提高运动控制技术水平的捷径

－－pmac 2a-pc/104运动控制卡应用心得

　　由于单片机成本低、集成度高、使用方便，现在自动化设备的运动控制中被广泛应用，但是受到其性能的限制，很难控制3轴以上的设备；plc工作可靠、控制的i/o点数多，但控制2个电机进行插补运动困难，控制多轴设备时，运动控制器的成本高。
　　近年来国内基于dsp的运动控制卡已经在自动化设备上得到应用，能够进行2轴的圆弧插补、空间直线插补及多轴控制，价格也不高。但是，这类卡必须和工控机配合使用，在功能上还不够完善，如：在专用数控机床、机器人控制方面仍然需要做大量的软件开发工作。
　　pmac 2a-pc/104运动控制卡是美国delta tau公司推出的第5代产品，其性价比极高，尤其是其软件功能十分强大。它的应用使我们的自动化设备控制系统的性能大幅提高、研发周期也明显缩短。

　　1、pmac 2a-pc/104运动控制卡的主要性能
　　pmac 2a-pc/104运动控制卡采用标准的嵌入式pc/104计算机的结构，其尺寸小巧、系统扩展方便。
其主板采用motorola 56300系列dsp作为其cpu，主频为40mhz。有128k sram、512k闪存。可控制4到8轴各类电机，如：步进电机、交流伺服电机、直流伺服（有刷、无刷、直线）电机等等。主板上有4个电机接口和一个rs-232接口，其外观如图1所示。另4个电机需要接在电机接口扩展板acc-1p上，它是用104总线插座和主板连接起来的，如图2所示。
　　每个电机接口都提供1个12位的±10v模拟控制信号；1组脉冲和方向控制信号；3个pwm控制信号；3个编码器输入信号；4个输入2个输出开关信号，用于限位、回零、使能控制，也可以定义为通用i/o。
　　具有先进的pid及前馈伺服控制算法；带有陷波滤波器，能有效限制设备振动的问题。
　　主板可以独立工作，也可以作为下位机与pc机协同工作。它既可以用pc/104总线和pc机通讯，也可以用rs-232接口与pc机通讯。
　　pmac运动控制卡具有类似与basic形式的pmac编程语言，用该语言编程，可使控制卡独立工作。delta tau公司还提供了运动控制软件的动态连接库，使用户能方便的在vb、vc下编写自己的软件，控制pmac运动控制卡。

　　2、专用数控设备的应用
　　pmac编程语言可执行数控机床的程序，它把g、m、t和d代码作为子程序来调用，使得软件编写格式和数控程序相同，用户很容易接受。
　　当程序中遇到g{data}时，它将调用运动程序10n0的中的第m*1000行命令，其中n是data的百位数，m是data的个位数和十位数。例如：g12将跳转至程序prog 1000中的n12000行命令。m代码也一样，所不同的是它们所用的是prog 10n1；t代码使用的是prog 10n2；d代码使用的是prog 10n3。下面是一个简单的数控程序示例，运动轨迹见图3。

主程序：
open prog 5 clear ；为程序5清零
g17 g90 ；xy平面，绝对坐标
g97 s1800 ；设置主轴转速为1800 rpm
f200 ；设置进给速度为200mm/min
g00 x10.0 y5.0 ；快速运动到(10.0,5.0)
m03 ；开主轴
g04 p2.0 ；延时2秒
g01 z0.0 ；将铣刀放下
g01 x30.0 y5.0 ；直线插补
g03 x35.0 y10.0 j5.0 ；逆时针圆弧插补
g01 x35.0 y50.10 ；直线插补
g03 x30.0 y55.0 i-5.0 ；逆时针圆弧插补
g01 x10.0 y55.00 ；直线插补
g03 x5.0 y50.00 j-5.0 ；逆时针圆弧插补
g01 x5.0 y10.0 ；直线插补
g03 x10.0 y5.0 i5.0 ；逆时针圆弧插补
g01 z5.0 m05 ；将铣刀抬起，主轴停止
g00 x0.0 y0.0 ；回原点
close

