基于伺服電機和運動控制器的目標仿真實時性控制研究

　　運動控制系統結構

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

　　該控制系統以PC機平臺為基礎，DMC5400多軸運動控制器為運動控制核心。PC機的CPU與DMC5400的CPU構成上下位機的結構，兩個CPU各自完成相應的任務。

　　PC機作為DMC5400的上位機，提供Windows平臺及人機操作界面，完成系統初始化、軌跡參數的設定、運動信息的實時顯示等，僅需用極少部分時間向控制卡發送運動指令。下位DMC5400多軸運動控制器主要完成平移電機和旋轉電機的運動控制，包括伺服驅動、程序解釋以及高速數據采集等實時性任務。DMC5400直接插在PC機的PCI插槽中，并由動態鏈接庫驅動。

　　運動控制系統軟件設計

　　該控制系統實質上是一種以DMC5400為核心組成的開放式數控系統。上位PC機和下位DMC5400多軸控制器各有自己的CPU、存儲器和外設，分別構成一套獨立的計算機系統。因此，在選擇控制軟件的開發平臺時充分考慮了這種結構的特點。由于DMC5400多軸控制器采用了實時操作系統，數控程序代碼解釋工作和連續運動時復雜的插補運算都由其內部的DSP來完成，可以保證對運算過程和各種緊急情況的及時處理。相對而言，上位PC機只是提供與用戶交互部分和一些狀態變量的讀取工作，CPU的工作量不是很大。

　　上位機軟件

　　上位機軟件的組成如圖4所示。

　　初始化模塊：實現零位標定等功能。

　　軌跡和參數設定模塊：根據不同的運動功能和軌跡，提供了相應的參數設定界面，其中包括參數合理性判別、缺省值提供等輔助功能。

　　運動信息實時顯示模塊：通過與DMC5400實時通訊，動態采集負載位置和速度等運動信息。然后，借助CB開發的帶有二維坐標系的顯示界面，實現實時動態顯示負載運動軌跡，同時動態顯示左右兩個軟硬限位狀態。另外，在界面的右下角還實時動態顯示負載的位置和速度數據。

　　故障診斷模塊：內嵌于各功能模塊中，如設定值合理性判別、鍵盤操作功能保護、界面功能按鈕的連鎖、電機限速保護、位置超速保護等。

　　通訊模塊：利用DMC5400提供的動態鏈接庫編制，實現上位PC機和下位DMC5400之間的通訊。它內嵌于各功能模塊中，囊括了同DMC5400通訊的所有方式，而且將其主要的函數進行分類、封裝。所編制的通訊程序實現了運動軌跡程序及設定參數的下載、上位PC機對DMC5400的指令傳輸及DMC5400對PC機的狀態反饋等通訊功能。

　　下位機軟件

　　控制下位機是運動控制系統的直接控制級，構成可控擴束和可控衰減兩個獨立的伺服控制回路。其功能包括：實現目標運動的實時控制;采用相應的控制算法，對系統的運行位置、速度進行控制;將檢測到的系統狀態信號通過PCI總線傳給上位機。DMC5400的運動控制功能十分豐富，可以滿足絕大多數多軸運動控制系統的要求[3]。

　　DMC5400運動控制卡提供基于Windows 95 /98/Me/NT/2000/XP下32位DLL驅動編程。其具體的編程語言可為VB、VC、C++Builder中的任何一種。在運動函數庫中所使用到的函數主要有如下幾種：控制卡及軸設置函數，獨立運動和插補運動函數，制動函數，位置和狀態的設置及查詢函數，I/O口操作函數，錯誤代碼函數。其函數返回值為0(函數執行正確)或-1(函數執行錯誤)。其控制系統的流程圖如圖5所示。