時間：2023-05-30 10:09:52
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇運動控制器，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
本文設計的基于以太網(wǎng)的超聲檢測多軸運動控制系統(tǒng)是在復雜的多軸運動控制技術之上結合了遠程通信技術，以此來實現(xiàn)超聲檢測的遠程自動控制。此系統(tǒng)主要由上位機、多軸運動控制器、步進電機驅動器、步進電機、機械執(zhí)行裝置、限位開關和超聲探頭等組成，其組成框圖如圖1所示。由上位機LabVIEW控制系統(tǒng)為多軸運動控制器發(fā)送運動指令，并由多軸運動控制器將運動信號拆分為步進信號和方向信號，再將這兩種電機控制信號發(fā)送給步進電機驅動器，步進電機驅動器將其轉化為角位移發(fā)送給步進電機，使步進電機轉動相應個步距角，以達到使步進電機按指令運動的目的。步進電機上安裝有機械執(zhí)行裝置，用以固定超聲探頭，機械執(zhí)行裝置上安有限位開關，以此控制電機的運動范圍，當電機運動到限位開關的位置時，限位開關發(fā)出限位信號到多軸運動控制器，運動控制器便停止發(fā)出使電機運動的脈沖信號。在進行自動超聲檢測時，Z軸方向機械執(zhí)行機構上固定的超聲檢測探頭能夠在被檢測物體的表面按照上位機運動控制算法設計的運動軌跡進行連續(xù)檢測，并實時向PC機返回探頭的位置信息，并將數(shù)據(jù)采集卡采集的超聲信號與探頭返回的位置信息建立起對應關系，最終通過上位機的圖像處理系統(tǒng)形成超聲檢測圖像，以此來實現(xiàn)物體的超聲檢測。
2多軸運動控制器的方案設計
多軸運動控制器可以通過遠程以太網(wǎng)通信的方式接收上位機的控制信號，向步進電機驅動器發(fā)送脈沖信號和方向信號以完成對電機的運動控制。采用ARM9處理器S3C2440搭建硬件平臺，配有DM9000A以太網(wǎng)通信芯片使硬件平臺具備遠程通信的功能。在Linux操作平臺上進行控制系統(tǒng)軟件功能設計，并采用UDP通信協(xié)議實現(xiàn)上位機與運動控制器之間的遠程通信［3］。
2．1多軸運動控制器硬件電路設計
本文采用ARM9處理器S3C2440設計了系統(tǒng)中運動控制器的硬件電路部分，并采用DM9000A網(wǎng)絡接口控制器設計了運動控制器的以太網(wǎng)接口。運動控制器硬件整體框圖如圖2所示。運動控制器選用ARM9處理器作為運動控制器的核心芯片可以方便地嵌套Linux操作系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)之上實現(xiàn)運動控制器的插補等多軸運動控制算法。選用DM9000A以太網(wǎng)控制芯片實現(xiàn)上位機LabVIEW與運動控制器之間的遠程通信，進而實現(xiàn)超聲檢測的遠程自動控制。為了解決步進電機驅動器與主控芯片信號匹配的問題，本文采用光耦器件設計了電壓轉換模塊，負責把主控芯片輸出的3．3V電壓信號轉換至5V電壓信號后輸入到步進電機驅動器中，同時負責把限位開關發(fā)出的24V限位信號轉換至3．3V輸入到主控芯片中。此外，電路中還搭載了用于存儲數(shù)據(jù)的擴展存儲器、以及用于調(diào)試的JTAG接口電路和RS232串口電路。
2．2多軸運動控制器軟件設計
本課題所用的限位開關為位置可調(diào)的限位開關，每個軸有2個限位開關，在每次超聲檢測前，把每個限位開關調(diào)節(jié)到被測工件的邊緣處，從而使探頭移動的范圍即為工件所在范圍。故此設計運動控制器的軟件時便可將限位開關做為邊界條件，以此來設計探頭的運動范圍。其運動控制流程:首先系統(tǒng)初始化，通過上微機控制界面人工控制探頭到被測工件的起點，然后X軸正向運動到X軸限位開關處，Y軸正向運動一個探頭直徑的長度，X軸再反向運動到X軸另一側的限位開關處，之后Y軸繼續(xù)正向運動一個探頭直徑的長度，如此往復運動直至探頭到達Y軸的限位開關處，檢測結束，探頭復位。運動控制軟件流程圖如圖3所示。
3多軸運動控制系統(tǒng)上位機軟件設計
基于以太網(wǎng)的自動超聲檢測多軸運動控制系統(tǒng)的上位機軟件是以LabVIEW開發(fā)平臺為基礎，使用圖形G語言進行編寫的，主要包括多軸運動控制軟件和以太網(wǎng)通信軟件。Lab-VIEW是一款上位機軟件，其主要應用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析等領域，具有良好的人機交互界面［4］。LabVIEW軟件中有專門的UDP通信函數(shù)提供給用戶使用，用戶無需過多考慮網(wǎng)絡的底層實現(xiàn)，就可以直接調(diào)用UDP模塊中已經(jīng)的VI來完成通信軟件的編寫，因此編程者不必了解UDP的細節(jié)，而采用較少的代碼就可以完成通信任務，以便快速的編寫出具有遠程通信功能的上位機控制軟件［5］。上位機LabVIEW軟件的遠程通信模塊、運動控制模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊相互協(xié)調(diào)配合，共同構成了超聲檢測多軸運動控制系統(tǒng)的上位機軟件。
3．1運動控制軟件設計
運動控制系統(tǒng)軟件部分主要由運動方式選擇、探頭位置坐標、運動控制等模塊組成，可完成對系統(tǒng)運動方式的選擇，運動參數(shù)、控制指令的設定以及探頭位置信息讀取等工作。運動方式選擇模塊可根據(jù)實際需要完成相對運動或是絕對運動兩種運動方式的選擇，并會依照選擇的既定運動模式將X、Y、Z三軸的相應運動位置坐標輸出在相應顯示欄中，以便進行進一步的參數(shù)核對以及設定;運動控制模塊可依照檢測規(guī)則實現(xiàn)對整個系統(tǒng)運動過程的控制，包括:設定相對原點、運行、復位、以及退出等相關操作。相對原點設定可以將探頭任意當前位置設為新的原點，并以原點作為下一個運動的起始點，即為探頭位置坐標的相對零點，并將此刻相對原點的絕對位置坐標值在文本框中顯示出來。運動控制系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。
3．2以太網(wǎng)通信軟件設計
以太網(wǎng)通信模塊采用無連接的UDP通信協(xié)議，通過定義多軸運動控制器與上位機LabVIEW的以太網(wǎng)通信協(xié)議，實現(xiàn)下位機與上位機之間的遠程通信。具體設計如下:首先使用“UDPOpenConnection”打開UDP鏈接，使用“UDPWrite”節(jié)點向服務器端相應的端口發(fā)送命令信息，然后使用“UDPRead”節(jié)點讀取服務器端發(fā)送來的有效回波數(shù)據(jù)，用于后期處理，最后應用“UDPCloseConnection”節(jié)點關閉連接［6］。以太網(wǎng)通信模塊的程序框圖如圖5所示。
4實驗及結果
實驗平臺由步進電機及其驅動器、上位機控制軟件和自主研發(fā)的多軸運動控制器構成。在上位機的用戶控制界面中，首先輸入以太網(wǎng)的IP地址并選擇運動方式，然后根據(jù)用戶的檢測需求設定運動速度和運動距離，點擊運行后探頭即按所設定運行。探頭運動過程中還可以選擇設定當前位置為原點，探頭即按照新的原點重新開始運動。同時，在探頭運動時會實時顯示探頭當前所在位置坐標。模擬開關發(fā)送選通超聲探頭信號并發(fā)送脈沖信號激勵超聲探頭發(fā)射超聲波，F(xiàn)PGA控制A/D轉換電路對超聲回波信號進行轉換，并將數(shù)據(jù)存入雙口RAM，存儲完成后向ARM發(fā)送信號，ARM接收到采集完成信號將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)向上位機發(fā)送。上位機的LabVIEW用戶控制界面如圖6所示。
5結束語
關鍵詞：DSP； FPGA； 以太網(wǎng)控制器； 運動控制器
中圖分類號：TN830.1-34; TP271 文獻標識碼：A 文章編號：1004-373X(2011)21-0202-03
Design and Research on Four-axis Motion Controller Based on DSP and FPGA
SHI Jiang-hua1, WEI Shi-min2, LI Jin-quan2, YANG Xiang-dong3
(1. Automation School of Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China;
2. Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China;
3 .Tsinghua University, Beijing 100084, China)
Abstract： According to the characteristics and requirements of CNC system, a motion controller based on DSP and FPGA was designed through a research on DSP TMS320F2812, FPGAEP2C8F256C6 and Ethernet controller RTL8019AS. For the real-time control and high precision issues of motion control, planning the DSP function expansion and expanding four-axis motion control circuit with independent function in the FPGA. The circuit can implement four-way control signal outputs, can deal with four-way encoder feedback signals, and can receive and dispose input digital signals such as origin signal, positive and negative limit signals and so on. The motion controller has simple structure, openness, modularity, etc. It can better meet the real-time and accurate performance of the motion controller.
