基于運(yùn)動(dòng)控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)研制

摘要：對(duì)基于運(yùn)動(dòng)控制卡和PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，介紹了硬件原理和基于COM的模塊式軟件結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)GT400—SV運(yùn)動(dòng)控制卡開發(fā)了一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)。實(shí)踐證明這種形式的系統(tǒng)具有很強(qiáng)的性能價(jià)格優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了軟硬件的開放性和數(shù)控模塊的二進(jìn)制復(fù)用。

1 引言 

    90年代以后，數(shù)控技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向是數(shù)控系統(tǒng)的開放化。一方面，以往的數(shù)控系統(tǒng)由于其封閉性無(wú)法將計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的最新成果運(yùn)用于數(shù)控系統(tǒng)中，嚴(yán)重地阻礙了數(shù)控技術(shù)的發(fā)展。另一方面，由于加工的多樣化、專業(yè)化，對(duì)加工“個(gè)性化”的要求越來(lái)越高。如何有效地利用PC機(jī)豐富的軟件資源，強(qiáng)大的運(yùn)算能力，統(tǒng)一的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)專業(yè)化、低價(jià)格、高精度、易擴(kuò)展升級(jí)的開放式數(shù)控系統(tǒng)成為未來(lái)數(shù)控系統(tǒng)研究和發(fā)展的方向。在PC機(jī)的主流操作系統(tǒng)MS Windows下有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制：一種是由一臺(tái)計(jì)算機(jī)和一些I/O模塊組成的單機(jī)模式，這種模式在硬件成本上是較為便宜的，但在軟件的編寫上卻很復(fù)雜，需要對(duì)Windows加以改造（如內(nèi)嵌實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制性能，這是未來(lái)數(shù)控系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向，但現(xiàn)階段Windows的非開放源碼特性使之具有相當(dāng)?shù)碾y度，可行性較差。另一種是并行雙CPU上下位機(jī)通訊模式，相對(duì)而言該種模式具有很大的靈活性和可行性，是一種便于用戶化開發(fā)的全方位的開放式體系結(jié)構(gòu)。本文所討論的將GT400-SV運(yùn)動(dòng)控制卡插入PC機(jī)中所構(gòu)成的數(shù)控系統(tǒng)，開發(fā)周期短、運(yùn)行速度快、控制精度高、價(jià)格低廉，是第二種模式的一個(gè)代表。

2 硬件系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu) 

2.1 固高GT400-SV運(yùn)動(dòng)控制卡的特點(diǎn) 

    固高公司生產(chǎn)的GT400—SV是高性能的伺服運(yùn)動(dòng)控制卡，它可以同步控制四個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。其核心是ADSP2181數(shù)字信號(hào)處理器和FPGA，前者的哈佛結(jié)構(gòu)和MAC單元非常適合完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制算法，后者實(shí)現(xiàn)譯碼、倍頻、脈沖分配、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能。運(yùn)動(dòng)控制卡采用ISA總線與PC相連，數(shù)據(jù)通過(guò)雙端口RAM在上下位機(jī)間傳送。雙端口RAM是一種特殊的隨機(jī)存儲(chǔ)器，它具有兩組數(shù)據(jù)總線和地址總線，在地址不沖突的情況下兩組總線可以在同一時(shí)間并行地訪問不同的存儲(chǔ)器單元，雙端口RAM的這種特殊結(jié)構(gòu)使得上下位機(jī)可以快速地進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)交換，大大提高了主機(jī)與DSP運(yùn)動(dòng)控制卡的并行處理能力，解除了以往主從式系統(tǒng)CPU間通訊的瓶頸。圖1是主從式微處理器通過(guò)雙端口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的示意。



                  圖1 主從機(jī)數(shù)據(jù)交換示意

    GT400-SV運(yùn)動(dòng)控制卡在雙端口RAM的基礎(chǔ)上提供了緩沖區(qū)命令機(jī)制，用戶能夠先將部分運(yùn)動(dòng)控制指令存放在運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)部開辟的循環(huán)隊(duì)列命令緩沖區(qū)內(nèi)，然后發(fā)出執(zhí)行命令。在運(yùn)動(dòng)控制器執(zhí)行緩沖區(qū)內(nèi)存放的運(yùn)動(dòng)指令的同時(shí)，主機(jī)能夠繼續(xù)向緩沖區(qū)內(nèi)下載運(yùn)動(dòng)指令，這樣進(jìn)一步降低了對(duì)主機(jī)通訊的實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)預(yù)處理多段緩沖區(qū)內(nèi)的軌跡信息，能夠獲得良好的運(yùn)動(dòng)特性，使軌跡更連貫光滑。

2.2 試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)（如圖2所示）



                  圖2  實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)規(guī)劃及實(shí)現(xiàn) 

