伺服技術及系統(tǒng)5

1、第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)概概 述述 基于基于PCPC的伺服運動控制系統(tǒng)伺服系統(tǒng)具有一種開放的伺服運動控制系統(tǒng)伺服系統(tǒng)具有一種開放式結構。是一種專用于伺服控制的獨立硬件平臺。其特式結構。是一種專用于伺服控制的獨立硬件平臺。其特點是可以充分利用點是可以充分利用PCPC機的資源和第三方軟件資源完成用機的資源和第三方軟件資源完成用戶應用程序的開發(fā)，將生成的應用程序指令通過戶應用程序的開發(fā)，將生成的應用程序指令通過PCPC并行并行總線傳送給運動控制器，運動控制器按照設定的運行?？偩€傳送給運動控制器，運動控制器按照設定的運行模式，向驅動器

2、發(fā)出運動指令，完成相應的運動規(guī)劃，達式，向驅動器發(fā)出運動指令，完成相應的運動規(guī)劃，達到工業(yè)生產(chǎn)的目的。到工業(yè)生產(chǎn)的目的。第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)5.1 5.1 預備知識預備知識伺服驅動產(chǎn)品種類伺服驅動產(chǎn)品種類普通電機、變頻電機、伺服電機、變頻器、伺普通電機、變頻電機、伺服電機、變頻器、伺服控制器、運動控制器、單軸控制器、多軸控制器、服控制器、運動控制器、單軸控制器、多軸控制器、可編程控制器、上位控制單元、車間級和廠級監(jiān)控工可編程控制器、上位控制單元、車間級和廠級監(jiān)控工作站等。作站等。第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺

3、服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng) 基于基于PCPC的伺服運動控制系統(tǒng)一般由上位計算機、運動控的伺服運動控制系統(tǒng)一般由上位計算機、運動控制器、驅動器、反饋元件和伺服電機等組成制器、驅動器、反饋元件和伺服電機等組成圖5-1 伺服運動控制系統(tǒng)組成框圖 5.1 5.1 預備知識預備知識伺服運動控制系統(tǒng)的硬件組成伺服運動控制系統(tǒng)的硬件組成上位計算機上位計算機：直接影響系統(tǒng)的性能：直接影響系統(tǒng)的性能運動控制器運動控制器：采用多軸運動控制卡，滿足高精度：采用多軸運動控制卡，滿足高精度運動控制要求運動控制要求驅動器、反饋元件驅動器、反饋元件：驅動器數(shù)字化，采用：驅動器數(shù)字化，采用DSPDSP，

4、運用運用IGBT PWMIGBT PWM控制方式，支持脈沖與模擬量兩控制方式，支持脈沖與模擬量兩種輸入方式種輸入方式伺服電機伺服電機：常用單相或三相供電兩種電壓，產(chǎn)品：常用單相或三相供電兩種電壓，產(chǎn)品額定功率為額定功率為30W4000W30W4000W第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)預備知識預備知識系統(tǒng)基本結構組成第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)預備知識預備知識運動控制器第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)伺服運動控制系

5、統(tǒng)的軟件組成伺服運動控制系統(tǒng)的軟件組成（1 1）上位計算機軟件上位計算機軟件：包括系統(tǒng)軟件和應用軟件。：包括系統(tǒng)軟件和應用軟件。系統(tǒng)軟件：系統(tǒng)軟件：一般指操作系統(tǒng)和第三方軟件資源等，具有一一般指操作系統(tǒng)和第三方軟件資源等，具有一定的通用性。定的通用性。應用軟件：應用軟件：主要指用戶調度程序，具有專用性，是根據(jù)需主要指用戶調度程序，具有專用性，是根據(jù)需要由用戶開發(fā)的對有關物理量進行實時控制，使機構按照要由用戶開發(fā)的對有關物理量進行實時控制，使機構按照既定軌跡和規(guī)定參數(shù)完成相應運動的軟件。既定軌跡和規(guī)定參數(shù)完成相應運動的軟件。（2 2）運動控制器軟件運動控制器軟件：置于伺服運動控制器之中。它是：置