Keywords： DSP; FPGA; Ethernet controller; motion controller
0 引 言
運動控制技術是制造自動化的關鍵基礎，其水平高低是衡量一個國家工業(yè)現(xiàn)代化的重要標志，研究和開發(fā)具有開放式結構的運動控制器是當前運動控制領域的一個重要發(fā)展方向［1-2］。隨著集成電路技術、微電子技術、計算機技術和網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，運動控制器已從以單片機和微處理器作為核心的運動控制器和以專用芯片(ASIC)作為核心處理器的運動控制器，發(fā)展到了基于PC機平臺的以數(shù)字信號處理器(DSP)和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)作為核心處理器的協(xié)處理架構的開放式運動控制器［3］。該控制器將PC機和DSP的信息處理能力與FPGA的擴展功能很好的結合在一起，具有信息處理能力強、模塊化、開放程度高、運動軌跡控制精確等優(yōu)點。
1 系統(tǒng)概述
該四軸運動控制器系統(tǒng)以TI公司C2000系列DSP芯片TMS320F2812和ALTERA公司Cyclone Ⅱ系列FPGA芯片EP2C8F256C6為核心，DSP通過網(wǎng)口接收上位機的控制參數(shù)，完成系統(tǒng)位置、速度控制及運動軌跡規(guī)劃；FPGA完成運動控制器的精確插補功能和電路的擴展，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。
運動控制器的主要功能包括：4路模擬電壓輸出，電壓范圍為-10~+10 V，分辨率為16 b；4路脈沖量信號輸出；4路脈沖方向信號輸出；4路驅動復位信號輸出；4路驅動使能信號輸出；4路差分編碼信號輸入；4路驅動報警信號輸入；8路正負限位信號輸入；4路原點信號輸入；16路通用數(shù)字量I/O。
2 DSP模塊設計
DSP根據(jù)從上位機接收的運動模式和運動參數(shù)實時計算規(guī)劃位置和規(guī)劃速度，生成所需的速度曲線，實時的輸出規(guī)劃位置。TMS320F2812是TI推出的一款專門用于電機控制的32位定點DSP芯片，采用高性能靜態(tài)CMOS技術，主頻高達150 MHz(指令周期6.67 ns)，低功耗，核心電壓為1.8 V，I/O電壓3.3 V，支持JTAG邊界掃描，128K×16 b的片內(nèi)FLASH。有兩個事件管理器(EVA和EVB)，它們都是特定的設備，為多軸運動控制器而設計的［4］。可通過外部存儲器接口XINTF擴展外部存儲器。DSP模塊設計如圖2所示。
圖2 DSP模塊
為增強抗干擾性，DSP通過以太網(wǎng)控制器RTL8019AS與上位機連接，RTL8019AS內(nèi)部含有┮桓16 KB的SDRAM，DSP通過外部存儲器接口對其進行讀寫來接收上位機的命令或向上位機傳送反饋信號。在數(shù)據(jù)處理過程中要占用大量的存儲空間，DSP內(nèi)部僅含有18K×16 b的SARAM和128K×16 b的FLASH，存儲空間顯得過小，所以通過外部接口擴展了256K×16 b RAM和512K×16 b FLASH，RAM和FLASH芯片分別選擇IS61LV25616AL、SST39V-
F800，它們都具有接口簡單、讀寫速度快等優(yōu)點［5-6］。SCI模塊用于擴展RS 232串行通信接口，串口芯片使用MAX 3232。
運動控制器所需電壓為5 V,3.3 V，1.8 V，1.2 V。輸入電壓5 V，分別采用穩(wěn)壓芯片LM1085IS-3.3,LM1117-1.8將其轉換成3.3 V和1.8 V，由于TMS320F2812的I/O電壓3.3 V要先于內(nèi)核電源上電，所以1.8 V要由3.3V降壓得到，以確保上電次序。1.2 V是FPGA內(nèi)核所需電壓，由穩(wěn)壓芯片LM317S穩(wěn)壓得到，LM317S的輸出電壓范圍為1.2~25 V， 復位電路采用SP708低功耗微處理器監(jiān)控器件，此器件有眾多的組件，有效的增強了系統(tǒng)的可靠性及工作效率。
3 FPGA模塊設計
FPGA用于軸資源的擴展，當接收到DSP中的規(guī)劃位置后，在軸資源中對其進行變換處理，輸出到伺服控制器中，伺服控制器將規(guī)劃位置與編碼反饋的計數(shù)位置進行比較，獲得跟隨誤差，并通過伺服控制算法得到實時的控制量，將控制量傳遞給D/A轉換器，由D/A轉換器轉換成控制電壓輸出。
EP2C8F256C6是ALTERA公司Cyclone Ⅱ系列芯片，其特點為高性能低功耗，內(nèi)核供電電壓為1.2 V，8 256個邏輯單元(LEs)，182個用戶I/O口(項目中使用了157個I/O口)，165 888 b的內(nèi)部RAM，嵌入了18 b的乘法器，每個乘法器又可拆成2個9 b的乘法器，芯片內(nèi)部含有2個鎖相環(huán)(PLL)，8個全局時鐘(Global Clocks)［7-8］。該芯片所具有的邏輯單元數(shù)、頻率和用戶I/O口等都能很好的滿足設計需求。FPGA的模塊擴展如圖3所示。
3.1 與DSP接口設計
DSP芯片的事件管理器(EVA,EVB)用于和FPGA連接，當輸出脈沖量控制驅動器時，DSP使用兩個事件管理器進行PWM波的控制，當輸出模擬量時，DSP使用GPIOA/GPIOB向FPGA輸出規(guī)劃位置。
3.2 模擬信號輸出電路設計
采用D/A轉換器AD669進行模擬信號的輸出，AD669具有兩級鎖存，在設計中，將其四路D/A芯片的第一級鎖存處于透明狀態(tài)，第二級鎖存控制信號LDAC連在一起，當四路D/A芯片的數(shù)據(jù)預裝好后，打開┑詼級鎖存，四路D/A芯片即可同時轉換，實現(xiàn)了四軸驅動的同時控制。
3.3 脈沖信號輸出電路設計
脈沖輸出電路由FPGA內(nèi)部精插補器完成，精插補器根據(jù)DSP發(fā)送來的粗插補數(shù)據(jù)產(chǎn)生均勻的脈沖輸出，脈沖的輸出有兩種格式：“脈沖+方向”和“正負脈沖”。由于差分信號對外部電磁等信號有很好的抗干擾性，特別是對共模干擾有很好的抑制作用。所以脈沖經(jīng)過光耦隔離后，再將信號接入差分線驅動器AM26LS31后輸出，差分線驅動器AM26LS31的作用是將輸入的單極性方波信號轉化為一對極性相反的電機驅動信號。
3.4 編碼反饋電路設計
電機編碼信號直接傳入電機驅動器中，電機驅動器將三對差分編碼信號A+,A-,B+,B-,N+,N-作為反饋傳給運動控制器。在電機旋轉時，所發(fā)出的編碼信號會出現(xiàn)非常多的毛刺，并且經(jīng)過驅動器大電源的干擾，如果直接接到FPGA中，可能會引起誤判斷，所以先將三對編碼信號經(jīng)過差分芯片AM26LS32轉化成單路信號A,B,N后再接入FPGA中。芯片AM26LS32功能是將輸入的一對極性相反的編碼器差分信號轉化成單極性的脈沖信號，與AM32LS31正好相反。
3.5 開關量接口和通用I/O電路設計
輸出信號包括復位信號和使能信號，由FPGA產(chǎn)生，經(jīng)光耦隔離后直接輸出；輸入信號包括驅動報警信號，正負限位信號和原點信號，這些信號經(jīng)光耦隔離、電平轉換后再由FPGA接收，當FPGA檢測到這些信號后，確定具體的觸發(fā)信號，做出相應的反應。另外運動控制器還提供了八路數(shù)字量輸入通道和八路數(shù)字量輸出通道，輸入、輸出通道都經(jīng)光電隔離，以提高抗干擾性［9］。
4 網(wǎng)口模塊設計
DSP通過以太網(wǎng)控制器RTL8019AS與上位機連接，RTL8019AS在一塊芯片上集成了RTL8019AS內(nèi)核和一個16 KB的SDRAM存儲器，兼容RTL8019AS控制軟件和NE2000 8 b或16 b傳輸，其接口符合Ethernet2和IEEE 802.3標準。RTL8019AS與主機的接口模式有三種模式：跳線模式,PnP模式，RT模式［10］。此運動控制器使用便于DSP應用的跳線模式。DSP與RTL8019AS的連接如圖4所示。
(1) 數(shù)據(jù)總線和地址總線。RTL8019AS的數(shù)據(jù)總線和DSP的16位數(shù)據(jù)總線直接相連即可。RTL8019AS片內(nèi)NE2000寄存器組都是通過其映射I/O端口進行訪問，I/O端口共32個，地址偏移量為00H~1FH，把I/O基地址設為300H，則對應的I/O端口尋址范圍為：300H~31FH。只需要10根地址線就可以對I/O端口進行尋址，把SA10~SA19接低電平，SA0~SA9按照表1接法即可。
只需要5根地址線就可以尋址32位I/O端口，所以可以直接把SA9,SA8接高電平，SA5~SA7接低電平，SA0~SA4與DSP的低5位地址線XA0~XA4相接。
(2) 控制總線。RTL8019AS片選信號AEN使用DSP的擴展片選信號XZCS0AND1，IORB、IOWB直接與DSP的讀寫控制信號XRD、XWE相連，中斷輸出引腳INT0與DSP的XINT2相連，高電平有效的復位輸入引腳與監(jiān)控電路芯片SP708的RST相連，當DSP復位時，RTL8019AS也復位。
(3) RTL8019AS與網(wǎng)絡介質(zhì)接口。RTL8019AS可以使用同軸電纜或雙絞線作為傳輸媒介，將其AUI接口接地或懸空，使用BNC接口。BNC接口方式支持8線雙絞線或同軸電纜。20F001N是雙絞線驅動器，為耦合隔離變壓器模塊，通過它可以去除因電路數(shù)字特性導致的高次諧波。RTL8019AS與20F001N的連接如圖4所示。其差分輸入信號TPIN+、TPIN-與差分輸出信號TPOUT+、TPOUT-分別與20F001的對應引腳相連。
5 結 語
在PC平臺下，充分利用了DSP的數(shù)據(jù)處理能力和FPGA的硬件特性， 使系統(tǒng)既能進行復雜的軌跡規(guī)劃、高速插補，又能保證運動控制器的穩(wěn)定性和精確性，這種運動控制器能應用于數(shù)控系統(tǒng)，機器人制造等控制領域。
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作者簡介：
石江華 男，1985年出生，山東菏澤人，碩士。主要研究方向為機器人控制。
魏世民 男，1965年出生，北京人，教授。主要研究方向為機器人機構學、機器人虛擬設計、移動機器人測控技術。
關鍵詞：組態(tài)軟件；控制器；步進電機；控制網(wǎng)絡
中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）02-0230-02
Design of Stepper Motor Control Network Based on MCGS and TC45
LIU Xiao-feng，LIU Feng，CHENG Wei-bin
（Xi'an Shiyou University， Xi’an 710065， China）
Abstract： A control network composition method based on MCGS configuration software and TC45 motion controller for multiple stepper motors is presented， and the software and hardware design scheme of control network system are introduced in this paper. The speed control， stroke control and start stop control of multiple stepper motors are realized in this design. The test results show that the control network has good openness， versatility and scalability， and the design can be applied in some related engineering fields.
