基于伺服電機(jī)和運(yùn)動控制器的目標(biāo)仿真實(shí)時(shí)性控制研究

　　運(yùn)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　整個(gè)控制系統(tǒng)硬件由PC機(jī)、DMC5400多軸控制器、增量式編碼器以及松下公司的全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)(包括電機(jī)和驅(qū)動器)、中空力矩電機(jī)等組成(見圖3)。

　　該控制系統(tǒng)以PC機(jī)平臺為基礎(chǔ)，DMC5400多軸運(yùn)動控制器為運(yùn)動控制核心。PC機(jī)的CPU與DMC5400的CPU構(gòu)成上下位機(jī)的結(jié)構(gòu)，兩個(gè)CPU各自完成相應(yīng)的任務(wù)。

　　PC機(jī)作為DMC5400的上位機(jī)，提供Windows平臺及人機(jī)操作界面，完成系統(tǒng)初始化、軌跡參數(shù)的設(shè)定、運(yùn)動信息的實(shí)時(shí)顯示等，僅需用極少部分時(shí)間向控制卡發(fā)送運(yùn)動指令。下位DMC5400多軸運(yùn)動控制器主要完成平移電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)的運(yùn)動控制，包括伺服驅(qū)動、程序解釋以及高速數(shù)據(jù)采集等實(shí)時(shí)性任務(wù)。DMC5400直接插在PC機(jī)的PCI插槽中，并由動態(tài)鏈接庫驅(qū)動。

　　運(yùn)動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　該控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種以DMC5400為核心組成的開放式數(shù)控系統(tǒng)。上位PC機(jī)和下位DMC5400多軸控制器各有自己的CPU、存儲器和外設(shè)，分別構(gòu)成一套獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。因此，在選擇控制軟件的開發(fā)平臺時(shí)充分考慮了這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。由于DMC5400多軸控制器采用了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，數(shù)控程序代碼解釋工作和連續(xù)運(yùn)動時(shí)復(fù)雜的插補(bǔ)運(yùn)算都由其內(nèi)部的DSP來完成，可以保證對運(yùn)算過程和各種緊急情況的及時(shí)處理。相對而言，上位PC機(jī)只是提供與用戶交互部分和一些狀態(tài)變量的讀取工作，CPU的工作量不是很大。

　　上位機(jī)軟件

　　上位機(jī)軟件的組成如圖4所示。

　　初始化模塊：實(shí)現(xiàn)零位標(biāo)定等功能。

　　軌跡和參數(shù)設(shè)定模塊：根據(jù)不同的運(yùn)動功能和軌跡，提供了相應(yīng)的參數(shù)設(shè)定界面，其中包括參數(shù)合理性判別、缺省值提供等輔助功能。

　　運(yùn)動信息實(shí)時(shí)顯示模塊：通過與DMC5400實(shí)時(shí)通訊，動態(tài)采集負(fù)載位置和速度等運(yùn)動信息。然后，借助CB開發(fā)的帶有二維坐標(biāo)系的顯示界面，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動態(tài)顯示負(fù)載運(yùn)動軌跡，同時(shí)動態(tài)顯示左右兩個(gè)軟硬限位狀態(tài)。另外，在界面的右下角還實(shí)時(shí)動態(tài)顯示負(fù)載的位置和速度數(shù)據(jù)。

　　故障診斷模塊：內(nèi)嵌于各功能模塊中，如設(shè)定值合理性判別、鍵盤操作功能保護(hù)、界面功能按鈕的連鎖、電機(jī)限速保護(hù)、位置超速保護(hù)等。

　　通訊模塊：利用DMC5400提供的動態(tài)鏈接庫編制，實(shí)現(xiàn)上位PC機(jī)和下位DMC5400之間的通訊。它內(nèi)嵌于各功能模塊中，囊括了同DMC5400通訊的所有方式，而且將其主要的函數(shù)進(jìn)行分類、封裝。所編制的通訊程序?qū)崿F(xiàn)了運(yùn)動軌跡程序及設(shè)定參數(shù)的下載、上位PC機(jī)對DMC5400的指令傳輸及DMC5400對PC機(jī)的狀態(tài)反饋等通訊功能。

　　下位機(jī)軟件

　　控制下位機(jī)是運(yùn)動控制系統(tǒng)的直接控制級，構(gòu)成可控?cái)U(kuò)束和可控衰減兩個(gè)獨(dú)立的伺服控制回路。其功能包括：實(shí)現(xiàn)目標(biāo)運(yùn)動的實(shí)時(shí)控制;采用相應(yīng)的控制算法，對系統(tǒng)的運(yùn)行位置、速度進(jìn)行控制;將檢測到的系統(tǒng)狀態(tài)信號通過PCI總線傳給上位機(jī)。DMC5400的運(yùn)動控制功能十分豐富，可以滿足絕大多數(shù)多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的要求[3]。

　　DMC5400運(yùn)動控制卡提供基于Windows 95 /98/Me/NT/2000/XP下32位DLL驅(qū)動編程。其具體的編程語言可為VB、VC、C++Builder中的任何一種。在運(yùn)動函數(shù)庫中所使用到的函數(shù)主要有如下幾種：控制卡及軸設(shè)置函數(shù)，獨(dú)立運(yùn)動和插補(bǔ)運(yùn)動函數(shù)，制動函數(shù)，位置和狀態(tài)的設(shè)置及查詢函數(shù)，I/O口操作函數(shù)，錯(cuò)誤代碼函數(shù)。其函數(shù)返回值為0(函數(shù)執(zhí)行正確)或-1(函數(shù)執(zhí)行錯(cuò)誤)。其控制系統(tǒng)的流程圖如圖5所示。