6、于伺服運動控制器之中。它是伺服運動控制系統(tǒng)的核心，按著一定的控制算法和數(shù)學模伺服運動控制系統(tǒng)的核心，按著一定的控制算法和數(shù)學模型而編制的專用程序。型而編制的專用程序。預備知識預備知識操操 作作 系系 統(tǒng)統(tǒng)第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng) 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)OSOS（operation systemoperation system）是一組計算機程）是一組計算機程序的集合，用來有效地控制和管理計算機的硬件和軟件序的集合，用來有效地控制和管理計算機的硬件和軟件資源，即合理地對資源進行調度，并提供應用接口。資源，即合理地對資源進行調度，并提供應

7、用接口。 對于在對于在PCPC機上開發(fā)應用軟件的用戶來說，其工作完機上開發(fā)應用軟件的用戶來說，其工作完全是建立在操作系統(tǒng)之上的，是直接面對操作系統(tǒng)核心全是建立在操作系統(tǒng)之上的，是直接面對操作系統(tǒng)核心的編程，因此，對于操作系統(tǒng)軟件結構的理解是至關重的編程，因此，對于操作系統(tǒng)軟件結構的理解是至關重要的。要的。預備知識預備知識幾個基本的概念幾個基本的概念 任務任務指一個程序分段，這個分段被操作系統(tǒng)當作一個基指一個程序分段，這個分段被操作系統(tǒng)當作一個基本工作單元來調度。任務是在系統(tǒng)運行前設計好的。本工作單元來調度。任務是在系統(tǒng)運行前設計好的。 進程進程指任務在作業(yè)環(huán)境中的一次運行過程，它是動態(tài)過指任務

8、在作業(yè)環(huán)境中的一次運行過程，它是動態(tài)過程。有些操作系統(tǒng)把任務和進程等同看待，認為任務是一程。有些操作系統(tǒng)把任務和進程等同看待，認為任務是一個動態(tài)過程，即執(zhí)行任務體的動態(tài)過程。個動態(tài)過程，即執(zhí)行任務體的動態(tài)過程。 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)預備知識預備知識 線程線程比進程更小且能獨立運行和調度的基本單位，并比進程更小且能獨立運行和調度的基本單位，并以此來提高程序開發(fā)執(zhí)行的程度。近些年，線程的概念已以此來提高程序開發(fā)執(zhí)行的程度。近些年，線程的概念已廣泛應用，在廣泛應用，在Windows中就使用的線程的概念。中就使用的

9、線程的概念。 多用戶和多任務多用戶和多任務是允許多個用戶通過各自的終端使用是允許多個用戶通過各自的終端使用同一臺主機、共享同一個操作系統(tǒng)及各種系統(tǒng)資源。每個同一臺主機、共享同一個操作系統(tǒng)及各種系統(tǒng)資源。每個用戶的應用程序可以設計成不同的任務，這些任務可以開用戶的應用程序可以設計成不同的任務，這些任務可以開發(fā)執(zhí)行。多用戶及多任務系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的吞吐量，更發(fā)執(zhí)行。多用戶及多任務系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的吞吐量，更有效地利用系統(tǒng)資源。有效地利用系統(tǒng)資源。操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)預備知識預備知識第第5章章 基于基于PC運動控

10、制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)實時多任務操作系統(tǒng)實時多任務操作系統(tǒng)（iRMXiRMX） 預備知識預備知識iRMXiRMX是是IntelIntel公司為公司為80808080和和80868086微處理器設計的一款非微處理器設計的一款非常典型的實時多任務操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)由常典型的實時多任務操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)由IntelIntel公司在公司在7070年代后期開發(fā)，并于年代后期開發(fā)，并于19801980年面世。年面世。上世紀上世紀8080年代，年代，iRMXiRMX比較廣泛地應用在比較廣泛地應用在8080系列為中央系列為中央處理器的嵌入式系統(tǒng)上作為系統(tǒng)的開發(fā)編譯平

11、臺。處理器的嵌入式系統(tǒng)上作為系統(tǒng)的開發(fā)編譯平臺。iRMXiRMX系統(tǒng)采用系統(tǒng)采用INTELINTEL公司的公司的PL/MPL/M高級語言及相應的系列高級語言及相應的系列編譯器，調試器作為開發(fā)編譯調試環(huán)境。編譯器，調試器作為開發(fā)編譯調試環(huán)境。Intel Real-time Multitasking eXecutiveIntel Real-time Multitasking eXecutive第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)iRMXiRMX操作系統(tǒng)結構操作系統(tǒng)結構實時多任務操作系統(tǒng)實時多任務操作系統(tǒng)（iRMXiRMX） 核核基本基本I/O