Key words： configuration software， controller， stepper motor， control network
步進電機是工業(yè)自動控制領域重要組成部分，網(wǎng)絡化是步進電機運動控制系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。目前步進電機的控制網(wǎng)絡技術包括基于ARM嵌入式控制、基于CANopen/EtherCAT的網(wǎng)絡化運動控制以及基于Modbus/485總線控制等?；贏RM嵌入式控制系統(tǒng)采用細分控制方法，能實現(xiàn)步進電機在環(huán)境中準確、低噪聲、平滑和高精度運行，但其開發(fā)難度高，硬件電路復雜。基于CANopen/EtherCAT的網(wǎng)絡化運動控制系統(tǒng)設計復雜，成本較高，但帶負載能力強，網(wǎng)絡性能優(yōu)越。基于Modbus/485總線的網(wǎng)絡化運動控制系統(tǒng)成本低，通信穩(wěn)定，但帶負載能力有限，網(wǎng)絡性能較差[1-3]。
為在一定程度上改善控制網(wǎng)絡的復雜性以及擴展性差等問題，設計了基于MCGS和TC45的步進電機控制網(wǎng)絡。
1系統(tǒng)總體設計
系統(tǒng)總體構架如圖1所示。步進電機控制網(wǎng)絡架構由MCGS組態(tài)軟件、TC45運動控制器、帶Modbus協(xié)議的步進驅動器以及步進電機構成。系統(tǒng)通過上位機發(fā)送的步進電機增量、速度、啟停等命令信息給TC45運動控制器，運動控制器將數(shù)據(jù)處理后傳送至帶協(xié)議的步進電機驅動器，步進電機驅動器將運動控制器傳來的信號轉換成模擬脈沖信號驅動步進電機；同時各電機的當前速度、增量等數(shù)據(jù)信息經(jīng)過運動控制器轉換傳給上位機監(jiān)控軟件，并在監(jiān)控界面實時顯示。
上位機與控制器之間采用RS485傳輸方式的Modbus通信協(xié)議，通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡和其他設備之間實現(xiàn)互相通信[4]，上位機監(jiān)控系統(tǒng)便可以與多個運動控制器組成一個控制網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)對多臺步進電機的控制。
2 系統(tǒng)硬件結構設計
TC45運動控制器模塊接口采用 Modbus 協(xié)議。各驅動電機作為一個控制子站，均有確定的通訊地址，通過標準協(xié)議與主控制器進行信息交換和執(zhí)行主控制器的指令。
TC45運動控制模塊與驅動器接口如圖2所示。TC45運動控制模塊可將上位機不同屬性的數(shù)據(jù)命令轉換成步進電機需要改變的屬性命令，其供電電壓為24V，其中運動控制器的端子485+與485-分別與RS485通訊線的正負連接，其中[XPUL]為步進電機脈沖控制端口，[XDIR]為步進電機轉向控制端口。
步進電機驅動模塊選用ST-6128步進電機驅動器。步進電機驅動器的端子DIR-與DIR+為步進電機轉向控制端口，與TC45的端子[XDIR]端口相連，端子A+、A-、B+、B-與步進電機的四線相連。步進電機驅動器供電電源范圍為9-32V直流，本設計采用24V直流電源。驅動器模塊與步進電機接口如圖3所示。
3 上位機監(jiān)控系統(tǒng)設計
上位機監(jiān)控系統(tǒng)采用MCGS組態(tài)軟件開發(fā)平臺構建。上位機監(jiān)控系統(tǒng)與運動控制器的參數(shù)配置通過TC45運動控制軟件實現(xiàn)[5-6]，計算機串口設置為COM1，通訊速率為38400bps，通訊超時最大值為2000ms，運動控制器模塊通訊地址設為1。
組態(tài)軟件設備窗口控制設備屬性值的參數(shù)設置中，最小采集周期設為1000ms。其中設備地址與在TC45運控控制軟件配置的參數(shù)地址一致，通訊等待時間為200ms。設置完相應的設備參數(shù)后，在組態(tài)軟件界面的用戶窗口建立新的窗口進行控制系統(tǒng)監(jiān)控界面的組態(tài)，并通過TC45通訊協(xié)議編寫相應腳本程序。上位機設計界面如圖4所示。
4 實驗分析
為驗證對多臺步進電機控制的可行性，本次步進電機控制網(wǎng)絡實驗搭建了兩組運動控制器對四臺步進電機進行測試驗證，實驗在Windows 7環(huán)境下通過MCGS組態(tài)軟件完成了上位機監(jiān)控系統(tǒng)界面的開發(fā)。實驗前通過串口調(diào)試助手軟件驗證上位機監(jiān)控系統(tǒng)與運動控制器模塊通訊的正確性。
實驗測試結果實現(xiàn)了對A、B、C、D四臺步進電機運動速度大小的控制、AB步進電機與CD步進電機運動速度大小的同時控制，同時也實現(xiàn)了對步進電機的急?？刂??；贏RM嵌入式步進電機的網(wǎng)絡化控制在軟硬件方面分別需要設計Linux設備驅動程序與PCB驅動板。基于CANopen/EtherCAT的網(wǎng)絡化運動控制以及基于Modbus/485總線控制需要設計運動控制指令、通訊程序、以及加減速模塊等。與此相比，本文設計的步進電機控制網(wǎng)絡在硬件電路的復雜性與監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)難度上得到一定程度改善，因此基于MCGS和TC45步進電機控制網(wǎng)絡在相關工程技術領域具有一定的現(xiàn)實意義。
5 結語
本文提出運用MCGS組態(tài)軟件和TC45運動控制器構建的步進電機控制網(wǎng)絡，設計了控制網(wǎng)絡的硬件電路以及上位機監(jiān)控系統(tǒng)。實驗測試結果表明運用組態(tài)軟件與運動控制器通過RS485通信可實現(xiàn)點對多點的控制，同時該步進電機控制網(wǎng)絡設計在一定程度上減少了常規(guī)步進電機控制網(wǎng)絡設計的工作量與研發(fā)周期，這對相關技術領域具有一定的推廣和實用價值。
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關鍵詞：六自由度并聯(lián)機器人；空間位置；控制系統(tǒng)開發(fā)；硬件搭建
中圖分類號：TB
文獻標識碼：A
doi：10.19311/ki.16723198.2017.11.093
0引言
并聯(lián)機構機器人系統(tǒng)具有結構緊湊、剛度大、無累積誤差、精度較高、動態(tài)響應好、承載能力大等諸多優(yōu)點，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛地應用于醫(yī)療、航空航天、娛樂、物流、機床設計等領域。
本文以六自由度并聯(lián)機器人為例，從硬件平臺搭建入手，通過電氣線路規(guī)劃、控制設備布局到建立控制器與上位機通訊、空間位置運動計算等，設計出一種六自由度并聯(lián)機器人的控制系統(tǒng)整體方案。
1硬件系統(tǒng)搭建設計
1.1硬件系統(tǒng)介紹
1.1.1機器人系統(tǒng)平臺本體
本文所選用的六自由度機器人系統(tǒng)平臺本體為格吉機電科技有限公司PT-028型號的六自由度并聯(lián)機器人，如圖1所示。
其中下平臺為定平臺，固定在基座上，上平臺為動平臺，平臺之間由六個電動缸構成的六個運動軸通過鉸鏈連接，上位機通過程序控制運動控制器，進而控制伺服執(zhí)行系統(tǒng)，改變六個電動缸的行程實現(xiàn)系統(tǒng)平臺六自由度的運動。
1.1.2伺服執(zhí)行系統(tǒng)
伺服執(zhí)行系統(tǒng)由六組伺服電動缸與伺服驅動器組成，伺服執(zhí)行系統(tǒng)的功能是將控制器發(fā)出的控制信號進行處理放大轉化為驅動信號，執(zhí)行具體的控制動作。
1.1.3運動控制器
由于六自由度機器人系統(tǒng)平臺需要同時控制六個軸的運動并處理來自限位開關與編碼器的反饋信息，所以運動控制器需要強大的運算與處理能力。在該設計中，運動控制器只要包括以下兩個方面的作用：
（1）伺服控制部分：現(xiàn)平臺系統(tǒng)的啟動、停止，對六個電動缸伺服電機進行運動控制、接收來自上位機的位姿控制信號、實時監(jiān)控系統(tǒng)平臺的運動與工作狀態(tài)。
（2）信號調(diào)整部分：完成測試信號與I/O信號、系統(tǒng)平臺中各感器信號與伺服驅動器的驅動等信號調(diào)整。
1.1.4反饋系統(tǒng)
本系統(tǒng)平臺的反饋系統(tǒng)硬件部分包含編碼器與限位開關，編碼器將伺服電機的狀態(tài)實時反饋給運動控制器，以掌握軸的實時位置；限位開關主要將電動缸正負極限位置反饋給運動控制器，進行安全保護。系統(tǒng)平臺硬件配置如圖2所示。
1.2硬件系統(tǒng)電氣線路與布局設計
1.2.1硬件系統(tǒng)線路連接
這個部分主要包括六個伺服驅動器與運動控制器之間建立連接，以及伺服驅動器與伺服電機（軸）之間建立連接，運動控制器采用24V5A電源供電，伺服驅動器采用220V三相電源供電，運動控制器通過Xn端口與伺服驅動器CN1端口連接。
1.2.2控制柜布局及電氣圖
對控制柜內(nèi)布局進行規(guī)劃與電氣接線安裝，如圖3所示。
2空間位置算法設計
2.1空間位置計算原理
首先以六自由度并聯(lián)機器人系統(tǒng)平臺6個電動缸行程均為零，即系統(tǒng)平臺初始狀態(tài)時的上平臺中心為基準，分別建立定空間直角坐標系O0―X0Y0Z0、動空間直角坐標系O1―X1Y1Z1，同時設上平臺六個鉸鏈端點為P1i（i=1，2，…，6），下平臺六個鉸鏈端點為P0i（i=1，2，…，6），則P1i與P0i（i=1，2，…，6）在定坐標系O0―X0Y0Z0中可以分別表示為P0i（x0i，y0i，z0i）與P1i（x1i，y1i，z1i）（i=1，2，…，6），以1mm作為單位長度，坐標系如圖4所示。
3整體思路
整體控制思路由兩個回路組成。
3.1運動控制回路
由上位機編寫程序發(fā)出信號，運動控制器接收到該信號，將上位機控制信號轉化為可識別的指令傳遞到伺服驅動器，經(jīng)過伺服驅動器放大調(diào)整，將放大后的信號傳遞給伺服電機，伺服電機執(zhí)行命令，控制電動缸的伸縮控制六個軸的長度，進而控制六自由度并聯(lián)機器人平臺的空間位姿表示。
3.2運動反饋回路
編碼器在伺服電機運轉時產(chǎn)生信號，將信號傳遞給運動控制器，運動控制器通過對比該實際信號與期望目標之間的偏差，進行實時監(jiān)控與判斷，發(fā)出修正指令保證機器人系統(tǒng)平臺的安全動作，調(diào)整誤差。
4結語
