运动控制作业

3．2 运动控制卡
运动控制卡是根据运动控制的要求和传感器的信号，进行必要的逻辑、数字运算，为电动机或其他动力和执行装置提供正确的控制信号，以实现预定运动轨迹的装置。

运动控制卡在运动控制系统中处于核心地位，它的性能好坏对整个控制系统有决定性作用。

随着开放式数控系统的应用越来越广，各具特色的运动控制卡也越来越多。

目前常用运动控制卡有美国Delta Tau公司的PMAC，英国翠欧运动技术公司的Trio运动控制卡，美国Gailio运动控制卡及中国固高公司的运动控制卡等。

下面分别对这些控制卡进行介绍。

运动控制卡是一种基于PC机及工业PC机、用于各种运动控制场合（包括位移、速度、加速度等）的上位控制单元。

运动控制卡是基于PC总线，利用高性能微处理器（如DSP）及大规模可编程器件实现多个伺服电机的多轴协调控制的一种高性能的步进/伺服电机运动控制卡，包括脉冲输出、脉冲计数、数字输入、数字输出、D/A输出等功能，它可以发出连续的、高频率的脉冲串，通过改变发出脉冲的频率来控制电机的速度，改变发出脉冲的数量来控制电机的位置，它的脉冲输出模式包括脉冲/方向、脉冲/脉冲方式。

脉冲计数可用于编码器的位置反馈，提供机器准确的位置，纠正传动过程中产生的误差。

数字输入/输出点可用于限位、原点开关等。

库函数包括S型、T型加速，直线插补和圆弧插补，多轴联动函数等。

产品广泛应用于工业自动化控制领域中需要精确定位、定长的位置控制系统和基于PC的NC控制系统。

具体就是将实现运动控制的底层软件和硬件集成在一起，使其具有伺服电机控制所需的各种速度、位置控制功能,这些功能能通过计算机方便地调用。

现国内外运动控制卡公司有美国的GALIL、PAMAC，英国的翠欧，台湾的台达、凌华、研华，国内的雷赛、固高、乐创、众为兴等。

运动控制卡的出现主要是因为：
（1）为了满足新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求；
（2）在各种工业设备（如包装机械、印刷机械等）、国防装备（如跟踪定位系统等）、智能医疗装置等设备的自动化控制系统研制和改造中，急需一个运动控制模块的硬件平台；
（3）PC机在各种工业现场的广泛应用，也促使配备相应的控制卡以充分发挥PC 机的强大功能。

运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速DSP作为运动控制核心，大多用于控制步进电机或伺服电机。

一般地，运动控制卡与PC机构成主从式控制结构：PC 机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作（例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等）；控制卡完成运动控制的所有细节（包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等）。

运动控制卡都配有开放的函数库供用户在DOS或Windows系统平台下自行开发、构造所需的控制系统。

因而这种结构开放的运动控制卡能够广泛地应用于制造业中设备自动化的各个领域。

2应用
插补定义
机床数控系统依照一定方法确定刀具运动轨迹的过程。

也可以说，已知曲线上的某些数据，按照某种算法计算已知点之间的中间点的方法，也称为“数据点的密化”。

数控装置根据输入的零件程序的信息，将程序段所描述的曲线的起点、终点之间的空间进行数据密化，从而形成要求的轮廓轨迹，这种“数据密化”机能就称为“插补”。

插补计算就是数控装置根据输入的基本数据，通过计算，把工件轮廓的形状描述出来，边计算边根据计算结果向各坐标发出进给脉冲，对应每个脉冲，机床在响应的坐标方向上移动一个脉冲当量的距离，从而将工件加工出所需要轮廓的形状。