12、I/O子系統(tǒng)子系統(tǒng)應用加載程序應用加載程序擴展擴展I/OI/O子系統(tǒng)子系統(tǒng)人機接口人機接口圖5-2 系統(tǒng)結構示意圖 預備知識預備知識 iRMXiRMX操作系統(tǒng)的核是系統(tǒng)的心臟。系統(tǒng)的實時性，任務操作系統(tǒng)的核是系統(tǒng)的心臟。系統(tǒng)的實時性，任務調度等重要功能與性能都是基于核實現(xiàn)的。其主要功能包括：調度等重要功能與性能都是基于核實現(xiàn)的。其主要功能包括：目標管理目標管理控制系統(tǒng)資源訪問，實現(xiàn)任務間的通信?？刂葡到y(tǒng)資源訪問，實現(xiàn)任務間的通信。任務調度任務調度按基于優(yōu)先級搶占方式調度任務。按基于優(yōu)先級搶占方式調度任務。中斷管理中斷管理按基于中斷優(yōu)先級原理，響應外部中斷請求，按基于中斷優(yōu)先級原理，響應外部中斷

13、請求，實現(xiàn)中斷處理。實現(xiàn)中斷處理。第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)預備知識預備知識實時多任務操作系統(tǒng)實時多任務操作系統(tǒng)(iRMX)iRMXiRMX操作系統(tǒng)的核操作系統(tǒng)的核 iRMXiRMX的核心程序中用到兩類處理程序：異常處理程序和的核心程序中用到兩類處理程序：異常處理程序和中斷處理程序。對應于每個中斷源，應有一個中斷處理中斷處理程序。對應于每個中斷源，應有一個中斷處理程序。程序。 任務是任務是iRMXiRMX操作系統(tǒng)中唯一可活動的目標，操作系統(tǒng)中唯一可活動的目標，iRMXiRMX中任務中任務的主要特征是任務優(yōu)先級與任務狀態(tài)。的主要特

14、征是任務優(yōu)先級與任務狀態(tài)。 iRMXiRMX進行中斷處理的過程如圖進行中斷處理的過程如圖5-55-5所示：所示：第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)預備知識預備知識實時多任務操作系統(tǒng)實時多任務操作系統(tǒng)(iRMX)圖 5-5 中斷處理過程第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)預備知識預備知識 WindowsWindows是當今流行的多任務操作系統(tǒng)，其多任務處理可是當今流行的多任務操作系統(tǒng)，其多任務

15、處理可分為兩類：協(xié)同式多任務和搶先式多任務處理模式。分為兩類：協(xié)同式多任務和搶先式多任務處理模式。 WindowsWindows中調度的任務有兩種狀態(tài)：運行狀態(tài)和等待狀態(tài)。中調度的任務有兩種狀態(tài)：運行狀態(tài)和等待狀態(tài)。 WindowsWindows根據(jù)任務數(shù)據(jù)庫根據(jù)任務數(shù)據(jù)庫(TDB)(TDB)鏈表中存放的各個任務的鏈表中存放的各個任務的數(shù)據(jù)信息來完成任務調度。數(shù)據(jù)信息來完成任務調度。 iRMXiRMX將所要完成的任務重新劃分為兩類：前臺任務與后將所要完成的任務重新劃分為兩類：前臺任務與后臺任務。前臺任務是必須及時完成的任務，而后臺任務臺任務。前臺任務是必須及時完成的任務，而后臺任務可以暫緩執(zhí)行

16、?？梢詴壕張?zhí)行。實時多任務操作系統(tǒng)實時多任務操作系統(tǒng)(iRMX)第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)伺服運動控制對控制系統(tǒng)的要求伺服運動控制對控制系統(tǒng)的要求 伺服運動控制是對機械運動部件的位置、速度等進伺服運動控制是對機械運動部件的位置、速度等進行實時的控制管理，使其按照預期的運動軌跡和規(guī)定的行實時的控制管理，使其按照預期的運動軌跡和規(guī)定的運動在數(shù)進行運動。伺服運動控制對控制系統(tǒng)的要求可運動在數(shù)進行運動。伺服運動控制對控制系統(tǒng)的要求可以分成如下幾種形式：以分成如下幾種形式：（1 1）點位運動控制）點位運動控制（2 2）連續(xù)軌跡（輪廓控制）