本文提出了一種六自由度并聯(lián)機器人控制系統(tǒng)的設計方案，包括其本體介紹、平臺搭建、電氣連線等方面詳細描述了該系統(tǒng)的硬件配置，對其空間位置計算原理的分析以及計算方法的介紹，基本實現(xiàn)系統(tǒng)平臺在工作空間內(nèi)的任意位置角度表示以及對應的控制方案，通過硬件與軟件相結合的實時反饋系統(tǒng)，可以對機器人平臺進行空間位置的監(jiān)控與修正，實現(xiàn)對機器人平臺較精確的位姿控制。若要進一步提高其控制精度，則可以考慮對其進一步進行運動學與動力學分析，研究并聯(lián)機器人平臺的速度、加速度、受力情況以及與運動有關的幾何參數(shù)、時間參數(shù)，通過動力學建模進行動力學分析，推算出動力學方程，進而構建較為精準的系統(tǒng)控制器；另一方面可以對控制程序根據(jù)實際情況進行優(yōu)化，加入仿真控制環(huán)節(jié)，減小實際控制中的誤差。
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關鍵詞：伺服驅動技術，直線電機，可編程計算機控制器，運動控制
1 引言
信息時代的高新技術流向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，引起后者的深刻變革。作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之一的機械工業(yè)，在這場新技術革命沖擊下，產(chǎn)品結構和生產(chǎn)系統(tǒng)結構都發(fā)生了質(zhì)的躍變，微電子技術、微計算機技術的高速發(fā)展使信息、智能與機械裝置和動力設備相結合，促使機械工業(yè)開始了一場大規(guī)模的機電一體化技術革命。
隨著計算機技術、電子電力技術和傳感器技術的發(fā)展，各先進國家的機電一體化產(chǎn)品層出不窮。機床、汽車、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類產(chǎn)品每年都有新的進展。機電一體化技術已越來越受到各方面的關注，它在改善人民生活、提高工作效率、節(jié)約能源、降低材料消耗、增強企業(yè)競爭力等方面起著極大的作用。
在機電一體化技術迅速發(fā)展的同時，運動控制技術作為其關鍵組成部分，也得到前所未有的大發(fā)展，國內(nèi)外各個廠家相繼推出運動控制的新技術、新產(chǎn)品。本文主要介紹了全閉環(huán)交流伺服驅動技術（Full Closed AC Servo）、直線電機驅動技術（Linear Motor Driving）、可編程序計算機控制器（Programmable Computer Controller，PCC）和運動控制卡（Motion Controlling Board）等幾項具有代表性的新技術。
2 全閉環(huán)交流伺服驅動技術
在一些定位精度或動態(tài)響應要求比較高的機電一體化產(chǎn)品中，交流伺服系統(tǒng)的應用越來越廣泛，其中數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)更符合數(shù)字化控制模式的潮流，而且調(diào)試、使用十分簡單，因而被受青睞。這種伺服系統(tǒng)的驅動器采用了先進的數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor， DSP），可以對電機軸后端部的光電編碼器進行位置采樣，在驅動器和電機之間構成位置和速度的閉環(huán)控制系統(tǒng)，并充分發(fā)揮DSP的高速運算能力，自動完成整個伺服系統(tǒng)的增益調(diào)節(jié)，甚至可以跟蹤負載變化，實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)增益；有的驅動器還具有快速傅立葉變換（FFT）的功能，測算出設備的機械共振點，并通過陷波濾波方式消除機械共振。
一般情況下，這種數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)大多工作在半閉環(huán)的控制方式，即伺服電機上的編碼器反饋既作速度環(huán)，也作位置環(huán)。這種控制方式對于傳動鏈上的間隙及誤差不能克服或補償。為了獲得更高的控制精度，應在最終的運動部分安裝高精度的檢測元件（如：光柵尺、光電編碼器等），即實現(xiàn)全閉環(huán)控制。比較傳統(tǒng)的全閉環(huán)控制方法是：伺服系統(tǒng)只接受速度指令，完成速度環(huán)的控制，位置環(huán)的控制由上位控制器來完成（大多數(shù)全閉環(huán)的機床數(shù)控系統(tǒng)就是這樣）。這樣大大增加了上位控制器的難度，也限制了伺服系統(tǒng)的推廣。目前，國外已出現(xiàn)了一種更完善、可以實現(xiàn)更高精度的全閉環(huán)數(shù)字式伺服系統(tǒng) ， 使得高精度自動化設備的實現(xiàn)更為容易。其控制原理如圖1所示。
該系統(tǒng)克服了上述半閉環(huán)控制系統(tǒng)的缺陷，伺服驅動器可以直接采樣裝在最后一級機械運動部件上的位置反饋元件(如光柵尺、磁柵尺、旋轉編碼器等)，作為位置環(huán)，而電機上的編碼器反饋此時僅作為速度環(huán)。這樣伺服系統(tǒng)就可以消除機械傳動上存在的間隙（如齒輪間隙、絲杠間隙等），補償機械傳動件的制造誤差（如絲杠螺距誤差等），實現(xiàn)真正的全閉環(huán)位置控制功能，獲得較高的定位精度。而且這種全閉環(huán)控制均由伺服驅動器來完成，無需增加上位控制器的負擔，因而越來越多的行業(yè)在其自動化設備的改造和研制中，開始采用這種伺服系統(tǒng)。
3 直線電機驅動技術
直線電機在機床進給伺服系統(tǒng)中的應用，近幾年來已在世界機床行業(yè)得到重視，并在西歐工業(yè)發(fā)達地區(qū)掀起"直線電機熱"。
在機床進給系統(tǒng)中，采用直線電動機直接驅動與原旋轉電機傳動的最大區(qū)別是取消了從電機到工作臺（拖板）之間的機械傳動環(huán)節(jié)，把機床進給傳動鏈的長度縮短為零，因而這種傳動方式又被稱為"零傳動"。正是由于這種"零傳動"方式，帶來了原旋轉電機驅動方式無法達到的性能指標和優(yōu)點。
1. 高速響應 由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應時間常數(shù)較大的機械傳動件（如絲杠等），使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)響應性能大大提高，反應異常靈敏快捷。
2. 精度 直線驅動系統(tǒng)取消了由于絲杠等機械機構產(chǎn)生的傳動間隙和誤差，減少了插補運動時因傳動系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制，即可大大提高機床的定位精度。
3. 動剛度高 由于"直接驅動"，避免了啟動、變速和換向時因中間傳動環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運動滯后現(xiàn)象，同時也提高了其傳動剛度。
4. 速度快、加減速過程短 由于直線電動機最早主要用于磁懸浮列車（時速可達500Km/h），所以用在機床進給驅動中，要滿足其超高速切削的最大進個速度（要求達60～100M/min或更高）當然是沒有問題的。也由于上述"零傳動"的高速響應性，使其加減速過程大大縮短。以實現(xiàn)起動時瞬間達到高速，高速運行時又能瞬間準停?？色@得較高的加速度，一般可達2～10g（g=9.8m/s2），而滾珠絲杠傳動的最大加速度一般只有0.1～0.5g。
5. 行程長度不受限制 在導軌上通過串聯(lián)直線電機，就可以無限延長其行程長度。
6. 運動動安靜、噪音低 由于取消了傳動絲杠等部件的機械摩擦，且導軌又可采用滾動導軌或磁墊懸浮導軌（無機械接觸），其運動時噪音將大大降低。
7. 效率高 由于無中間傳動環(huán)節(jié)，消除了機械摩擦時的能量損耗，傳動效率大大提高。
直線傳動電機的發(fā)展也越來越快，在運動控制行業(yè)中倍受重視。在國外工業(yè)運動控制相對發(fā)達的國家已開始推廣使用相應的產(chǎn)品，其中美國科爾摩根公司（Kollmorgen）的 PLATINNM DDL系列直線電機和SERVOSTAR CD系列數(shù)字伺服放大器構成一種典型的直線永磁伺服系統(tǒng)，它能提供很高的動態(tài)響應速度和加速度、極高的剛度、較高的定位精度和平滑的無差運動；德國西門子公司、日本三井精機公司、臺灣上銀科技公司等也開始在其產(chǎn)品中應用直線電機。
4 可編程計算機控制器技術
自20世紀60年代末美國第一臺可編程序控制器（Programming Logical Controller，PLC）問世以來，PLC控制技術已走過了30年的發(fā)展歷程，尤其是隨著近代計算機技術和微電子技術的發(fā)展，它已在軟硬件技術方面遠遠走出了當初的"順序控制"的雛形階段?？删幊逃嬎銠C控制器（PCC）就是代表這一發(fā)展趨勢的新一代可編程控制器。
與傳統(tǒng)的PLC相比較，PCC最大的特點在于它類似于大型計算機的分時多任務操作系統(tǒng)和多樣化的應用軟件的設計。傳統(tǒng)的PLC大多采用單任務的時鐘掃描或監(jiān)控程序來處理程序本身的邏輯運算指令和外部的I/O通道的狀態(tài)采集與刷新。這樣處理方式直接導致了PLC的"控制速度"依賴于應用程序的大小，這一結果無疑是同I/O通道中高實時性的控制要求相違背的。PCC的系統(tǒng)軟件完美地解決了這一問題，它采用分時多任務機制構筑其應用軟件的運行平臺，這樣應用程序的運行周期則與程序長短無關，而是由操作系統(tǒng)的循環(huán)周期決定。由此，它將應用程序的掃描周期同外部的控制周期區(qū)別開來，滿足了實時控制的要求。當然，這種控制周期可以在CPU運算能力允許的前提下，按照用戶的實際要求，任意修改。
基于這樣的操作系統(tǒng)，PCC的應用程序由多任務模塊構成，給工程項目應用軟件的開發(fā)帶來很大的便利。因為這樣可以方便地按照控制項目中各部分不同的功能要求，如運動控制、數(shù)據(jù)采集、報警、PID調(diào)節(jié)運算、通信控制等，分別編制出控制程序模塊（任務），這些模塊既獨立運行，數(shù)據(jù)間又保持一定的相互關聯(lián)，這些模塊經(jīng)過分步驟的獨立編制和調(diào)試之后，可一同下載至PCC的CPU中，在多任務操作系統(tǒng)的調(diào)度管理下并行運行，共同實現(xiàn)項目的控制要求。
PCC在工業(yè)控制中強大的功能優(yōu)勢，體現(xiàn)了可編程控制器與工業(yè)控制計算機及DCS（分布式工業(yè)控制系統(tǒng)）技術互相融合的發(fā)展潮流，雖然這還是一項較為年輕的技術，但在其越來越多的應用領域中，它正日益顯示出不可低估的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
5 運動控制卡
