摘要：一種基于PC機(jī)的開(kāi)放式四軸運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)的軟、硬件組成及設(shè)計(jì)方法。采用CPLD簡(jiǎn)化了平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)，利用PC機(jī)的資源實(shí)現(xiàn)了“軟運(yùn)動(dòng)控制”功能。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)開(kāi)放、使用方便、成本低廉、性能可靠等特點(diǎn)，可以靈活地實(shí)現(xiàn)定制應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：開(kāi)放式系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)控制器 CPLD 作為運(yùn)動(dòng)控制的核心部件，運(yùn)動(dòng)控制器普遍采用16位或32位微控制器，其靈活的系統(tǒng)集成方式和高速的指令執(zhí)行速度提高了運(yùn)動(dòng)控制性能、改善了控制系統(tǒng)的精度、增強(qiáng)了系統(tǒng)構(gòu)成的靈活性。如DeltaTau公司的PMAC系列、MEI公司的XMP系列的產(chǎn)品，均采用了高速數(shù)據(jù)信號(hào)處理器（DSP）和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）技術(shù)，一般可以控制1～8個(gè)軸。這些基于PC機(jī)總線的運(yùn)行控制器，雖然因采用高性能微處理器在信息處理速度方面有較大的提高，并在實(shí)際應(yīng)用中提供了靈活的接口，但在使用以及系統(tǒng)集成的時(shí)候，仍然有很多不便，如價(jià)格比較高、應(yīng)用非常復(fù)雜等。并且在結(jié)構(gòu)上是封閉的，只能針對(duì)某一類型的應(yīng)用，控制策略單一，很難同時(shí)滿足控制系統(tǒng)在多種應(yīng)用場(chǎng)合中的要求，實(shí)際定制應(yīng)用。 過(guò)去，受計(jì)算機(jī)處理能力的限制，高性能的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)需要在板處理器如單片機(jī)或DSP上實(shí)現(xiàn)，一般PC機(jī)中的微處理器很難同時(shí)完成如軌跡插補(bǔ)運(yùn)算和伺服控制運(yùn)算等任務(wù)。目前PC機(jī)微處理器已經(jīng)采用了更先進(jìn)的工藝技術(shù)，信息處理能力明顯提高，可以滿足高速實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制的要求，硬件支持能力大在增強(qiáng)，并且PC機(jī)良好的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境使構(gòu)造開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)成為功可能。本文提出了一種不采用在板處理器而以PC機(jī)微處理器為控制核心的開(kāi)放式四軸運(yùn)動(dòng)控制器，該運(yùn)動(dòng)控制器采用ALTERA公司的復(fù)雜可編程門(mén)陣列（CPLD）EPF6016實(shí)現(xiàn)硬件管理功能，硬件的功能可以通過(guò)軟件配置，而應(yīng)用層的功能如運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)則和伺服控制等均由PC機(jī)完成。 1、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 開(kāi)放式四軸運(yùn)動(dòng)控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，虛線框內(nèi)的部分由ALTERA公司的復(fù)雜可編程門(mén)陣列EPF6016實(shí)現(xiàn)。FLEX6000系列器件EPF6016是ALTERA公司為大容量設(shè)計(jì)提供的一種低成本可編程交織式門(mén)陣列，共有16000個(gè)可用門(mén)，1320個(gè)邏輯單元，117個(gè)I/O引腳，每個(gè)I/O引腳都有獨(dú)立的三態(tài)輸出使能控制。該器件采用OPEFLEX結(jié)構(gòu)，能在最小的芯片尺寸上保持高性能和高布線率。器件的基本組成是邏輯單元（LE）。每個(gè)邏輯單元由一個(gè)4輸入查找表、一個(gè)寄存器以及作為進(jìn)位鏈和級(jí)連鏈功能的專用通道。每十個(gè)邏輯單元組成一個(gè)邏輯陣列塊（LAB）。