17、運動控制）連續(xù)軌跡（輪廓控制）運動控制（3 3）同步運動控制）同步運動控制預備知識預備知識PC機與伺服運動控制器的信息交換機與伺服運動控制器的信息交換第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)PC機通常通過計算機內(nèi)部（并行）總線，即母板總線機通常通過計算機內(nèi)部（并行）總線，即母板總線與外部交換信息，并行總線安裝在主機箱內(nèi)，總線板上有與外部交換信息，并行總線安裝在主機箱內(nèi)，總線板上有若干插線槽，插有若干插線槽，插有CPU主板、顯示卡、儲存器和主板、顯示卡、儲存器和I/O電路的電路的印制板等，伺服運動控制器就插在此母板的擴展槽中?？傆≈瓢宓龋欧\

18、動控制器就插在此母板的擴展槽中。總線一般為線一般為ISA總線和總線和PCI總線?？偩€。ISA（industry standard architecture）總線總線 第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng) 又稱又稱AT總線，它具有總線，它具有16位數(shù)據(jù)寬度，最高工作頻率為位數(shù)據(jù)寬度，最高工作頻率為8MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率達到，數(shù)據(jù)傳輸速率達到16MB/s，地址線，地址線24條，可尋訪條，可尋訪16M字節(jié)地址單元。字節(jié)地址單元。 ISA總線信號分為總線信號分為總線基本信號總線基本信號、總線訪問信號總線訪問信號及及總線控總線控制信號制信號。總線訪

19、問信號主要用來提供對總線目標模塊訪問。總線訪問信號主要用來提供對總線目標模塊訪問的地址、數(shù)據(jù)、訪問應答控制信號。的地址、數(shù)據(jù)、訪問應答控制信號。PC機與伺服運動控制器的信息交換機與伺服運動控制器的信息交換PCI總線總線第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)PC機與伺服運動控制器的信息交換機與伺服運動控制器的信息交換從從19921992年創(chuàng)立規(guī)范到如今，年創(chuàng)立規(guī)范到如今，PCIPCI總線已成為了計算機總線已成為了計算機的一種標準總線。的一種標準總線。PCIPCI總線取代了早先的總線取代了早先的ISAISA總線?？偩€。 PCI PCI能能從從1

20、9921992用到現(xiàn)在，說明他有許多優(yōu)點，比如即插即用、中用到現(xiàn)在，說明他有許多優(yōu)點，比如即插即用、中斷共享等。從數(shù)據(jù)寬度上看，斷共享等。從數(shù)據(jù)寬度上看，PCIPCI總線有總線有32bit32bit、64bit64bit之之分；從總線速度上分，有分；從總線速度上分，有33MHz33MHz、66MHz66MHz兩種。改良的兩種。改良的PCIPCI系統(tǒng)，系統(tǒng)，PCI-XPCI-X，最高可以達到，最高可以達到64bit 133MHz64bit 133MHz，這樣就可，這樣就可以得到超過以得到超過1GB/s1GB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。的數(shù)據(jù)傳輸速率。PCI總線總線(1) 高速的實現(xiàn)高速的實現(xiàn) PCI總線

21、的地址總線與數(shù)據(jù)總總線的地址總線與數(shù)據(jù)總線是分時復用的線是分時復用的 優(yōu)點：節(jié)省接插件的管腳數(shù)；優(yōu)點：節(jié)省接插件的管腳數(shù)；便于實現(xiàn)突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。便于實現(xiàn)突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。 (2) 即插即用的實現(xiàn)即插即用的實現(xiàn)第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)PC機與伺服運動控制器的信息交換機與伺服運動控制器的信息交換(3) 中斷共享的實現(xiàn)中斷共享的實現(xiàn) PCI總線的中斷共享由硬件與軟件兩部分組成?？偩€的中斷共享由硬件與軟件兩部分組成。 硬件上，采用電平觸發(fā)的辦法硬件上，采用電平觸發(fā)的辦法 軟件上，采用中斷鏈的方法軟件上，采用中斷鏈的方法(4) 可靠性的實現(xiàn)

22、可靠性的實現(xiàn)增加了奇偶校驗錯增加了奇偶校驗錯(PERR)、系統(tǒng)錯、系統(tǒng)錯(SERR)、從設備結束、從設備結束(STOP)等控制信號及超時處理等可靠性措施等控制信號及超時處理等可靠性措施第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)PC機與伺服運動控制器的信息交換機與伺服運動控制器的信息交換PCIPCI總線總線雙口雙口RAM第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)PC機與伺服運動控制器的信息交換機與伺服運動控制器的信息交換雙口雙口RAM RAM 是在一個是在一個SRAM SRAM 存儲器上具有兩套完