直线插补
直线插补（Llne Interpolation）这是车床上常用的一种插补方式，在此方式中，两点间的插补沿着直线的点群来逼近，沿此直线控制刀具的运动。

一个零件的轮廓往往是多种多样的,有直线,有圆弧,也有可能是任意曲线,样条线等. 数控机床的刀具往往是不能以曲线的实际轮廓去走刀的,而是近似地以若干条很小的直线去走刀,走刀的方向一般是x和y方向. 插补方式有:直线插补,圆弧插补,抛物线插补,样条线插补等所谓直线插补就是只能用于实际轮廓是直线的插补方式(如果不是直线,也可以用逼近的方式把曲线用一段段线段去逼近,从而每一段线段就可以用直线插补了).首先假设在实际轮廓起始点处沿x方向走一小段(一个脉冲当量),发现终点在实际轮廓的下方,则下一条线段沿y方向走一小段,此时如果线段终点还在实际轮廓下方,则继续沿y方向走一小段,直到在实际轮廓上方以后,再向x方向走一小段,依次循环类推.直到到达轮廓终点为止.这样,实际轮廓就由一段段的折线拼接而成,虽然是折线,但是如果我们每一段走刀线段都非常小(在精度允许范围内),那么此段折线和实际轮廓还是可以近似地看成相同的曲线的--------这就是直线插补.
圆弧插补
圆弧插补（Circula : Interpolation）这是一种插补方式，在此方式中，根据两端点间的插补数字信息，计算出逼近实际圆弧的点群，控制刀具沿这些点运动，加工出圆弧曲线。

复杂曲线实时插补算法
传统的CNC 只提供直线和圆弧插补，对于非直线和圆弧曲线则采用直线和圆弧分段拟合的方法进行插补。

这种方法在处理复杂曲线时会导致数据量大、精度差、进给速度不均、编程复杂等一系列问题，必然对加工质量和加工成本造成较大的影响。

许多人开始寻求一种能够对复杂的自由型曲线曲面进行直接插补的方法。

国内外的学者对此进行了大量的深入研究，由此也产生了很多新的插补方法。

如A(AKIMA)样条曲线插补、C(CUBIC)样条曲线插补、贝齐尔(Bezier)曲线插补、PH(Pythagorean-Hodograph)曲线插补、B 样条曲线插补等。

由于B 样条类曲线的诸多优点，尤其是在表示和设计自由型曲线曲面形状时显示出的强大功能，使得人们关于自由空间曲线曲面的直接插补算法的研究多集中在它身上。

3．2．1 PMAC运动控制卡
1.PMAC简介
PMAC（programmable multi－axes controller）是美国Delta Tau
公司九十年代推出的开放式多轴运动控制器，它提供运动控制、离散控制、内务处理、同主机的交互等数控的基本功能。

PMAC内部使用了一片Motorola DSP 56003数字信号处理芯片，它的速度、分辨率、带宽等指标远优于一般的控制器。

伺服控制包括PID加Notch和速度、加速度前馈控制，其伺服周期单轴可60μs，二轴联动为110μs。

产品的种类可从二轴联动到三十二轴联动。

甚至连接MACRO 现场总线的高速环网，直接进行生产线的联动控制。

与同类产品相比，PMAC的特性给系统集成者和最终用户提供了更大的柔性。

它允许同一控制软件在三种不同总线（PC－XT和AT，VME，STD）上运行，由此提供了多平台的支持特性。

并且每轴可以分别配置成不同的伺服类型和多种反馈类型。

PMAC全称可编程多轴控制器（Programmable Multi-Axis Controller），是美国Delta Tau Data Systems 公司于1990年推出的基于PC机平台的开放式运动控制器。

它集运动控制和PLC控制于一体，具有优秀的插补计算、伺服和I/O 接口等实时控制能力，最多可控制32轴（Turbo PMAC）。

板上的MACRO接口允许将诸多的PMAC卡联成环形网进行控制。

它支持多种总线规范（ISA、PCI、VME和STD），同一控制软件可以不同的总线上运行，从而提供了多平台支持特性。

PMAC还支持多种电机（如直流伺服电机、交流同步电机、交流异步电机、步进电机，直线电机等）和检测反馈元件（增量编码器、绝对编码器、旋转变压器、线性磁传感器等）。

PMAC以Motorola 56000系列DSP为CPU，板上的存储器用于存放系统控制软件和用户程序、I/O接口和伺服接口用于连接外部输入/输出信号和伺服电机,板上的显示接口允许连接一个2×40的字符液晶显示器。

此卡本身就是一个NC系统可以单独使用，也可以插入PC机中，构成开放式控制系统，其硬件结构如下图所示，下表为PMAC开放式运动控制器的主要技术性能指标。