g代码子程序1000：
open prog 1000 clear
n0000 rapid return ；g00快速移动
n0100 linear return ；g01直线插补
n0200 circle1 return ；g02顺时针圆弧插补
n0300 circle2 return ；g03逆时针圆弧插补
n0400 read （p） ；读g04延时时间p
if （q100 & 32768 > 0 ）
dwell (q116*1000) ；延时p秒
endif
return
n17000 normal k-1 returen ；g17设置xy平面
n90000 abs return ；g90绝对坐标模式
n97000 read (s) ；读g97主轴转速s
if (q100 & 262144 > 0 )
i422=q119/30 ；设置主轴转速为s
endif
return
close

m代码子程序1001：
open prog 1001 clear
n0300 cmd "#4j+" return ；m03主轴顺时针圆弧转动
n0500 cmd '#4j/" return ；m05主轴停止
close

除此之外，pmac编程语言还具有螺旋线插补、刀具半径补偿、丝杠误差补偿功能、能方便的控制旋转轴使刀具保持与xy运动轨迹正交状态。总之，用pmac运动控制卡及其软件能迅速地建立一个功能强大的数控系统，可应用在各种专用数控设备上。

　　3． 机器人控制的应用
　　由于scara机器人（水平关节机器人）结构简单、占地空间小、运动速度快，工业应用已十分广泛。一般它有2～3个轴线平行的旋转关节，在一个平面内运动，还有1个移动关节，完成垂直运动。图4为一个专用点胶机，它是一个3轴scara机器人，该机器人的运动学方程为：

　　点p3(0，0，z3)是机器人末端点即垂直轴端点在坐标系o3中的坐标，点p0(x0，y0，z0)是该点在坐标系o0中的坐标，坐标o0为绝对坐标，也称为工作站坐标系。
　　根据各关节的变量q1、q2、z3值，用运动学方程(1)可以计算出机器人末端点在工作站坐标系的位置。但是，我们要进行机器人末端点的轨迹控制，必须进行运动学反解，即：根据点p0(x0，y0，z0)计算各关节的变量、q2、z3值。
　　反解算法很多，但由于二个旋转关节的关系简单，可以直接用几何法进行运动学反解。用余弦公式根据图5上的关系及式(1)，可以得到：

　　其中：
　　由于pmac 2a-pc/104运动控制卡允许定义2个直角坐标系：x、y、z和u、v、w以及3个旋转坐标a、b、c，我们定义了3个虚拟轴x、y、z，用g代码计算点胶轨迹，不断在内存中读取每步运动的坐标( m，n，z0 )；然后用运动学反解公式(2)计算出相应的q1、q2、z3，进而控制3个关节运动，实现scara机器人的轨迹控制。
如果对机器人运动轨迹的精度要求不高，可以计算出一系列有一定间隔的坐标点( m，n，z0 )，然后，各点间的运动轨迹用pmac编程语言中的3次样条功能spline进行插补。
　　对于多轴机器人和多轴自动化设备，其运动轨迹计算复杂，可以充分利用pmac编程语言具有的矩阵运算功能，如：坐标平移、旋转、坐标变换等高级命令，以简化控制程序。
　　scara机器人为悬臂梁结构，刚度有限。在高速运动停止过程中会出现振动现象。采用pmac编程语言提供的陷波滤波器，机械手臂振动现象得到有效控制。
　　其陷波滤波器的传递函数为：

　　其中：n(z)为带阻滤波器，d(z) 带通滤波器。
　　pmac编程语言允许用户手动设置滤波器的参数ni、di；也可以由软件自动设置滤波器的参数，用户只须输入所希望控制的机器谐振频率即可；用户还可以单独指定带通和带阻滤波器的滤波特性，滤波器的参数由软件自动计算。

　　总之，pmac运动控制卡功能强、控制精度高、可靠性好，其开放式结构，为用户提供了广阔的、灵活的开发应用空间。目前，已经有成千上万台pmac运动控制系统在美国各个领域每天二、三班不停地运转，如：硅谷的硬盘磁道伺服控制、西北部的圆木切割控制、中西部cnc机床控制……。希望pmac运动控制卡也能在中国为中国的现代化建设出一份力。