23、全獨立存儲器上具有兩套完全獨立的數(shù)據(jù)線、地址線和讀寫控制線，并允許兩個獨立的系的數(shù)據(jù)線、地址線和讀寫控制線，并允許兩個獨立的系統(tǒng)同時對該存儲器進行隨機性的訪問。統(tǒng)同時對該存儲器進行隨機性的訪問。雙口雙口RAMRAM最大的特點是存儲數(shù)據(jù)共享。一個存儲最大的特點是存儲數(shù)據(jù)共享。一個存儲器配備兩套獨立的地址、數(shù)據(jù)和控制線，允許兩個獨立器配備兩套獨立的地址、數(shù)據(jù)和控制線，允許兩個獨立的的CPUCPU或控制器同時異步地訪問存儲單元。因為數(shù)據(jù)共享，或控制器同時異步地訪問存儲單元。因為數(shù)據(jù)共享，就必須存在訪問仲裁控制。內(nèi)部仲裁邏輯控制提供以下就必須存在訪問仲裁控制。內(nèi)部仲裁邏輯控制提供以下功能：對同一地址單

24、元訪問的時序控制；存儲單元數(shù)據(jù)功能：對同一地址單元訪問的時序控制；存儲單元數(shù)據(jù)塊的訪問權限分配；信令交換邏輯（例如中斷信號）等。塊的訪問權限分配；信令交換邏輯（例如中斷信號）等。 要實現(xiàn)要實現(xiàn)PC機和伺服運動控制器之間的數(shù)據(jù)傳送，必須機和伺服運動控制器之間的數(shù)據(jù)傳送，必須在在PC機和機和DSP之間建立起雙向的數(shù)據(jù)交換通道。之間建立起雙向的數(shù)據(jù)交換通道。 透過透過ISA總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換有以下兩種方法：靜態(tài)數(shù)總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換有以下兩種方法：靜態(tài)數(shù)據(jù)傳送和共用伺服運動控制器上的外部數(shù)據(jù)存儲器。據(jù)傳送和共用伺服運動控制器上的外部數(shù)據(jù)存儲器。 雙口雙口RAM是一種性能優(yōu)良的快速通信器件，適用于多是一種性

25、能優(yōu)良的快速通信器件，適用于多CPU分布式系統(tǒng)及高速數(shù)字的場合。分布式系統(tǒng)及高速數(shù)字的場合。雙口雙口RAM第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)PC機與伺服運動控制器的信息交換機與伺服運動控制器的信息交換伺服運動控制系統(tǒng)的采樣周期伺服運動控制系統(tǒng)的采樣周期第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng) 采樣周期對運動控制器的影響采樣周期對運動控制器的影響 ： 采樣周期采樣周期T T的選擇是實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)的一個關鍵的選擇是實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)的一個關鍵問題，采樣周期選擇不合適，會導致系統(tǒng)動態(tài)品質

26、惡化，問題，采樣周期選擇不合適，會導致系統(tǒng)動態(tài)品質惡化，甚至導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，前功盡棄。但是采樣周期的選擇至甚至導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，前功盡棄。但是采樣周期的選擇至今沒有一個統(tǒng)一公式，至于香農(nóng)采樣定理只給出了理論指今沒有一個統(tǒng)一公式，至于香農(nóng)采樣定理只給出了理論指導原則，實際應用還有些問題，主要是系統(tǒng)的數(shù)學模型不導原則，實際應用還有些問題，主要是系統(tǒng)的數(shù)學模型不好精確地測量，系統(tǒng)的最高頻率不好確定好精確地測量，系統(tǒng)的最高頻率不好確定計算機控制系統(tǒng)中，把一個連續(xù)模擬信號，經(jīng)采樣開計算機控制系統(tǒng)中，把一個連續(xù)模擬信號，經(jīng)采樣開關后，變成了采樣信號，即離散模擬信號，采樣信號再經(jīng)關后，變成了采樣信號，即離散模

