Turbo PMAC面向复杂运动数控系统的开放特性研究

目前,比较现实的实现开放式数控系统的途径是“PC +多轴控制器”,在这种结构中, PC机处理非实时部分,实时控制部分由多轴控制器来承担,形成多级分布式控制模式。这样架构出来的数控系统既具有前端PC机的柔性,又具有专用CNC系统的稳定性和可靠性。在国内市场上, 性能价格比较高的当属基于PMAC ( Programable Multi2axes Controller)多轴运动控制器的开放式控制系统。由于PMAC多轴运动控制器优异的轨迹跟踪能力和精度,在很多高性能的数控系统和研究项目中选用它构建开放式控制系统。

Turbo PMAC多轴运动控制器是PAMC系列的升级版本,保持了PMAC的优良性能,其特有的开放的运动学计算特性,更适合于构建面向复杂运动的开放式数控系统,如并联机床和机器人数控系统。

2 Turbo PMAC的性能和开放特性

Turbo PMAC是美国Delta Tau公司在PMAC的基础上推出的基于工业PC和W indows操作系统的开放式多轴运动控制器,采用了更高速度的DSP56300 系列数字信号处理器,提供全新的高性能技术和Win2dows平台, 满足用户在运动控制各个领域的需要。Turbo PMAC可同时控制1～32个轴,实现多轴联动控制。Turbo PMAC既可单独执行存储于控制器内部的程序,也可执行运动程序和PLC程序。它可以自动对任务优先级进行判别,从而进行实时多任务处理。在硬件结构上,只需通过适当的参数设置和使用不同的接口卡, Turbo PMAC便能与各种伺服系统匹配,可以方便地连接各种模拟或数字伺服驱动器。Turbo PMAC与PC机的通讯有三种方式:串行、总线和双端口RAM方式,可以按照实际硬件条件和需要选择最适合的方式。Turbo PMAC可以在PC XT/AT、VME、STD 总线上运行,由此提供了多平台的支持特性,同时也使同一控制软件可以在不同的硬件平台上运行,这种特性体现了Turbo PMAC 在硬件结构上的开放性。

在软件结构上, Turbo PMAC提供了Windows平台下的驱动程序,支持VC + +、VB、Delphi、C + +Builder等编程语言环境,实现W indows环境下的人机界面设计。此外, Turbo PMAC也支持DOS环境下控制程序的开发,由此可对Turbo PMAC进行高实时性控制,为开发高性能的嵌入式数控系统提供了条件。TurboPMAC对多种程序设计语言和多种操作系统平台的支持,体现了Turbo PMAC对开发环境的开放性。Turbo PMAC提供了强大的运动控制功能,如直线插补、圆弧插补、样条曲线插补等模式,用户也可以通过这些基本模式定制出自己合适的运动模式。TurboPMAC支持数控G代码和M代码指令控制,支持刀具补偿功能,可方便地开发机床数控系统。Turbo PMAC采用了带陷波滤波器的P ID算法进行电动机的伺服控制,能有效地克服电动机运行中的机械振动,该伺服环引入了速度和加速度前馈,进一步提高了伺服控制中的轨迹跟踪精度和加速性能。Turbo PMAC内含了逻辑功能强大的可编程控制器(PLC) ,可以和运动控制程序密切配合实现外部设备的开关量( I/O)控制。

同PMAC系列多轴运动控制器相比, Turbo PMAC除运算速度和内存增加外,还增加了新控制特性,主要有:先进的加速超前预测,内建的正向运动学和逆向运动学计算能力,三维刀具半径补偿功能,在线改变运动目标,多端口连续通讯,为每个电动机制定正弦转换表,可单独选择电动机的P ID伺服控制算法或使用外部定义的算法,大大增加了同步M变量缓冲区,为每个坐标系设置两个伺服速率定时器,运动轨迹反求能力。其中,正向/逆向运动学计算功能和伺服控制算法定义功能,体现了Turbo PMAC运动平台在面向用户的开放性方面向前跨了一大步,使用户能灵活地在该平台上配置自己的运动算法,快速开发复杂数控系统的应用产品。

3 Turbo PMAC开放的运动学计算特性

对于面向复杂运动的控制系统,如并联机床控制和多轴机器人控制,尽管PMAC仍然可以作为一个优秀的控制平台,但主要是利用了PMAC的伺服控制功能和多轴联动控制功能,而那些高性能的辅助功能很难直接使用,较典型的就是G代码和刀具补偿等功能,这就增加了产品的开发难度。在基于Windows平台上的应用,甚至会造成在线实时控制失败,究其原因,主要是因为PMAC的辅助功能是以笛卡尔坐标为基础,而并联机床和机器人的实际控制轴一般不是笛卡尔几何形状,目标运动轨迹与驱动轴关节坐标系为非线性关系,因此运动轨迹规划之后,还需要上位机完成粗插补、坐标运动转换和虚、实轴变换等运动学运算,形成实际轴的密化控制数据,在非实时操作系统平台下(如W indows)大量密化的数据传输成为实时控制的难点和瓶颈。在并联机床数控系统开发中,由于不能直接使用PMAC提供的辅助功能,需要开发者编制对标准G代码数控程序的解释程序