3.1 軟件總體層次 

    該數(shù)控系統(tǒng)能夠正常工作，其系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)端的CNC用戶應(yīng)用程序、上下位機(jī)進(jìn)行通訊的通訊驅(qū)動(dòng)程序。其中通訊程序的開發(fā)工作量最大、最困難、也最具有技巧性，需要對(duì)下位機(jī)的通訊結(jié)構(gòu)及微軟的WDM有充分了解。GT400-SV隨卡提供了win98/2000下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序PHDIO.SYS，同時(shí)提供了面向運(yùn)動(dòng)控制卡的高級(jí)函數(shù)庫(kù)GTSVDLL.DLL，用戶通過(guò)主機(jī)程序調(diào)用相應(yīng)的庫(kù)函數(shù)，將運(yùn)動(dòng)控制器相關(guān)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)軌跡描述傳遞給運(yùn)動(dòng)控制器，也就是發(fā)出運(yùn)動(dòng)控制命令，運(yùn)動(dòng)控制器將根據(jù)主機(jī)的要求，自動(dòng)完成軌跡規(guī)劃、安全檢測(cè)、伺服刷新等復(fù)雜運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬電壓或脈沖控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，用戶無(wú)須編寫通訊程序，并從32位驅(qū)動(dòng)庫(kù)中解脫出來(lái)，將全部精力用于定義和開發(fā)自己的CNC系統(tǒng)應(yīng)用程序。本系統(tǒng)的軟件層次關(guān)系如圖3所示。



                  圖3  軟件總體層次

    本系統(tǒng)的開放性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，控制卡核心對(duì)外開放，系統(tǒng)開發(fā)商可改進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制卡中的運(yùn)動(dòng)控制算法，通過(guò)編程器和下載器下載到控制卡的K2ROM中，以針對(duì)具體的控制對(duì)象優(yōu)化算法，提高系統(tǒng)性能。另一方面，上位機(jī)數(shù)控平臺(tái)對(duì)控制卡、CAD/CAM系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床開放。前者的開放性主要體現(xiàn)在對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡底層性能特性的控制能力，是以控制卡的物理結(jié)構(gòu)（E2ROM）為基礎(chǔ)的。而后者的開放性體現(xiàn)在數(shù)控平臺(tái)對(duì)硬件設(shè)備的兼容性、通用性、可定制性，對(duì)CAD/CAM軟件的銜接能力以及數(shù)控平臺(tái)各功能模塊的可復(fù)用性，這主要通過(guò)合理規(guī)劃軟件功能，選擇先進(jìn)的軟件體系結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

    微軟的COM及DCOM是目前比較成熟并已得到廣泛應(yīng)用的組件接口標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)定義統(tǒng)一的操作規(guī)范，用戶不再直接和軟件模塊的功能函數(shù)接觸，COM規(guī)范作為中介，接口屏蔽了模塊內(nèi)部的特征，從而實(shí)現(xiàn)了模塊在二進(jìn)制級(jí)的交互。具體的講COM是通過(guò)定義的虛函數(shù)表（Vtable）以及雙重指針來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種方法具有優(yōu)異的二進(jìn)制級(jí)軟件可重用性，良好的語(yǔ)言無(wú)關(guān)性，可以實(shí)現(xiàn)組件跨進(jìn)程、跨平臺(tái)甚至網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的互操作。本文對(duì)使用COM規(guī)范定義開發(fā)基于運(yùn)動(dòng)控控制卡的數(shù)控系統(tǒng)軟件模塊做了一些有益的嘗試，將COM作為軟件的底層結(jié)構(gòu)支持。軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。



                  圖4  軟件結(jié)構(gòu)

3.2 主要模塊間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義 

3.2.1  數(shù)控代碼信息

    定義了完整的數(shù)控信息，從數(shù)控程序段中提取的數(shù)控位置信息、運(yùn)動(dòng)信息、I/O被填入該結(jié)構(gòu)。

typedef struct｛

CString title；//程序名稱

int Num；//程序段號(hào)

int GG00；//00組G代碼

……

int GG15；//15組G代碼

int GM00；//00組M代碼

……

int  GM10；//10組M代碼

int  T；//刀具號(hào)

double S；//主軸轉(zhuǎn)速

double F；//進(jìn)給速率

double R；//圓弧插補(bǔ)半徑，固定循環(huán)參數(shù)

double Q；//固定循環(huán)參數(shù)

double P；//固定循環(huán)參數(shù)

double X；//基本尺寸

double Y；

double Z；

double I；//圓弧插補(bǔ)圓心坐標(biāo)（相對(duì)）

double J；

double K；

｝CODEINFO；

3.2.2 運(yùn)動(dòng)控制卡信息

主要定義了運(yùn)動(dòng)控制卡可配置部分的參數(shù)。

tvoedef struct ｛

double RefPointX；//系統(tǒng)參考點(diǎn)

double RefPointY；

double RefPointZ；

double RefPointA；

double ServoCycle；//伺服周期

AxisMapX；//軸映射

AxisMapY；

AxisMapZ；

AxisMapA；

unsigned short LimitSense；//限位電平

unsigned short DSns；//編碼器方向

unsigned long iN；//中斷號(hào)

unsigned long PortBase；

structAxislnfo//軸參數(shù)