27、擬信號，采樣信號再經(jīng)過量化過程才變成數(shù)字信號。如圖過量化過程才變成數(shù)字信號。如圖5-135-13所示。所示。采樣過程及采樣函數(shù)的數(shù)學表示采樣過程及采樣函數(shù)的數(shù)學表示圖圖5-135-13第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)的采樣周期運動控制系統(tǒng)的采樣周期 有離散數(shù)值序列：有離散數(shù)值序列： 式中式中T T為采樣周期，為采樣周期，0T,T,2T0T,T,2T為采樣時刻，為采樣時刻，f(KT)f(KT)表示采樣表示采樣K K時刻的數(shù)值，由于實際系統(tǒng)，時刻的數(shù)值，由于實際系統(tǒng)，t t0 0時，時，f(t)=0f(t)=0，所以從，所以從

28、t=0t=0開始采樣時合理的。開始采樣時合理的。以后要用的以后要用的Z Z變換與脈沖傳遞函數(shù)在數(shù)學上只能處理脈沖序變換與脈沖傳遞函數(shù)在數(shù)學上只能處理脈沖序列，因此引入了脈沖采樣器的概念。列，因此引入了脈沖采樣器的概念。*( ) (0 ), ( ), (2 )() f tfT f T fTf KT采樣函數(shù)的數(shù)學表示采樣函數(shù)的數(shù)學表示運動控制系統(tǒng)的采樣周期運動控制系統(tǒng)的采樣周期第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng) 采樣函數(shù)表達式為：采樣函數(shù)表達式為： (5-1) 理想單位脈沖：理想單位脈沖： (5-2) 當沖量為當沖量為1時，有：時，有： (

29、5-3) 當當t kT時，時， ，因此，因此f(t)在在t kT時的取值大小時的取值大小沒有意義了，所以式?jīng)]有意義了，所以式(5-1)可以改寫為獲得理想脈沖采樣函可以改寫為獲得理想脈沖采樣函數(shù)的表達式：數(shù)的表達式： (5-4)*0( )( )()kftf ttkT,()0,tkTtkTtkT0()1tkT dt()0tkT*0( )()()kftfk Ttk T采樣函數(shù)的數(shù)學表示采樣函數(shù)的數(shù)學表示運動控制系統(tǒng)的采樣周期運動控制系統(tǒng)的采樣周期第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)（1 1）控制系統(tǒng)的動態(tài)品質指標）控制系統(tǒng)的動態(tài)品質指標（2 2

30、）被控對象的動態(tài)特性）被控對象的動態(tài)特性（3 3）擾動信號的頻譜）擾動信號的頻譜（4 4）控制算法與計算機性能）控制算法與計算機性能 對于伺服運動系統(tǒng)，要求響應快，抗干擾能力對于伺服運動系統(tǒng)，要求響應快，抗干擾能力強，采樣周期可以根據(jù)動態(tài)品質指標來選擇。強，采樣周期可以根據(jù)動態(tài)品質指標來選擇。第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)伺服運動控制系統(tǒng)的采樣周期伺服運動控制系統(tǒng)的采樣周期采樣周期對運動控制器的影響采樣周期對運動控制器的影響采樣周期的選擇與很多因素有關，包括：采樣周期的選擇與很多因素有關，包括：基于基于PC與基于與基于PLC運動控制

31、器的比較運動控制器的比較第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng) 在伺服運動控制中，基于在伺服運動控制中，基于PC與基于與基于PLC的伺服運動控的伺服運動控制器經(jīng)常被人們選用。制器經(jīng)常被人們選用。 一般認為，基于一般認為，基于PC與基于與基于PLC的伺服運動控制器因其的伺服運動控制器因其性能、重點不同而應用于不同的場合，性能、重點不同而應用于不同的場合，PC機的實時性明顯機的實時性明顯優(yōu)于優(yōu)于PLC，有些場合僅能使用基于，有些場合僅能使用基于PC的伺服運動控制器。的伺服運動控制器。工控機與工控機與PLC性能比較一覽如表性能比較一覽如表5-3所

32、示。所示。工控機工控機IPCPLC操作性對于硬件的編程復雜，可借助軟件擴充采用面向用戶的指令，編程方便，以梯形圖為主，程序通用可靠性故障率低，可維修性好，抗干擾性不如PLCCPU是工業(yè)級專用處理器，抗干擾性特別高。軟件可靠性好移植性受自身限制，可移植性較差適合多種工業(yè)現(xiàn)場，有較好的移植性工作方式多為中斷處理串行通道順序控制，循環(huán)掃描實時性由于PC機的采用，實時性明顯優(yōu)于PLCPLC實時性不是很高，要受每步掃描時間的限制表表5-3 5-3 工控機與工控機與PLCPLC性能比較一覽表性能比較一覽表基于基于PC和基于和基于PLC運動控制器的比較運動控制器的比較第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交