器件采用SRAM構(gòu)造，可以通過(guò)外部EEPROM或控制器實(shí)現(xiàn)在線配置，能使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)初期以及設(shè)計(jì)測(cè)試過(guò)程中對(duì)設(shè)計(jì)作靈活的修改，同時(shí)也能夠通過(guò)在線重新配置來(lái)改變其內(nèi)部功能。運(yùn)動(dòng)控制器的硬件功能編程由ALTERA公司提供的MAX+PLUSII開(kāi)發(fā)系統(tǒng)支持，設(shè)計(jì)采用了原理圖輸入方式，設(shè)計(jì)和調(diào)試比較直觀、簡(jiǎn)便。 該運(yùn)動(dòng)控制器的硬件結(jié)構(gòu)分為以下幾部分： （1）主機(jī)接口電路：運(yùn)動(dòng)控制器采用了ISA-AT總線接口，同時(shí)設(shè)計(jì)了PC-104接口。數(shù)據(jù)總線寬度為16位，接口功能在EPF6016內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，其中包括總線地址譯碼、數(shù)據(jù)和命令鎖存、中斷及復(fù)位等功能。 （2）光電編碼器接口電路：運(yùn)動(dòng)控制器接收四路光電編碼器差分輸入信號(hào)作為位置反饋，最高輸入頻率為1MHz，輸入的A、B相信號(hào)經(jīng)過(guò)差動(dòng)接收后，在EPF6016內(nèi)部經(jīng)過(guò)數(shù)字濾處理后進(jìn)行倍頻和辨向，產(chǎn)生的方向信號(hào)和脈沖信號(hào)進(jìn)入16位加減計(jì)數(shù)器。系統(tǒng)軟件可以計(jì)數(shù)而獲得實(shí)際的位置變化。 （3）模擬量輸出電路：高性能的運(yùn)動(dòng)控制器應(yīng)采用高分辨率的D/A轉(zhuǎn)換器。為了保證模擬量控制信號(hào)的精度，并考慮到模擬量信號(hào)在線上傳輸引起的漂移和電壓降落，運(yùn)動(dòng)控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器之間的模擬控制接口信號(hào)至少應(yīng)有12位以上的精度。本文中的運(yùn)動(dòng)控制器采用了低成本、小封裝體積的雙16位串行輸入D/A轉(zhuǎn)換器AD1866，構(gòu)成雙極性電壓輸出方式。在EPF6016內(nèi)部設(shè)計(jì)了控制4路并發(fā)式并行/串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及4路D/A地址選擇電路，運(yùn)動(dòng)控制器的模擬量電壓輸出范圍為±10V。 （4）數(shù)字量輸入輸出電路：運(yùn)動(dòng)控制的所有I/O信號(hào)均采用光電隔離處理，考慮到I/O并關(guān)信號(hào)可能產(chǎn)生的信號(hào)抖動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)每一路I/O信號(hào)都進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)字濾波處理以消除噪聲信號(hào)。控制器設(shè)計(jì)了40路I/O信號(hào)，其中包括16路專用輸入信號(hào)、2中特殊開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)（用于坐標(biāo)測(cè)量或定位的接觸式測(cè)頭信號(hào)和急停開(kāi)關(guān)信號(hào)），另外還設(shè)計(jì)了16路可編程通用I/O信號(hào)（8路輸入/8路輸出）。實(shí)際上，所有的I/O信號(hào)除個(gè)別信號(hào)具有獨(dú)特的功能外，都是開(kāi)放的，可以根據(jù)I/O信號(hào)除個(gè)別信號(hào)具有獨(dú)特功能外，都是開(kāi)放的，可以根據(jù)應(yīng)用的特點(diǎn)設(shè)計(jì)具體的功能。 （5）模擬量輸入電路：對(duì)于一些控制場(chǎng)合，需要檢測(cè)或控制外部狀態(tài)量的變化，運(yùn)動(dòng)控制器也設(shè)計(jì)了相應(yīng)的單端或差動(dòng)式模擬量反饋輸入通道。系統(tǒng)采用MAXIM公司的8通道、12位轉(zhuǎn)換精度、150kHz采樣頻率的A/D轉(zhuǎn)換器MAX197。各模擬量通道可以獨(dú)立編程選擇輸入范圍：±10V、±5V、0～10V、0～5V，A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)采用內(nèi)部基準(zhǔn)。 （6）可編程定時(shí)器：由于在開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，插被運(yùn)算和伺服控制都由PC機(jī)完成，這兩個(gè)控制任務(wù)通常不在一個(gè)任務(wù)循環(huán)中處理。一般而言，插補(bǔ)運(yùn)算的周期要比伺服控制的周期長(zhǎng)，因此兩個(gè)任務(wù)需要占用不同的系統(tǒng)資源。由于插補(bǔ)運(yùn)算通常占用PC機(jī)的定時(shí)中斷資源，而伺服控制也是一個(gè)需要精確定時(shí)的任務(wù)，因此在EPF6016內(nèi)部設(shè)計(jì)了可編程16位定時(shí)器。該定時(shí)器可采用不同的時(shí)鐘源，定時(shí)范圍為0～300ms，最小分辨率為70ns，定時(shí)器產(chǎn)生的溢出動(dòng)作可以向PC機(jī)申請(qǐng)中斷。 （7）同步工作電路：在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，各控制軸同步運(yùn)行是一個(gè)很重要的要求，因此在EPF6016內(nèi)部設(shè)計(jì)了同步控制電路的和專門(mén)的控制字，支持多塊運(yùn)動(dòng)控制器控制輸出同步刷新、反饋計(jì)數(shù)值同步讀取等操作。 （8）硬件看門(mén)狗電路：在運(yùn)動(dòng)控制器中采用了DALLAS公司的看門(mén)狗復(fù)位及電壓監(jiān)控芯片DS1232，以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟硬件運(yùn)行情況。當(dāng)系統(tǒng)軟件運(yùn)行死機(jī)的時(shí)候，看門(mén)狗電路產(chǎn)生信號(hào)復(fù)位系統(tǒng)，保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性?？撮T(mén)狗定時(shí)時(shí)間可以編程設(shè)置為300ms、600ms、1.2s。 從硬件結(jié)構(gòu)的組成特點(diǎn)可以看出，系統(tǒng)的組成核心是其有可重新配置特點(diǎn)的CPLD EPF6016，它實(shí)現(xiàn)了幾乎所有外圍電路管理功能，而其它的電路都屬于標(biāo)準(zhǔn)的輔助電路。因此系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上具有典型的開(kāi)放性，這對(duì)實(shí)現(xiàn)軟件的開(kāi)放是一個(gè)很好的支持。 2、運(yùn)動(dòng)控制器軟件設(shè)計(jì) 運(yùn)動(dòng)控制器的軟件采用Borland C++語(yǔ)言編寫(xiě)，可以按照庫(kù)函數(shù)的方式調(diào)用。根據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)硬件資源的結(jié)構(gòu)，函數(shù)庫(kù)分為兩類： （1）控制運(yùn)動(dòng)控制器硬件操作的函數(shù)庫(kù)。包括針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器硬件基本操作的函數(shù)，通過(guò)調(diào)用這些函數(shù)可以充分利用硬件資源，實(shí)現(xiàn)定制的應(yīng)用。運(yùn)動(dòng)控制器上的各個(gè)硬件功能的存取操作是通過(guò)一組讀寫(xiě)控制命令實(shí)現(xiàn)的，每一個(gè)控制命令占用一個(gè)PC機(jī)I/O空間地址，對(duì)每一個(gè)地址分別進(jìn)行讀或?qū)懖僮鲗a(chǎn)生不同的功能。硬件操作函數(shù)庫(kù)按照C++語(yǔ)言類的方式構(gòu)造，每個(gè)命令都是以運(yùn)動(dòng)控制器硬件操作類的公有成員函數(shù)形式存在。這些命令主要實(shí)現(xiàn)以下功能： ①控制光電編碼器脈沖計(jì)數(shù)器，讀取或清除計(jì)數(shù)值； ②設(shè)置運(yùn)動(dòng)控制器的工作方式以及配置系統(tǒng)的各個(gè)硬件資源； ③開(kāi)關(guān)量輸入輸出操作，實(shí)現(xiàn)包括通用I/O和專用I/O的查詢和設(shè)置、控制器硬件資源工作狀態(tài)查詢等功能； ④模擬量控制命令，用于控制D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模擬量輸出和模擬信號(hào)采集等。 （2）定制應(yīng)用算法函數(shù)庫(kù)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，以控制運(yùn)動(dòng)控制器硬件操作的函數(shù)庫(kù)為基礎(chǔ)，可以有針對(duì)性地設(shè)計(jì)應(yīng)用算法函數(shù)。