運動控制卡是一種基于工業(yè)PC機 、 用于各種運動控制場合（包括位移、速度、加速度等）的上位控制單元。它的出現(xiàn)主要是因為：（1）為了滿足新型數(shù)控系統(tǒng)的標準化、柔性、開放性等要求；（2）在各種工業(yè)設備（如包裝機械、印刷機械等）、國防裝備（如跟蹤定位系統(tǒng)等）、智能醫(yī)療裝置等設備的自動化控制系統(tǒng)研制和改造中，急需一個運動控制模塊的硬件平臺；（3）PC機在各種工業(yè)現(xiàn)場的廣泛應用，也促使配備相應的控制卡以充分發(fā)揮PC機的強大功能。
運動控制卡通常采用專業(yè)運動控制芯片或高速DSP作為運動控制核心，大多用于控制步進電機或伺服電機。一般地 ， 運動控制卡與PC機構成主從式控制結構：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、運動軌跡規(guī)劃、控制指令的發(fā)送、外部信號的監(jiān)控等等）；控制卡完成運動控制的所有細節(jié)（包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速的處理、原點和限位等信號的檢測等等）。運動控制卡都配有開放的函數(shù)庫供用戶在DOS或Windows系統(tǒng)平臺下自行開發(fā)、構造所需的控制系統(tǒng)。因而這種結構開放的運動控制卡能夠廣泛地應用于制造業(yè)中設備自動化的各個領域。
這種運動控制模式在國外自動化設備的控制系統(tǒng)中比較流行，運動控制卡也形成了一個獨立的專門行業(yè)，具有代表性的產(chǎn)品有美國的PMAC、PARKER等運動控制卡。在國內(nèi)相應的產(chǎn)品也已出現(xiàn)，如成都步進機電有限公司的DMC300系列卡已成功地應用于數(shù)控打孔機、汽車部件性能試驗臺等多種自動化設備上。
[關鍵詞]DSP；FPGA；運動控制技術
前言
在工業(yè)發(fā)展的過程中，制造業(yè)起著基礎性的作用，制造業(yè)的發(fā)展依賴于制造技術，傳統(tǒng)的制造業(yè)中，代表性的為傳統(tǒng)機電工業(yè)，不過在制造業(yè)發(fā)展的過程中，傳統(tǒng)機電工業(yè)也發(fā)生了巨大的變化，產(chǎn)品結構和生產(chǎn)系統(tǒng)結構都發(fā)生了深刻的變革，在變化的過程中，應用了先進的制造技術，這其中就包含數(shù)控技術，在對數(shù)控技術進行控制時，應用了DSP以及FPGA。
一、DSP和FPGA在運動控制中應用的意義
（一）DSP應用的意義
DSP是指實時數(shù)字信號處理技術，數(shù)字信號處理器是其核心和標志，在對數(shù)字信號進行處理時，精度高、靈活性強、可靠性高[1]。隨著現(xiàn)代制造技術的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)所面臨的要求越來越高，不僅要具備非常好的運行速度，同時還需要具備非常高的精度，運動控制的主要目的就是保證高精度以及高速度。在DSP中，對組總線的哈佛結構是其所特有的，由此一來，在進行數(shù)據(jù)處理時，指令和速度同時進行，從而顯著的提升了處理的速度，將DSP技術應用到運動控制中之后，可以顯著的提升控制的效果，滿足數(shù)控系統(tǒng)的控制要求，在運動控制技術未來的發(fā)展中，DSP技術將成為必然的應用趨勢。
（二）FPGA應用的意義
FPGA是指現(xiàn)場可編程邏輯門列陣，是一種可編程的ASIC，當需要進行RAM、EPROM編程的增加時，可以選擇外加，也可以選擇內(nèi)置，F(xiàn)PGA具備比較好的實時性，除了增加編程之外，器件功能的改變、現(xiàn)場編程、在線配置等都可以實現(xiàn)實時性，在進行科學實驗或者是小批量生產(chǎn)時，F(xiàn)PGA是最為適合的選擇[2]。在運動控制發(fā)展的過程中，電路規(guī)模不斷地擴大，這使得電路設計師的設計難度增加，為了很好地進行設計，就需要進行科學的硬件仿真，而硬件仿真則可以通過FPGA來實現(xiàn)，應用FPGA之后，電路設計師在進行設計時，其邏輯和性能指標的測試具備非常強的直觀性，提升了設計的科學性，增強了運動控制的效果。
二、基于DSP和FPGA的運動控制技術方案
（一）設計目標
在運動控制技術中，通過DSP和FPGA技術的應用，設計出完善的運動控制卡，對數(shù)控系統(tǒng)進行有效地控制。在進行運動控制卡設計時，主要的控制方式是對開環(huán)或半閉環(huán)進行控制。在整個運動系統(tǒng)中，主控單元為運動控制卡，需要實現(xiàn)三大功能，一是將主機發(fā)出的運動指令進行全面的接收，同時，將運行的狀態(tài)反饋給主機；二是在接收到相應的指令之后，展開運動控制工作，控制的對象為4軸電機；三是在運動的過程中，與其有關聯(lián)的信號主要兩種，一種為外部I/O信號，另一種為通用I/O信號，在對著兩種信號進行處理時，采用并行處理的辦法。
（二）總體結構
運動控制卡是在DSP和FPGA的基礎上來進行設計的，而DSP和FPGA以芯片的方式應用到運動控制卡中[3]。為了實現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的存儲，F(xiàn)lash和SRAM設置在DSP的周圍，數(shù)量為多個，在每兩個Flash和SRAM之間，片選信號CS是共用的，這樣一來，在進行讀寫時，數(shù)據(jù)總線為高低雙字32位，顯著的提升了訪問的速度。在對下載的程序進行存儲時，通過在FPGA處配置EPROM來實現(xiàn)。在進行DSP和FPGA器件選擇時，要保證能耗比較低，同時電壓也要比較低。
（三）板卡地址空間的分配
在DSP中，數(shù)據(jù)總線的數(shù)量為32根，地址總線的數(shù)量為24根，在最高位置處，地址總線有2根，據(jù)此，將DSP地址空間劃分為四頁。在進行譯碼電路的實現(xiàn)時，使用了FPGA，在其內(nèi)部來實現(xiàn)，對于每個軸來說，與單獨用于運動控制功能的專用控制電路是比較相似的，選擇的定時器為32位計數(shù)器，在進行計數(shù)時，實現(xiàn)對系統(tǒng)時鐘來進行。在進行模擬通道時，總共有四路，每路所具備的功能都是一致的，在對模擬輸出信號進行控制，單獨一路就可以實現(xiàn)。
（四）板卡芯片型號的選擇
運動控制板卡中的芯片為DSP和FPGA，在進行DSP型號選擇時，需要考慮多個方面的因素，比如信號處理的實時性、信號處理的速度、高運算精度、開發(fā)成本等，最終確定選擇的DSP為TMS320VC33型號；而在選擇FPGA型號時，綜合考慮的因素包含器件資源、供電電壓等，最終選擇了XC2S300E型號。
結論
運動控制技術上現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展中應用的主要技術，通過運動控制技術，有效的實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的控制，提升工業(yè)生產(chǎn)的效率，促進制造業(yè)的發(fā)展。隨著運動控制技術的發(fā)展，應用了DSP和FPGA，在DSP和FPGA的基礎上設計了比較完善的運動控制板卡，從而有效的提升了控制的結果。當前的DSP和FPGA應用的還不完善，還需要加大研究的力度。
參考文獻
[1]吳，皮佑國.基于DSP和FPGA的運動控制器的設計與實現(xiàn)[J].組合機床與自動化加工技術，2011，（02）：75-77+82.
【關鍵詞】三輪全向機器人 運動控制 軌跡跟蹤 無刷直流電機
一、背景
三輪全向移動機器人以其全方位的移動方式在工業(yè)、醫(yī)藥等領域有著普遍的應用，其運動的相關特性和控制技術也日臻完善。本文從削減硬件電路的角度出發(fā)，僅靠簡單的比例控制使其運動特性及軌跡跟蹤獲得良好效果。
二、原理介紹
（一）三輪全向移動機器人模型
三輪全向移動機器人其驅動輪由三個全向輪組成，徑向對稱安裝，各輪互成120°角，滾柱垂直于各主輪。三個全向輪的大小和質(zhì)量完全相同，而且由性能相同的電機驅動。
（二）三輪全向移動機器人運動學模型
（三）三輪全向移動機器人運動系統(tǒng)控制：
圖 2基于運動學模型的分層控制框圖
圖2所示的是機器人運動學模型的分層控制系統(tǒng)框架，主要是分為上下兩層分別是機器人運動學模型的運動控制以及驅動電機轉速控制。上層主要是對機器人運動學控制器轉達機器人相關的速度、基本信息的考慮，所以一般而言它是不需要考慮動力學特征的，下層的驅動電機轉速控制相對上層控制器是透明的。在模塊開發(fā)上面這兩層是可以區(qū)別開來的，可以分別進行開發(fā)，這樣就可以運用模塊的形式進行開發(fā)，有利于節(jié)省時間提高效率，同時一定程度上也提高機器的整體的狀態(tài)，減輕設計難度，有利于控制算法的更新。
三、模型建立
（一）電機轉速模型和輸入曲線生成模型的建立
在進行控制器設計之前，首先要對電機建模，這里選用的是瑞士的MAXON公司的無刷直流電機EC-4pole 30（ order number 305014）。
1.無刷直流電機的數(shù)學模型，其等效電路如圖3所示：
圖3 無刷直流電機等效電路圖
三相（無中線）無刷直流電機的瞬態(tài)電壓方程：
然后根據(jù)無刷直流電機的特性可以得出以下三個方程：
電壓方程：
轉矩方程：
運動方程：
2.Matlab的建模實現(xiàn)
Matlab的建模實際上就是以上公式得仿真實現(xiàn)，根據(jù)模塊化建模思想，將控制系統(tǒng)分割為各個功能獨立的子模塊，主要包括：電機本體模塊、反電動勢構造模塊、邏輯換相模塊。
3.無刷直流電機仿真模型的驗證
（二）運動學模塊的建立
（三）機器人運動圖像的輸出
（四）控制器的設計
在設計控制器時我們沒有考慮底層控制器，直接由控制器產(chǎn)生電壓的信號輸出。在實際應用中由于底層控制器與驅動電機的電路相連，底層控制器往往會因為電機的過載等情況而燒毀。本文模型跳過底層控制器，直接采用比例控制的方法對電機進行控制。
以下是完整的simulink控制框圖：
參考文獻：
關鍵詞：直線電機；控制器；運動控制
隨著計算機技術、電子電力技術和傳感器技術的發(fā)展，機電一體化技術已越來越受到各方面的關注，它在改善人民生活、提高工作效率、節(jié)約能源、降低材料消耗、增強企業(yè)競爭力等方面起著極大的作用。
一、交流伺服驅動
在一些定位精度或動態(tài)響應要求比較高的機電一體化產(chǎn)品中，交流伺服系統(tǒng)的應用越來越廣泛，其中數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)更符合數(shù)字化控制模式的潮流，而且調(diào)試、使用十分簡單，因而倍受青睞。這種伺服系統(tǒng)的驅動器采用了先進的數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP），可以對電機軸后端部的光電編碼器進行位置采樣，在驅動器和電機之間構成位置和速度的閉環(huán)控制系統(tǒng)，并充分發(fā)揮DSP的高速運算能力，自動完成整個伺服系統(tǒng)的增益調(diào)節(jié)，甚至可以跟蹤負載變化，實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)增益；有的驅動器還具有快速傅立葉變換（FFT）的功能，測算出設備的機械共振點，并通過陷波濾波方式消除機械共振。