33、流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)工控機工控機IPCPLC復雜控制IPC可用于運動過程、運動軌跡都比較復雜，且柔性比較強的機器對于諸如伺服電機告訴高精度多軸聯(lián)動，高速插補等復雜動作不太容易實現(xiàn)適用范圍在中規(guī)模小范圍自動化工程中有很好的性價比適合低成本自動化項目和作為大型DCS系統(tǒng)的I/O站接線接線較為復雜，而且容易出錯，在工業(yè)現(xiàn)場中較為不方便接線較為簡單，配置I/O模塊非常清晰擴展性輸入輸出功能強，能在與運動卡相接時，也與各種其他外設、板卡等相連要增加一個功能只要增加相應的模塊和修正對應的程序，比較方便基于基于PC和基于和基于PLC運動控制器的比較運動控制器的比較第第5章章

34、基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)工控機與工控機與PLC性能比較一覽表性能比較一覽表續(xù)前表基于基于PC的伺服運動控制系統(tǒng)設計的伺服運動控制系統(tǒng)設計第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)按物理結構可以劃分為上位控制裝置、運動控制系統(tǒng)按物理結構可以劃分為上位控制裝置、交流伺服電機及其驅動器、機械傳動機構交流伺服電機及其驅動器、機械傳動機構3部分。部分。位 置 指 令位 置 指 令PC機參數(shù)機參數(shù)設 置 狀 態(tài)設 置 狀 態(tài)查詢查詢PIDD/A伺 服伺 服驅 動驅 動放 大放 大器器交流交

35、流伺服伺服電機電機機械機械傳動傳動機構機構位位置置輸輸出出編碼器編碼器碼盤接口碼盤接口1、上位計算機的選擇、上位計算機的選擇2、運動控制器板卡的設計分析、運動控制器板卡的設計分析 常見的常見的DSP算法可歸結為以下幾類：算法可歸結為以下幾類： 信號濾波信號濾波 信號變換（時域到頻域的變換）信號變換（時域到頻域的變換） 卷積（信號混合）卷積（信號混合） 相關（信號比較）相關（信號比較）3、驅動器、反饋元件的設計分析、驅動器、反饋元件的設計分析4、伺服電機的設計分析、伺服電機的設計分析第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)基于基于PC的伺服運動

36、控制系統(tǒng)設計的伺服運動控制系統(tǒng)設計基于基于PCPC的伺服運動控制系統(tǒng)舉例的伺服運動控制系統(tǒng)舉例分為主要分為主要4 4類：類：1.DSP1.DSP模塊模塊2.FPGA2.FPGA模塊模塊3.D/A3.D/A轉換模塊轉換模塊4.4.其他模塊其他模塊基于基于PC ISA的運動控制卡的運動控制卡第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)基于基于PC的伺服運動控制系統(tǒng)舉例的伺服運動控制系統(tǒng)舉例圖圖5-20 運動控制卡功能圖運動控制卡功能圖(書書p147)第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)基于基于P

37、C的伺服運動控制系統(tǒng)舉例的伺服運動控制系統(tǒng)舉例基于基于PC ISA的運動控制卡的運動控制卡1.DSP1.DSP模塊模塊 TMS320L F2407ATMS320L F2407A是是TITI公司的公司的1616位定點位定點DSPDSP，其主要特點是，其主要特點是：采用靜態(tài)：采用靜態(tài)CMOSCMOS技術，供電電壓為技術，供電電壓為3.3V3.3V，最高，最高40MIPS40MIPS的指的指令執(zhí)行速度。令執(zhí)行速度。 結構：多總線、多處理單元、流水線、硬件乘法器。具有結構：多總線、多處理單元、流水線、硬件乘法器。具有高速數(shù)據(jù)處理和邏輯控制能力，能夠較好地完成較為復雜高速數(shù)據(jù)處理和邏輯控制能力，能夠較好