｛

double AxisMap[5]；

unsignedshort Kx[5]；

unsigned short ILmt；

unsigned short MtrLmt；

short MtrBias；

unsigned short PosErr；

double AccLnt；

｝Axis[4]；

｝CARDINFO。

3.2.3 數(shù)控系統(tǒng)信息主要定義了數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，支持的數(shù)控代碼表，實(shí)際的驅(qū)動(dòng)能力。該結(jié)構(gòu)為譯碼模塊和控制卡函數(shù)調(diào)用模塊提供規(guī)則，譯碼模塊依據(jù)系統(tǒng)信息及譯碼規(guī)則填充數(shù)控代碼信息結(jié)構(gòu)并輸出錯(cuò)誤信息。

typedef struct ｛

bool G00，G01，G02，G03，……，G99；//支持的G代碼

bool M00，M01，M02，M03，……，M99；//支持的M代碼

double Xmin，Xmax，Ymin，Ymax，Zmin，Zmax；//平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)（軟限位）

double Smin，Smax；//主軸轉(zhuǎn)速限制

double Fmin，F(xiàn)max；//進(jìn)給速率限制

double FF；//快速進(jìn)給限制

int plusEqual；//驅(qū)動(dòng)電機(jī)脈沖當(dāng)量

double synAcc；//合成運(yùn)動(dòng)速度限制

double ServoCycle；//伺服周期

int AxisNm；//軸數(shù)

struct Tool//刀具參數(shù)

｛

double Lenth；

double Ratio；

int index；

｝ tool[20]；

｝ CODEPERMIT；

3.2.4 錯(cuò)誤信息

typedef struct ｛

Cstring title；//程序名稱

UINT line；//出錯(cuò)程序段

UINT ErrorType；//錯(cuò)誤號(hào)

｝ERROR；//傳遞數(shù)控代碼解釋過(guò)程中識(shí)

別的錯(cuò)誤

3.3 數(shù)控流程分析 

   限于篇幅各模塊的實(shí)現(xiàn)沒有一一列出，以下僅對(duì)主要數(shù)控程序流程及實(shí)現(xiàn)作大致說(shuō)明。

3.3.1 系統(tǒng)配置模塊

    系統(tǒng)配置模塊包括運(yùn)動(dòng)控制卡參數(shù)配置和機(jī)床參數(shù)配置，前者包括控制卡的伺服濾波、軸映射、編碼器、限位、誤差限等參數(shù)的設(shè)置，這些參數(shù)位于底層，直接決定了系統(tǒng)的性能。后者定義的是機(jī)床的結(jié)構(gòu)參數(shù)、刀具參數(shù)和支持的數(shù)控指令集，包含了機(jī)床的全部特征，這部分參數(shù)主要影響了后續(xù)數(shù)控譯碼過(guò)程。用戶通過(guò)界面對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，形成配置文件card.ini和sys.ini保存于硬盤，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)加載。

 

              圖5  系統(tǒng)參數(shù)配置                       圖6  控制卡參數(shù)配置

3.3.2 譯碼模塊

    譯碼模塊根據(jù)數(shù)控代碼一般規(guī)則和機(jī)床特征將指令文本翻譯成數(shù)控信息流，其中主要涉及到G代碼M代碼的分組處理、模態(tài)代碼的處理、如何定制數(shù)控代碼規(guī)則等問題，若考慮到后續(xù)刀補(bǔ)處理則還應(yīng)給出上兩段代碼的坐標(biāo)以解決進(jìn)行C刀補(bǔ)時(shí)插補(bǔ)段增加的情況。因?yàn)閿?shù)控程序不是定長(zhǎng)的，所以要求用動(dòng)態(tài)數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)CODEINFO結(jié)構(gòu)，在這里使用了MFC的CArray類，它可以很方便地管理操作數(shù)組元素，定義如下：CArray<CODEINFO，CODEINFO&>InfoArray；主模塊可以根據(jù)數(shù)控文本譯碼結(jié)果動(dòng)態(tài)地將CODEINFO結(jié)構(gòu)加入到該數(shù)組中，如下所示：