該系統(tǒng)克服了上述半閉環(huán)控制系統(tǒng)的缺陷，伺服驅動器可以直接采樣裝在最后一級機械運動部件上的位置反饋元件（如光柵尺、磁柵尺、旋轉編碼器等），作為位置環(huán)，而電機上的編碼器反饋此時僅作為速度環(huán)。這樣伺服系統(tǒng)就可以消除機械傳動上存在的間隙，補償機械傳動件的制造誤差，實現(xiàn)真正的全閉環(huán)位置控制功能，獲得較高的定位精度。而且這種全閉環(huán)控制均由伺服驅動器來完成，無需增加上位控制器的負擔，因而越來越多的行業(yè)在其自動化設備的改造和研制中，開始采用這種伺服系統(tǒng)。
二、直線電機驅動
在機床進給系統(tǒng)中，采用直線電動機直接驅動與原旋轉電機傳動的最大區(qū)別是取消了從電機到工作臺（拖板）之間的機械傳動環(huán)節(jié)，把機床進給傳動鏈的長度縮短為零，因而這種傳動方式又被稱為“零傳動”，它具有原旋轉電機驅動方式無法達到的性能指標和優(yōu)點。
1、高速響應。由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應時間常數(shù)較大的機械傳動件（如絲杠等），使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)響應性能大大提高。
2、精度。直線驅動系統(tǒng)取消了因絲杠等機械機構產(chǎn)生的傳動間隙和誤差，減少了插補運動時因傳動系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差，提高了機床的定位精度。
3、動剛度高。由于“直接驅動”，避免了啟動、變速和換向時因中間傳動環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運動滯后現(xiàn)象，同時也提高了其傳動剛度。
4、速度快。由于直線電動機最早主要用于磁懸浮列車（時速可達500Km/h），所以用在機床進給驅動中，要滿足其超高速切削的最大進個速度（要求達60～100M/min或更高）當然是沒有問題的。也由于上述“零傳動”的高速響應性，使其加減速過程大大縮短。以實現(xiàn)起動時瞬間達到高速，高速運行時又能瞬間準停?？色@得較高的加速度，一般可達2～10g（g=9.8m/s2），而滾珠絲杠傳動的最大加速度一般只有0.1～0.5g。
5、行程長度不受限制。在導軌上通過串聯(lián)直線電機，就可以無限延長其行程長度。
6、運動動安靜、噪音低。由于取消了傳動絲杠等部件的機械摩擦，且導軌又可采用滾動導軌或磁墊懸浮導軌（無機械接觸），其運動時噪音將大大降低。
7、效率高。由于無中間傳動環(huán)節(jié)，消除了機械摩擦時的能量損耗，傳動效率大大提高。
三、計算機控制器
與傳統(tǒng)的PLC相比較，PCC最大的特點在于它類似于大型計算機的分時多任務操作系統(tǒng)和多樣化的應用軟件的設計。傳統(tǒng)的PLC大多采用單任務的時鐘掃描或監(jiān)控程序來處理程序本身的邏輯運算指令和外部的I/O通道的狀態(tài)采集與刷新。這樣處理方式直接導致了PLC的“控制速度”依賴于應用程序的大小，這一結果無疑是同I/O通道中高實時性的控制要求相違背的。PCC的系統(tǒng)軟件完美地解決了這一問題，它采用分時多任務機制構筑其應用軟件的運行平臺，這樣應用程序的運行周期則與程序長短無關，而是由操作系統(tǒng)的循環(huán)周期決定。由此，它將應用程序的掃描周期同外部的控制周期區(qū)別開來，滿足了實時控制的要求。當然，這種控制周期可以在CPU運算能力允許的前提下，按照用戶的實際要求，任意修改。
基于這樣的操作系統(tǒng)，PCC的應用程序由多任務模塊構成，給工程項目應用軟件的開發(fā)帶來很大的便利。因為這樣可以方便地按照控制項目中各部分不同的功能要求，如運動控制、數(shù)據(jù)采集、報警、PID調(diào)節(jié)運算、通信控制等，分別編制出控制程序模塊（任務），這些模塊既獨立運行，數(shù)據(jù)間又保持一定的相互關聯(lián)，這些模塊經(jīng)過分步驟的獨立編制和調(diào)試之后，可一同下載至PCC的CPU中，在多任務操作系統(tǒng)的調(diào)度管理下并行運行，共同實現(xiàn)項目的控制要求。
四、運動控制卡
運動控制卡是一種基于工業(yè)PC機、用于各種運動控制場合的上位控制單元。運動控制卡通常采用專業(yè)運動控制芯片或高速DSP作為運動控制核心，大多用于控制步進電機或伺服電機。運動控制卡與PC機構成主從式控制結構：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；控制卡完成運動控制的所有細節(jié)。運動控制卡都配有開放的函數(shù)庫供用戶在DOS或Windows系統(tǒng)平臺下自行開發(fā)、構造所需的控制系統(tǒng)。因而這種結構開放的運動控制卡能夠廣泛地應用于制造業(yè)中設備自動化的各個領域。
1遠程控制系統(tǒng)模型設計
1．1遠程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡架構隨著Internet技術的不斷發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)應用范圍日益廣泛，并且互聯(lián)網(wǎng)的安全性問題、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性問題也得到了很好的解決，使得各種不同的信號都能保質(zhì)保量地在互聯(lián)網(wǎng)上傳送。再者，現(xiàn)在數(shù)控設備的可控性、開放性越來越好，可以用不同的方式來控制設備的運作。本系統(tǒng)的網(wǎng)絡體系結構如圖2所示。系統(tǒng)采用B/S(瀏覽器/服務器)網(wǎng)絡模式。服務器采用Windows系統(tǒng)自帶的IIS服務器。遠程控制客戶端由瀏覽器組成，它們負責與運動控制卡的數(shù)據(jù)接口，并將參數(shù)按一定的協(xié)議通過網(wǎng)絡傳遞給后端的服務器進行處理。服務器端有專門處理控制參數(shù)的服務程序，服務程序根據(jù)控制參數(shù)調(diào)用動態(tài)鏈接庫驅動設備運動。同時服務器端根據(jù)服務程序從運動控制卡取得設備的各種狀態(tài)參數(shù)并反饋到客戶端，因此客戶端能很方便地采集數(shù)據(jù)和監(jiān)測設備。
1．2系統(tǒng)工作流程用戶在瀏覽器中輸入Web服務器的地址，Web服務器將用Flash制作的控制臺用瀏覽器的形式顯示到客戶端，客戶端根據(jù)XML配置文件連接到執(zhí)行服務器。用戶設定好所需參數(shù)后提交給應用服務器，應用服務器直接和客戶端瀏覽器建立連接，將運動控制器狀態(tài)參數(shù)傳送到瀏覽器中。當用戶發(fā)送運動命令時，執(zhí)行服務器將加工任務映射為運動控制器的數(shù)控內(nèi)核API進行調(diào)用，驅動運動控制器實現(xiàn)用戶所設定的運動。
2Web遠程控制系統(tǒng)的軟件設計
2．1遠程數(shù)據(jù)傳送技術Internet環(huán)境下的“WWW”以“請求－響應”的方式進行工作?？蛻舳藶g覽器只有不斷地向Web服務器發(fā)送請求，才能進行數(shù)據(jù)更新，因而具有被動性和滯后性，無法及時獲取遠程設備的實時狀態(tài)信息，而且當網(wǎng)頁中僅有部分數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，Web服務器也必須重新發(fā)送整張網(wǎng)頁，加重了Web服務器的負擔，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省榇?，必須引入?shù)據(jù)傳送技術，以實現(xiàn)客戶端瀏覽器中網(wǎng)頁的自動局部更新。引入數(shù)據(jù)傳送技術后，當遠程設備的數(shù)據(jù)發(fā)生變化時或者按照一定的采樣周期，服務器可主動向客戶端瀏覽器發(fā)送以XML格式封裝的僅包含遠程設備狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)，客戶端瀏覽器根據(jù)所接收到的數(shù)據(jù)對網(wǎng)頁進行局部更新。
2．2用戶端程序設計用戶端程序主要是開發(fā)Web嵌入式數(shù)據(jù)接收程序，采用兼容性、跨平臺性好的FlashApplication嵌入網(wǎng)頁中來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送和接收。Flash中內(nèi)建的XMLSocket對象允許基于FlashApplication的客戶端數(shù)據(jù)接收程序與遠程設備上的數(shù)據(jù)推送程序之間建立基于Socket的連接，并通過該連接進行雙向的無限制數(shù)據(jù)交換。FlashApplication在客戶端瀏覽器中通過XML-Socket向遠程設備上的數(shù)據(jù)推送程序發(fā)出連接請求，在與遠程設備上的數(shù)據(jù)推送程序建立連接后，F(xiàn)lashApplication就能夠自動接收來自遠程設備以XML格式封裝的數(shù)據(jù)，并從中分析出所需信息來刷新瀏覽器中的網(wǎng)頁。當用戶提交控制參數(shù)后，必須對用戶的參數(shù)進行XML封裝，再傳到服務程序中解析。圖4是軟件的登錄界面，登錄后可以實現(xiàn)對設備的簡單控制以及對各軸運動進行監(jiān)測。
2．3服務器端程序設計服務器端的程序用C#編寫，主要實現(xiàn)以下功能:a．建立線程監(jiān)聽和處理用戶端的請求。b．接收和解析客戶端傳送過來的參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)調(diào)用動態(tài)鏈接庫函數(shù)驅動設備運轉。c．當驅動設備工作后，啟動監(jiān)測線程，監(jiān)測機器各軸的狀態(tài)，并把狀態(tài)、限位等狀態(tài)參數(shù)封裝傳送到客戶端。用戶打開瀏覽器對機器進行遠程操作時，服務程序創(chuàng)建一個緩沖區(qū)用來接收用戶封裝的數(shù)據(jù)，然后取得封裝數(shù)據(jù)首節(jié)點的第一個子級，通過節(jié)點關系可以一級級地解析出子節(jié)點的內(nèi)容。所有的請求數(shù)據(jù)都采用這種解析的方法處理。服務程序不斷地從設備中取得狀態(tài)參數(shù)，并把參數(shù)封裝傳送到用戶瀏覽器端。由于采用了XML數(shù)據(jù)封裝與解析技術，避免了客戶端網(wǎng)頁無休止地刷新。