38、地完成較為復雜的控制算法。的控制算法。 其主要任務是完成位置控制和速度控制的其主要任務是完成位置控制和速度控制的PIDPID調節(jié)。位置調節(jié)。位置控制分為控制分為S S曲線和曲線和T T曲線模式。曲線模式。 DSPDSP通過其通過其I/OI/O地址空間對地址空間對FPGAFPGA內(nèi)部的各模塊進行統(tǒng)一編址內(nèi)部的各模塊進行統(tǒng)一編址，要訪問某一模塊，只要對應相應的，要訪問某一模塊，只要對應相應的I/OI/O地址進行讀操作地址進行讀操作或寫操作即可?；驅懖僮骷纯?。第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)基于基于PC的伺服運動控制系統(tǒng)舉例的伺服運動控制系

39、統(tǒng)舉例基于基于PC ISA的運動控制卡的運動控制卡2.FPGA2.FPGA模塊模塊基于基于PC的伺服運動控制系統(tǒng)舉例的伺服運動控制系統(tǒng)舉例基于基于PC ISA的運動控制卡的運動控制卡第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)FPGA（FieldProgrammable Gate Array），），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，）領域中的一種

40、半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。電路數(shù)有限的缺點。FPGA采用了邏輯單元陣列采用了邏輯單元陣列LCA概念，內(nèi)部包括可概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊配置邏輯模塊CLB、輸出輸入模塊、輸出輸入模塊IOB和內(nèi)部連線三個和內(nèi)部連線三個部分。部分。 主要完成主要完成4 4個模塊的功能：主機接口模塊，碼盤接口模塊，個模塊的功能：主機接口模塊，碼盤接口模塊，D/AD/A接口模塊，接口模塊，I/OI/O接口模塊接口模塊(1)(1)主機接口模塊主機接口模塊 主機接口模塊的主要任務是完成主機接口模塊的主要任務是完成

41、PCPC機和機和DSPDSP之間的數(shù)據(jù)交換。之間的數(shù)據(jù)交換。(2)(2)碼盤接口模塊碼盤接口模塊 每路碼盤的每路碼盤的A A、B B、Z Z三相信號進入碼盤接口模塊。三相信號進入碼盤接口模塊。(3)D/A(3)D/A接口模塊接口模塊 把來自把來自DSPDSP的的1616位并行數(shù)據(jù)轉換成相應的位并行數(shù)據(jù)轉換成相應的1616位位 根據(jù)譯碼電路產(chǎn)生根據(jù)譯碼電路產(chǎn)生4 4路路DACDAC中某一路的片選信號中某一路的片選信號(4) I/O(4) I/O接口模塊接口模塊 主要功能是對主要功能是對I/OI/O輸入輸出進行統(tǒng)一管輸入輸出進行統(tǒng)一管基于基于PC的伺服運動控制系統(tǒng)舉例的伺服運動控制系統(tǒng)舉例基于基于

42、PC ISA的運動控制卡的運動控制卡第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)3.D/A3.D/A轉換模塊轉換模塊 由由2 2片片AD1866AD1866和和1 1片片OP497OP497構成構成D/AD/A轉換模塊，提供轉換模塊，提供4 4路模擬路模擬電壓輸出，電壓輸出范圍均為電壓輸出，電壓輸出范圍均為10V10V。4.4.其他模塊其他模塊 如：差分整形模塊，光電隔離模塊如：差分整形模塊，光電隔離模塊基于基于PC的伺服運動控制系統(tǒng)舉例的伺服運動控制系統(tǒng)舉例基于基于PC ISA的運動控制卡的運動控制卡第第5章章 基于基于PC運動控制板卡的交流伺

43、服運動控制系統(tǒng)運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)基于基于PC PCI的運動控制卡的運動控制卡1. PCI1. PCI局部總線接口設計局部總線接口設計 第一步：將第一步：將PCIPCI總線信號轉變?yōu)槟繕嗽O備總線信號轉變?yōu)槟繕嗽O備( (運動控制卡運動控制卡) )所需要或可以接受的接口信號所需要或可以接受的接口信號 PCIPCI的工作：的工作：FRAME#FRAME#開始開始宣布宣布DEVSEL#DEVSEL#信號信號接接觸觸IRDY#IRDY#、TRDY#TRDY#后后傳送數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)解除解除FRAME#FRAME#作業(yè)完成。作業(yè)完成。 STOP#STOP#信號可引發(fā)作業(yè)提前中斷。信號可引發(fā)作業(yè)提前中斷。 在在PCIPCI總線中，通過使用總線中，通過使用I/OI/O端口完成雙口存儲器的數(shù)端口完成雙口存儲器的數(shù)據(jù)