CODEINFO m-temp；

Translate（CNCString，m-temp，ErrorInfo）；//偽代碼InfoArray.Add（m-temp）。

譯碼完成后將數(shù)組傳人下一級(jí)處理模塊。

3.3.3 主模塊

    主模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，該模塊在系統(tǒng)啟動(dòng)階段讀取配置文件初始化運(yùn)動(dòng)控制卡，用機(jī)床信息填充CODEPERMIT結(jié)構(gòu)。在執(zhí)行狀態(tài)下主模塊調(diào)用譯碼、插補(bǔ)等模塊功能形成數(shù)控信息流，最后轉(zhuǎn)入運(yùn)動(dòng)函數(shù)調(diào)度循環(huán)，在這個(gè)循環(huán)中，主模塊監(jiān)視控制卡的指令緩沖區(qū)、坐標(biāo)系狀態(tài)寄存器、命令狀態(tài)寄存器，根據(jù)緩沖區(qū)狀況將數(shù)控信息流合成控制卡函數(shù)流不斷地發(fā)往指令緩沖區(qū)并反饋命令執(zhí)行情況、系統(tǒng)坐標(biāo)等狀態(tài)信號(hào)供人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示。如果運(yùn)行過(guò)程由于命令執(zhí)行原因或操作者選擇了停止則主模塊進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。如果操作者選擇了暫停，則模塊記錄當(dāng)前緩沖區(qū)命令號(hào)等待恢復(fù)執(zhí)行。當(dāng)然，因?yàn)閃indows是基于消息驅(qū)動(dòng)的，所以系統(tǒng)各運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換及鎖定都是通過(guò)消息進(jìn)行的，并非如上所述的順序執(zhí)行。

4 影響該系統(tǒng)性能的主要因素 

    該運(yùn)動(dòng)控制卡采用了高速DSP處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，正如前說(shuō)述在完成數(shù)控軌跡規(guī)劃、插補(bǔ)計(jì)算、位置控制、速度控制等方面不存在運(yùn)算能力瓶頸。制約系統(tǒng)性能的主要有以下幾個(gè)因素。

4.1 控制命令的連續(xù)性 

    應(yīng)防止出現(xiàn)命令緩沖區(qū)空，控制卡對(duì)多段軌跡進(jìn)行預(yù)處理是在命令緩沖區(qū)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，緩沖區(qū)機(jī)制可以保證各段軌跡的速度、加速度不出現(xiàn)大幅的波動(dòng)，提高加工質(zhì)量。解決的關(guān)鍵在于有效監(jiān)控緩沖區(qū)狀況，合理進(jìn)行運(yùn)動(dòng)指令調(diào)度。

4.2 伺服零漂現(xiàn)象 

    在使用系統(tǒng)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，如果不使用運(yùn)動(dòng)控制卡提供的零漂消除功能，一般的誤差有13～15個(gè)脈沖，如果脈沖當(dāng)量是2000脈沖/mm，那么誤差將達(dá)到6.5～7.5μm，加工精度得不到保證。通過(guò)在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)零漂值的定時(shí)檢測(cè)及動(dòng)態(tài)修改，可以做到無(wú)零漂。

4.3 系統(tǒng)PID參數(shù)的調(diào)整 

    PID控制算法比較成熟且應(yīng)用廣泛，但參數(shù)的調(diào)整需要豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，參數(shù)調(diào)整良好的系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性好，加工精度高，運(yùn)行噪聲低。在實(shí)際運(yùn)用中，可通過(guò)測(cè)試程序測(cè)出系統(tǒng)較優(yōu)的PID參數(shù)，再通過(guò)系統(tǒng)配置程序修改參數(shù)。在參數(shù)配置方面今后的一個(gè)發(fā)展方向是系統(tǒng)在線自動(dòng)測(cè)試調(diào)整，這對(duì)系統(tǒng)運(yùn)用于不同的機(jī)床和工況很實(shí)用，也是本系統(tǒng)有待完善的部分。



                    圖7 數(shù)控系統(tǒng)主界面

5 系統(tǒng)運(yùn)行主界面 

6 結(jié)束語(yǔ) 

    本文以固高GT400-SV運(yùn)動(dòng)控制卡為例構(gòu)筑了一個(gè)上下位機(jī)形式的開放式數(shù)控平臺(tái)，其對(duì)基于運(yùn)動(dòng)控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)具有一定的通用性，系統(tǒng)采用功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制卡完成插補(bǔ)計(jì)算、位置控制、速度控制等實(shí)時(shí)任務(wù)，以PC機(jī)實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)界面、靈活的系統(tǒng)配置、增強(qiáng)的外部軟件接口，采用基于COM的模塊式軟件結(jié)構(gòu)，實(shí)踐證明這種形式的系統(tǒng)具有較強(qiáng)的控制性能，實(shí)現(xiàn)了軟硬件的開放性和模塊的二進(jìn)制復(fù)用，適合構(gòu)建各種通用及專用數(shù)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)的改型系統(tǒng)已應(yīng)用于一印制板鉆床。