3實現(xiàn)對終端設備的遠程控制
在深圳地鐵公司運營總部綜合監(jiān)控實驗室，運行遠程控制系統(tǒng)的客戶端程序，通過Internet網(wǎng)絡成功實現(xiàn)對快速成形機各軸的移動控制及坐標位置反饋。
4結束語
【關鍵詞】兩輪自平衡小車；PID控制；平衡控制；運動控制；控制算法
1.引言
兩輪自平衡小車是一種典型的欠驅動系統(tǒng)（underactuated system）、非完整系統(tǒng)（nonholonomic system）。其核心問題是對小車的平衡控制和運動控制，其中兩輪自平衡小車的姿態(tài)平衡控制類似于倒立擺的平衡問題，所不同的是兩輪自平衡小車可以在二維甚至三維空間內(nèi)運動。兩輪自平衡小車不僅需要始終保持車身的直立，還需要在保持直立的同時在二維甚至三維空間內(nèi)運動。
兩輪自平衡小車有4個自由度：2個平面支撐運動自由度，2個姿態(tài)角運動自由度。然而其中只有2個平面支撐運動自由度，即左輪和右輪可以驅動。
對于兩輪自平衡小車，姿態(tài)平衡控制可以通過改變左輪和右輪的運動速度和運動方向來控制的。當小車的車身發(fā)生傾斜時，左右電機產(chǎn)生相應的力矩來調(diào)節(jié)左右兩輪運動速度和運動方向，使小車恢復平衡直立的狀態(tài)。小車的運動軌跡控制則是通過調(diào)整行進速度和行進方向來控制的。兩輪自平衡小車的行進速度是左輪線速度和右輪線速度的平均值，也是通過左右電機產(chǎn)生的力矩來調(diào)節(jié)。行進方向則需要左輪和右輪的差動來調(diào)節(jié)，即對左輪和右輪施加不同的作用力矩，以產(chǎn)生不同的運動速度，從而實現(xiàn)兩輪自平衡小車航向的控制。
PID控制算法是一種應用廣泛、使用簡單有效的經(jīng)典的自動控制算法，兩輪自平衡小車的平衡控制和運動控制都可以采用PID控制策略。在1997年，日本的Hiraoka和Noritsugu研究出一種采用PID算法控制速度和位置的兩輪平行小車[1]。實際上，大多數(shù)的兩輪自平衡小車都是在運動平衡控制實驗的最初階段選用PID控制策略[2]，之后才進一步研究其他的控制策略，包括各種智能控制，各種變形的PID控制策略。
2.控制結構
兩輪自平衡小車的運動平衡控制包含兩個方面：平衡控制，運動控制。
平衡控制問題是兩輪自平衡小車控制問題中首要的問題，也是最主要的矛盾。保持姿態(tài)的平衡需要通過驅動電機及其伺服控制實現(xiàn)。
運動控制是在車體保持姿態(tài)平衡的狀態(tài)下執(zhí)行各種機動動作，其基本的原理是對行進速度和行進方向的控制。
兩輪自平衡小車的運動平衡控制回路如圖1所示，圖中的符號和參數(shù)參照表1定義。
3.平衡控制
兩輪自平衡小車的最首要目標是使小車的車體始終保持直立狀態(tài)，即使車體的俯仰角保持在期望值附近。通常情況下，假定兩輪自平衡小車車體質(zhì)心位于車體坐標的幾何中軸之上，期望俯仰角0，于是采用線性PD控制算法為：
在兩輪自平衡小車的平衡控制環(huán)節(jié)中，選擇PD控制而不是PID控制的原因有以下兩點：
（1）兩輪自平衡小車運動時的姿態(tài)檢測信號中不可避免的混雜著較大的噪聲信號，積分（I）環(huán)節(jié)會將這些噪聲信號由隨著時間不斷地累積，這樣積分器便失去消除靜差的調(diào)節(jié)功能并產(chǎn)生控制誤差；
（2）兩輪自平衡小車的車輪與地面的摩擦會產(chǎn)生阻尼作用，而這種阻尼作用能夠抵消機器人姿態(tài)傾角的靜差的持續(xù)增加。
在適當?shù)脑鲆嫦禂?shù)下，線性PD控制器可以實現(xiàn)兩輪自平衡小車的姿態(tài)平衡控制，但是仍然存在2個不足：
（1）電機損耗和能耗大，魯棒性低；
（2）在平衡點=0的鄰域內(nèi)容易出現(xiàn)自激或者振蕩。
為了在一定程度上彌補線性PD控制器的不足，可以使用非線性PD控制代替線性PD控制，這同時還能使控制器有較為明確的物理意義。
根據(jù)控制機理的不同，非線性PID控制器可分為兩大類[3]：直接控制型（direct-action）和增益調(diào)整型（gain-scheduling）。但是兩類非線性PID控制器的作用對象不同，直接控制型是對控制分量的非線性控制量進行直接設計，而增益調(diào)整型是對增益參數(shù)的非線性控制進行規(guī)劃調(diào)整。
式中，、為控制量輸入信號；為控制響應誤差信號；為非線性函數(shù)的自變量向量；為非線性函數(shù)的自變量；、、分別為比例、積分、微分三個非線性分量函數(shù)；、、分別為比例、積分、微分三個非線性增益函數(shù)。
式（2）中非線性函數(shù)、、包含以下非線性特征被控制原理所證實[4]：
（1）比例控制分量可以為誤差信號的連續(xù)并且單調(diào)遞增的非線性函數(shù)；
（2）當誤差信號=0時，有=0，表明誤差為零值時，比例控制分量也為零值；
（3）當誤差信號=max（）時，有=max（），表明最大誤差對應著最大比例分量輸出。
而且可以比其他函數(shù)對象保留更加簡單的非線性幾何特征，從而簡化了非線性控制器的設計。
基于以上分析，可以構造用于兩輪自平衡小車姿態(tài)平衡控制的非線性PD控制算法：
這里，為非線性比例環(huán)節(jié)參數(shù)，適當?shù)剡x定參數(shù)和值，使控制量||較小時的斜率較小，在||較大時的斜率較大；選較大的值，特別是當高頻噪聲嚴重時，應該適當?shù)赝貙挘?）空間。其中，是非線性微分環(huán)節(jié)參數(shù)。
和依據(jù)兩輪自平衡小車的動力模型選取。
在剛性的兩輪自平衡小車的動力學模型中，系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。
若只考慮傾角變化，動力學方程為：
在式（8）中，當、、為期望輸入，為輸出時，式（8）為兩輪自平衡小車在只考慮姿態(tài)傾角的情況下的動力學逆模型。
將式（8）與式（4）（即非線性PD控制器）進行對比可以發(fā)現(xiàn)，二者在表達形式上十分接近。對于式（8），如果忽略二階項，并用近似cos，則式（8）與式（4）在表達形式上是統(tǒng)一的。由此可以認為，式（4）所描述的非線性PD控制器是兩輪自平衡小車在只考慮姿態(tài)傾角的情形下的近似逆模型。這種近似性表明，非線性PD控制器含有兩輪自平衡小車部分非線性特性。根據(jù)非線性控制的逆系統(tǒng)方法[5]，這種近似性使控制器在控制時能夠對小車的非線性特性進行補償，從而有利于提高控制系統(tǒng)的性能。
4.運動控制
兩輪自平衡小車在保持姿態(tài)平衡的同時，還需要執(zhí)行各種機動動作。兩輪自平衡小車的運動控制問題就是對小車行進速度和行進方向的控制。
由兩輪自平衡小車運動學模型可知，兩輪自平衡小車的行進速度和行進方向與左輪轉速和右輪轉速存在約束關系：
兩輪自平衡小車的行進速度和行進方向均可采用PID算法控制。
4.1 行進速度的控制
兩輪自平衡小車的行進速度是其左輪線速度與右輪線速度的平均值，即：
兩輪自平衡小車的行進速度的控制仍然可采用PID控制：
式中，是實際行進速度與期望行進速度的差。
這里比例項>0，是正反饋，用于調(diào)節(jié)小車的行進速度；積分項，也是正反饋，作用在于累積位移差形成的位移勢能，這種位移勢能既能夠消除靜差，又能夠保障小車在復雜路面行進時保持行進速度平穩(wěn)；微分項，是負反饋，可以消除系統(tǒng)的自激和振蕩。
在兩輪自平衡小車的行進速度控制器中，比例項起主導作用，其次是積分項，因此，行進速度的控制器是一個正反饋回路。
4.2 行進方向的控制
兩輪自平衡小車的行進方向是依靠左輪和右輪的差動實現(xiàn)。
兩輪自平衡小車的輪系差動系統(tǒng)如圖2所示。由圖2可知，式（4）獲得的姿態(tài)平衡控制信號與式（8）獲得的行進速度控制信號疊加后被分配至左電機和右電機。左電機和右電機分配到的控制量取決于差動系數(shù)。
差動系數(shù)用于兩輪自平衡小車左右輪速度和的差動控制，使：
差動系數(shù)，需要通過期望航向或者期望偏航速度進行換算。顯然，，當差動系數(shù)，左右輪速度相等，小車沿直線行進。當差動系數(shù)時，左輪靜止，兩輪自平衡小車右輪繞左輪旋轉；當差動系數(shù)時，右輪靜止，兩輪自平衡小車左輪繞右輪旋轉。
控制信號的差動分配使兩輪自平衡小車左輪和右輪能以不同的速度運動，從而可以實現(xiàn)兩輪自平衡小車行進方向控制和調(diào)節(jié)。
如圖2所示，在兩輪自平衡小車輪系差動系統(tǒng)引入PID反饋環(huán)節(jié)：
因為在實際的運動過程中，由于系統(tǒng)本身的抖動、路面復雜程度等多種外界因素的影響，小車可能會偏離期望的航向和軌跡。在運動控制中引入PID反饋環(huán)節(jié)可以克服外部干擾，使小車系統(tǒng)行進速度和行進方向更加穩(wěn)定。
5.結語
本文針對兩輪自平衡小車的核心問題——運動平衡控制問題進行了研究，通過分別對平衡控制和運動控制進行分析，設計構造出非線性PD控制算法和PID差動控制結構，提出了針對兩輪自平衡小車的平衡控制和行進控制的新策略，提高了兩輪自平衡小車的控制效果。
參考文獻
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關鍵詞:SIMOTION 運動控制 軸(axis)
中圖分類號:TP273 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)05(c)-0028-01
最先機的機器必須不斷地滿足更高的要求,必須應對高產(chǎn)品質(zhì)量、循環(huán)率不斷提高的最高程度的生產(chǎn)能力和最低壽命周期成本等挑戰(zhàn)。不僅如此,還必須處理各類人物,控制更多的軸,必須硬度更短的創(chuàng)新周期,跟上快速變化的市場需求步伐。應對所有這些挑戰(zhàn)的解決方案已經(jīng)集成為宜個運行控制系統(tǒng)—— SIMOTION。
SIMOTION作為專業(yè)的運動控制器,能夠靈活地運用于各種對運動控制性能要求比較高的場合。它不僅具有PLC的邏輯處理能力,還能夠實現(xiàn)從定位到電子凸輪同步以及路徑插補的復雜的運動控制,此外針對諸如溫度控制等特殊的工藝功能提供了專門的工藝包,非常方便用戶的使用。 SIMOTION基于三種硬件平臺:基于pannel的Simotion P、基于Controler的Simotion C和基于Drive的Simotion D。用戶可以根據(jù)自己的需要靈活選用,同步,更多的軸數(shù),更快速,更精確,更復雜的運動,模塊化。
對SIMOTION來說運動控制和技術功能采用“面向對象技術”實現(xiàn);SIMOTION功能可以用在自動化構架的不同層次并且可以實現(xiàn)分布配置,具有靈活的拓撲結構。SIMOTION系統(tǒng)的特有的運動控制圖表編程(MCC)使整個運動系統(tǒng)控制更直觀、更便捷。