本文以運(yùn)動(dòng)控制為例設(shè)計(jì)了針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的算法函數(shù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、伺服控制等功能。其它控制算法和功能也可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展。運(yùn)動(dòng)控制算法函數(shù)庫(kù)的各命令也采用C++語(yǔ)言類的方式進(jìn)行封裝，控制算法類是運(yùn)動(dòng)控制器硬件操作類的繼承，調(diào)用和修改都十分方便，因而在結(jié)構(gòu)上具有很好的開(kāi)放性。 在伺服運(yùn)動(dòng)控制算法上，控制器將當(dāng)前規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)位置、進(jìn)給速度送入伺服控制器與反饋的實(shí)際位置進(jìn)行比較，得到位置跟蹤誤差，經(jīng)過(guò)位置控制器后，送到D/A轉(zhuǎn)換器，輸出伺服驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)。位置控制算法可根據(jù)實(shí)際的要求采用多種控制策略。 本文的運(yùn)動(dòng)控制器控制算法采用PID+速度前饋方式。通過(guò)調(diào)節(jié)各參數(shù)，這種控制算法能對(duì)大多數(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確而穩(wěn)定的控制。其控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。 伺服控制器輸出計(jì)算公式為： 其中，Un——伺服控制器輸出值； En——第n個(gè)采樣時(shí)刻的位置誤差； Prarger——采樣時(shí)刻n的目標(biāo)位置； Pactual——采樣時(shí)刻n的實(shí)際位置； Vtarget——當(dāng)前期望速度，單位為計(jì)數(shù)值/采樣周期； B——漂移補(bǔ)償。 3、系統(tǒng)應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 從運(yùn)動(dòng)控制器的軟硬件結(jié)構(gòu)可以看出，這種設(shè)計(jì)具有比較好的開(kāi)放性，便于軟硬件方面進(jìn)行功能擴(kuò)展和重新配置，同時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)造也比較靈活。圖3為開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)應(yīng)用于伺服電機(jī)控制的結(jié)構(gòu)圖。它由三部分組成：采用PENTIUM200 CPU IBM PC機(jī)；四軸開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器；交流伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器（采用松下MINAS-A系列100W伺服驅(qū)動(dòng)器；位置伺服控制周期分別為250μs和1ms）。圖4和圖5分別是不同伺服控制周期時(shí)位置控制采用PID控制算法的正弦位置跟蹤曲線，其中，θr表示幅值為2500個(gè)脈沖、頻率為4Hz的正弦給定信號(hào)，θf(wàn)表示實(shí)際位置反饋，E表示位置跟蹤誤差。結(jié)果表明，系統(tǒng)可以方便地實(shí)現(xiàn)控制設(shè)置，具有較強(qiáng)的軟件擴(kuò)展能力。 本文設(shè)計(jì)的開(kāi)放式四軸運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)，由于采用了高容量低成本的CPLD EPF6016，將運(yùn)動(dòng)控制器所需的硬件資源進(jìn)行了整合集成，提高了系統(tǒng)硬件的配置能力和可靠性，并且充分利用PC機(jī)軟件資源方面的優(yōu)勢(shì)，采用C++語(yǔ)言“類”的結(jié)構(gòu)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制算法進(jìn)行封裝，使系統(tǒng)軟件也具有很好的開(kāi)放性和集成性，可以方便地設(shè)計(jì)多種控制算法，實(shí)現(xiàn)“軟運(yùn)動(dòng)控制”功能。這種設(shè)計(jì)不僅降低了成本，而且控制算法對(duì)使用者開(kāi)放，便于根據(jù)實(shí)際對(duì)象采用不同的控制算法定制應(yīng)用。