它們能大規模廣泛地被采用和這種專(zhuān)用數控系統，是因為其功能豐富，性能穩定可靠。但為之付出的代價(jià)就是高成本。因此，適用于控制要求較高且產(chǎn)品檔次較高的數控設備生產(chǎn)廠(chǎng)家和使用者。
四、采用pc 運動(dòng)控制卡作為上位控制的方案。
隨著(zhù)pc（personal computer）的發(fā)展和普及，采用pc 運動(dòng)控制卡作為上位控制將是運動(dòng)控制系統的一個(gè)主要發(fā)展趨勢。這種方案可充分利用計算機資源，用于運動(dòng)過(guò)程、運動(dòng)軌跡都比較復雜，且柔性比較強的機器和設備。從用戶(hù)使用的角度來(lái)看，基于pc機的運動(dòng)控制卡主要是功能上的差別：硬件接口（輸入/輸出信號的種類(lèi)、性能）和軟件接口（運動(dòng)控制函數庫的功能函數）。按信號類(lèi)型一般分為：數字卡和模擬卡。數字卡一般用于控制步進(jìn)電機和伺服電機，模擬卡用于控制模擬式的伺服電機；數字卡可分為步進(jìn)卡和伺服卡，步進(jìn)卡的脈沖輸出頻率一般較低（幾百k左右的頻率），適用于控制步進(jìn)電機；伺服卡的脈沖輸出頻率較高（可達幾兆的頻率），能夠滿(mǎn)足對伺服電機的控制。目前隨著(zhù)數字式伺服電機的發(fā)展和普及，數字卡逐漸成為運動(dòng)控制卡的主流。
從運動(dòng)控制卡的主控芯片來(lái)看，一般有三種形式：?jiǎn)纹瑱C，專(zhuān)用運動(dòng)控制芯片，dsp。
以單片機為主控芯片的運動(dòng)控制卡，成本較低，外圍電路較為復雜。由于這種方案仍是采用在程序中靠延時(shí)來(lái)控制發(fā)脈沖，脈沖波形的質(zhì)量和頻率都受到限制，一般用這種卡控制步進(jìn)電機；以專(zhuān)用運動(dòng)控制芯片為主控芯片的運動(dòng)控制卡成本較高，但其運動(dòng)控制功能有硬件電路實(shí)現，而且集成度高，所以可靠性、實(shí)時(shí)性都比較好；輸出脈沖頻率可以達到幾兆赫茲，能夠滿(mǎn)足對步進(jìn)電機和數字式伺服電機的控制。以dsp（digital signal processor）為主控芯片的運動(dòng)控制卡利用了dsp對數字信號的高速處理，能夠實(shí)時(shí)完成極其復雜的運動(dòng)軌跡，常用于像工業(yè)機器人等運動(dòng)復雜的自動(dòng)化設備中。
運動(dòng)控制卡是基于pc機各種總線(xiàn)的步進(jìn)電機或數字式伺服電機的上位控制單元，總線(xiàn)形式也是多種多樣，通常使用的是基于isa總線(xiàn)，pci總線(xiàn)的。而且由于計算機主板的更新?lián)Q代，isa插槽都越來(lái)越少了，pci總線(xiàn)的運動(dòng)控制卡應該是目前的主流�？ㄉ蠈�(zhuān)用cpu與pc機cpu構成主從式雙cpu控制模式：pc機cpu可以專(zhuān)注于人機界面、實(shí)時(shí)監控和發(fā)送指令等系統管理工作；卡上專(zhuān)用cpu來(lái)處理所有運動(dòng)控制的細節：升降速計算、行程控制、多軸插補等，無(wú)需占用pc機資源。同時(shí)隨卡還提供功能強大的運動(dòng)控制軟件庫：ｃ語(yǔ)言運動(dòng)庫、windows dll動(dòng)態(tài)鏈接庫等，讓用戶(hù)更快、更有效地解決復雜的運動(dòng)控制問(wèn)題。運動(dòng)控制卡的功能圖如下：（以mpc02為例）
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