SIMOTION系統(tǒng)和伺服驅動器使用PROFIdrive協(xié)議通過PROFIBUS DP或PROFINET實現(xiàn)同步。SIMOTION在汽車行業(yè)領域中應用也極為廣泛。以商務汽車減震設備激光焊接系統(tǒng)為例說明其實現(xiàn)的功能。
在汽車減震設備的激光焊接中要求實現(xiàn)全自動焊接,精度和強度要求達到生產(chǎn)設備指標。要求實現(xiàn)產(chǎn)品焊接件從裝配到焊接完成全部是自動控制實現(xiàn);并且在焊接期間要求對安全和設備的定位要求非常精準。傳輸設備也是有SIMOTION系統(tǒng)來完成控制。操作方面可以通過人機界面(hmi)觸摸屏系統(tǒng)反應和控制系統(tǒng)的運行。
SIMOTION系統(tǒng)的控制主要包括兩部分控制:運動控制,開關/模擬量輸入、輸出控制。
1 運動系統(tǒng)控制
1.1 SIMOTION軸(axis)配置部分
在這個項目中,要想實現(xiàn)對軸的運動控制必須要對軸的參數(shù)進行設置。軸(axis)的硬件報文設置對于軸的運動來說是很關鍵的;通過對軸(axis)的控制方式(速度控制、位置方式和同步操作方式),模態(tài)軸的選擇和編碼器參數(shù)的設定來完成一個軸的配置。同樣可以完成其他軸的配置。
注意:在使用調(diào)試好的軸之前一定要使用“Control panel”來調(diào)試相應的軸。以確保配置好的軸可用。
1.2 SIMOTION運動控制程序部分
在程序的編寫部分要想要軸能按照程序動作,軸的使能(PowerAxis)、軸的會零點控制(HomeAxis)、軸的點動運行控制(Jog)、軸的絕對定位和相對定位運行控制(Move)和故障處理(Fault)的程序一定要編寫。
對于“poweraxis”程序中插入一條“軸使能命令”,當“axisenable”為“True”時,“Axis_Blue”軸使能。
同樣的方法可以建立軸的會零點控制(HomeAxis)、軸的點動運行控制(Jog)、軸的絕對定位和相對定位運行控制(Move)。
將程序分配到程序執(zhí)行系統(tǒng)“Back groundTask”中,確保每個循環(huán)都能掃描到軸的使能(PowerAxis)、軸的會零點控制(HomeAxis)、軸的點、運行控制(Jog)、軸的絕對定位和相對定位運行控制(Move)的程序。將錯誤處理程序分配到相應的錯誤任務中,如“techologicalFaultTask”和“pereipherl FaultTask”;避免程序出錯停機。
這樣運動控制的準備工作完成。運行控制的控制程序可以通過ST、LAD和MCC語言編制。由于MCC語言編制的運動控制程序直觀和便捷,這里用MCC語言來做的控制程序。
使用MCC,實現(xiàn)簡便的圖形化編程,通過直觀的MCC(運動控制圖)用戶提示功能,即使是最復雜的運動功能也可以輕松的編制,采用流程圖,清晰、透明地先生機器順序;除了運動指令意外,還實際有I/O訪問指令、邏輯和算術運算指令、子程序調(diào)用指令,甚至還有程序流控制指令符。
通過這樣的驅動運行程序地編制能實現(xiàn)軸的運行速度和位置的控制,通過具體的編制實現(xiàn)整個系統(tǒng)各個軸之間的聯(lián)動,實現(xiàn)工程要求的動作。并且SIMOTIN內(nèi)部可以實現(xiàn)CAM、PATH功能實現(xiàn)幾軸聯(lián)動,可以實現(xiàn)機床和軸驅動設備的定位空間內(nèi)動作。
2 開關/模擬量輸入、輸出控制
SIMOTIO本身控制器帶有的I/O點不是很多,但是它的優(yōu)勢在于可以通過PROFIBUS和PROFINET連接分布I/O(如ET200)。SIMOTION可以通過PROFIBUS、PROFINET或以太網(wǎng)連接SIMATICH HMI裝置,實現(xiàn)狀態(tài)的顯示和上位操作控制。通過總線方式可以實現(xiàn)遠距離控制。
通過SIMOTION內(nèi)的LAD/ST程序編制來實現(xiàn)外部的氣閥、傳感器、安全信號和輥道系統(tǒng)的控制,實現(xiàn)設備和運行控制部分完美結合。
通過這樣運動控制和I/O設備的控制實現(xiàn)整個系統(tǒng)能夠按照要求保證持續(xù)的運行,并且這樣的設計在維護和后期查找問題期間,更簡潔和方便。
關鍵詞：運動控制 數(shù)據(jù)采集 動態(tài)鏈接庫 輪式移動機器人
中圖分類號：TB47 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）01（b）-0001-02
近些年來，移動機器人的運動控制已經(jīng)成為機器人學領域的研究熱點之一。機器人學是一門具有強綜合性的前沿學科，設計人員不僅需要具備交叉學科的基礎理論知識，同時還需要有相關的技術能力。如何降低機器人系統(tǒng)開發(fā)的技術門檻和縮短開發(fā)周期，將更多精力集中在理論研究上，已經(jīng)成為當今機器人領域的一個現(xiàn)實問題。
文獻[1]針對管道機器人的運動控制需要提出一種基于ARM+FPGA測量控制方案，具體做法是在ARM上完成運動控制算法的計算和數(shù)據(jù)存儲，利用FPGA完成7通道編碼器的采樣，該測控系統(tǒng)的優(yōu)勢在于極大減少了系統(tǒng)外部走線和簡化了結構。LEGOMindstormsNXT[2]也提供了基于ARM解決方案的機器人測控系統(tǒng)，其最大特點是傳感器接口豐富。文獻[3]基于虛擬儀器技術建立了一套管道焊接機器人運動控制平臺，具體做法是使用NI-DAQ實時采集機器人狀態(tài)信息并同時向運動控制模塊發(fā)送控制命令，采用這種測控的最大優(yōu)勢是在軟件上集成度較高，方便操作。本文以輪式移動機器人為對象提出一種簡單便于組建的測量控制方案，其優(yōu)點在于采用pmac上位機程序的同時，極大地降低了程序的開發(fā)難度，并提高了系統(tǒng)運行的可靠性。
1 總體方案設計
移動機器人測控系統(tǒng)由控制模塊、數(shù)據(jù)感知與采集模塊、指令與數(shù)據(jù)分析處理模塊構成。指令與數(shù)據(jù)分析處理?？刂瞥绦蛄鞒痰目刂?，數(shù)據(jù)的分析處理與保存。數(shù)據(jù)感知與采集模塊負責采集感知和獲取移動機器人的狀態(tài)信息和電機的輸出信號，并通過USB總線將數(shù)據(jù)送給指令與數(shù)據(jù)分析處理模塊?？刂颇K主要由運動控制器和執(zhí)行器構成，該模塊主要功能有二點：第一，負責運動指令的編譯、解釋和執(zhí)行；第二，驅動執(zhí)行器按設定的軌跡運動，即產(chǎn)生所需要的控制輸入。
2 測量控制系統(tǒng)
輪式移動機器人測控系統(tǒng)需要完成以下任務：在指定的時間內(nèi)，驅動移動機器人從初始位形運動到終止位形，實時采集機器人和執(zhí)行器的狀態(tài)信息，并將最終的數(shù)據(jù)處理結果顯示到計算機的屏幕上。
2.1 硬件結構
輪式移動機器人測控系統(tǒng)依據(jù)上下位機形式組建，如圖3所示，計算機作為上位機實現(xiàn)人機交互功能，運動控制指令和數(shù)據(jù)采集程序的編寫，完成數(shù)據(jù)的分析和處理。下位機由控制模塊和數(shù)據(jù)感知與獲取模塊構成，主要負責對程序的編譯、解釋和執(zhí)行；物理信息的感知和獲取。
測控系統(tǒng)的二個交流步進電機，選用容量為400 W的德昌步進電機，伺服方式采用脈沖方向和電壓控制方式，根據(jù)步進電機的控制方式，運動控制器采用Delta-Tau公司的turbopmacⅡ型卡，它采用MotorolaDSP56001數(shù)字信號處理器作為CPU，對不同電動機，PMAC可提供相應的控制信號，并可接收各種檢測元件的反饋信號，如測速發(fā)電機、旋轉變壓器、并行數(shù)據(jù)、編碼器、光柵尺等，本系統(tǒng)采用增量編碼器作為伺服檢測裝置，進而檢測電機的運動狀態(tài)，在pmac和步進電機之間形成了精確的位置反饋和速度反饋。機器人的其他位姿信息可以由里程計讀出，通過PCI-DAQ采集并送到上位機中處理。
2.2 軟件結構
輪式移動機器人測控系統(tǒng)基于LabVIEW環(huán)境開發(fā)上位機程序，可以很容易地實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理和程序流程控制，但是步進電機的運動控制程序需要在PEWIN32環(huán)境下編寫。這里就有一個迫切需要解決的問題：即在運動控制的同時，如何有效實時地采集數(shù)據(jù)，這涉及到數(shù)據(jù)采集和運動控制編程環(huán)境融合的問題。
Delta-Tau針對運動控制提出了兩種編程方式，第一種稱為運動程序，運動程序在PEWIN32環(huán)境下開發(fā)，支持G代碼或者Delta指定的開發(fā)指令，最后下載至pmac上執(zhí)行，這種編程方式的優(yōu)點是程序書寫簡單，編譯執(zhí)行速度快，缺點就是程序開發(fā)環(huán)境受限。第二種稱為上位機程序，具體做法是通過調(diào)用Delta提供的PCOMM32.DLL動態(tài)鏈接庫文件，實現(xiàn)對turbopmacⅡ型卡的編程，與運動控制程序不同的是，使用上位機程序，運動控制指令是在上位機中編譯和運行的。上位機程序的優(yōu)勢是可以實時監(jiān)控辦板卡的狀態(tài)，可以自定義編程環(huán)境，但其缺點也是顯而易見的，PCOMM32.DLL庫中擁有超過400個函數(shù)[4]，這無疑增加了程序開發(fā)難度。
本測控系統(tǒng)的運動控制程序采用上位機的編程方式，但做了進一步的改進，系統(tǒng)的軟件結構如圖4所示。在PEWIN32中編寫運動控制程序，下載到pmac的EPROM中，然后LabVIEW中裝載PCOMM32.DLL后，指向EPROM中的運動控制程序并執(zhí)行。上位機同時完成數(shù)據(jù)采集和程序流程控制。即利用簡單的代碼編寫運動控制程序，上位機調(diào)用動態(tài)鏈接庫并執(zhí)行下位機中的運動控制程序。基于圖4的軟件結構，可以在LabVIEW環(huán)境中輕松實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和運動控制，同時簡化了編程難度和降低了程序開發(fā)過程中對函數(shù)庫的依賴，提高運動控制程序運行的效率。
3 結論
本文針對輪式移動機器人提出了一種基于LabVIEW環(huán)境開發(fā)的測控系統(tǒng)，以這種形式組建的系統(tǒng)極大降低了編程難度，同時提高了系統(tǒng)運行的效率和可靠性，同時可為今后全反饋控制提供技術依據(jù)。
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