基于PMAC的开放式数控系统结构研究与设计

2015-11-18王传明

河北能源职业技术学院学报 2015年1期

王传明，杨笋，靳玲

(1．濮阳市华信技术服务有限公司，河南濮阳 457000;2．河南省经济管理学校，河南南阳 473000)

前言

传统数控系统一般采用封闭式的体系结构，即使是计算机数控系统，其CNC装置也是以专用计算机系统为基础。虽然选用分布式处理结构，可以获得高性能、强大的补偿功能、图形功能、故障诊断功能及通信功能等，但各数控系统生产厂商通常自行设计数控系统的硬件和软件体系结构，各大数控制造厂商在数控系统硬件结构、实时操作系统、数控通信接口和通信协议等方面实施技术垄断。

为解决封闭性数控系统日益明显的弊端，提出了向规范化、标准化的方向发展，采用开放式体系结构的数控系统。而基于PC扩展设计开放式数控系统思路的提出，推动了开放式数控系统的进步和发展。

1．基于PC的数控系统

通用PC标准化程度高，软、硬件资源丰富，信息吞吐量大，适用性强，是构建开放式数控系统的理想平台。目前，基于PC的开放式数控系统可分为以下三种:

1．1 专用数控加PC前端的复合型结构

将PC作为NC的部件嵌入在数控系统中，用内部总线相连接，PC和NC连接在一起构成前、后台结构，可形成多微处理器数控系统。原来的CNC不必改动，所以既保持了原系统的强大功能，同时又具有数控传送速度快、系统响应时间短的特点。但是不能充分发挥PC的潜力，开放性受限制，系统造价高。

1．2 NC嵌入PC型结构

在通用PC的扩展槽中插入运动控制板或整个CNC单元。这种系统运动控制和伺服控制依赖于专用运动控制卡，无法实现硬件通用化。

1．3 全软件型结构

CNC的全部或大部分功能均由PC承担，并通过装在PC扩展槽中的驱动接口卡对伺服驱动进行控制。

比较三种类型的开放式数控系统，第一种对硬件制造水平要求较高;第二种是以软件技术的研究和开发作为主体，主要硬件设备采用市场流行的工业PC机和多轴运动控制器。这种系统的特点是灵活性好、功能稳定、可共享计算机的所有资源，是当前较为理想的开放式数控系统。本文以当前应用最广的运动控制器PMAC为例，重点介绍NC嵌入PC结构的开放式数控系统。

2．PMAC多轴运动控制器

2．1 PMAC介绍

PMAC(Programmable Multi－Axis Controller，可编程序多轴控制器)是美国Delta Tau公司推出的基于工业PC和Windows操作系统的多轴、多通道开放式运动控制器。PMAC实际上是一条完整的计算机系统，它可以自动进行任务优先级判别，并按优先级别高低调度并执行任务，减轻了主机任务切换和执行实时控制任务两方面的负担，提高了整个控制系统的运行速度和控制精度。PMAC的硬件结构如图1所示。

图1 PMAC硬件结构框图

2．2 PMAC主要功能

(1)伺服环和计算功能标准PMAC运动控制器提供PID参数调整、速度和加速度前馈控制功能，阶式滤波器功能具备24位增益分辨度，具有很强的运算功能，能够进行数学、逻辑和超越函数运算。

(2)输入/输出功能 PMAC中DSP通过DSP GATE与受控轴建立连接关系，每个DSP GATE控制四路编码器和4个模拟输出通道，PMAC可直接接受0～5V的正交编码器信号，PMAC控制器的I/O接口可通过相关附件进行扩展。

(3)PLC功能以循环扫描逻辑顺序控制程序，不采用梯形图编程，采用类似BASIC等高级语言的编程方式，更加灵活、方便。

(4)变量与内存管理功能 PMAC控制器采用I/O与内存统一编址方式，双16位地址空间。

3．NC嵌入PC结构的开放式数控结构设计

3．1 硬件结构

NC嵌入PC结构的开放式数控系统是在工业控制机(IPC)平台基础上，以PMAC运动控制器作为系统的核心处理器，工控机上的CPU与PMAC的CPU构成主、从式双微处理器结构。数控系统除PMAC运动控制器外，大部分硬件都采用统一计算机硬件板卡，系统硬件结构框图如图2所示。

图2 系统硬件结构

(1)控制功能在图2中，PMAC主要完成插补运算、位置控制、刀补、速度处理和PLC等实时控制任务;工控机则主要实现系统的管理功能，同时完善NC系统的用户界面、图形显示、网络通信等非实时控制功能。

(2)与主机之间的通信 PMAC与主机直接通过ISA总线通信。当主机与PMAC进行通信时，主机就到预先制定的地址去寻找PMAC，该地址由PMAC板上的E跳线决定，用户可以根据需要重新设置E跳线，从而改变PMAC在主机中所占用的地址，控制器与伺服电动机的运行状态、电动机的位置、速度、跟随误差等数据则直接通过ISA总线实现信息交换。

(3)内置PLC功能 PLC信号的输入/输出由I/O接口板实现，信号通过光电隔离后经I/O接口送人PMAC进行处理。光电隔离有效地将计算机数字量通道与外部模拟量通道隔离开来，减轻了外部干扰。

3．2 软件结构

NC嵌入PC结构的开放式数控系统的软件结构主要由实时控制软件和系统管理软件构成。实时控制软件考虑软件的开放性，用户可以在PMAC已经集成的基本模块上根据需要增加软件功能模块;系统管理软件主要由用户自行开发，实现所有的非实时控制部分功能。系统的软件结构如图3所示。

图3 系统软件结构

(1)PMAC实时控制软件

实时控制软件所包括模块如图4所示。

图4 PMAC实时控制软件功能模块

插补算法模块包括直线插补、圆弧插补及样条插补等。PMAC还提供PVT运动模式，可对轨迹图形进行直接而紧凑的控制。

伺服驱动模块用于选择PID位置环伺服滤波器、陷波滤波器、速度前馈等，并设置其控制参数，用户可采用极点配置方法，实现个性化伺服控制。

PLC监控运行模块主要包括看门狗PLC、上电PLC、主PLC、指示灯管理及下电PLC。

加工程序解释模块由G代码解释程序、M代码解释程序、T代码解释程序组成。这些程序在PEWN32Pro环境下编辑和调试，并下载到PMAC的固定存储器中，在实际加工时被PMAC自动调用。

(2)系统管理软件

系统管理软件的所有功能都要由用户自己设计与实现，其功能模块如图5所示。

图5 系统管理软件功能模块

由于数控系统中的实时控制模块都是由PMAC来实现的，且系统管理软件完成的都是非实时性的功能(后台功能)，所以可以选用Windows操作系统作为系统运行与开发的平台，而不需要对Windows操作系统进行任何实时化的改造与扩展。系统管理软件一般采用Windows平台的VC++、VB或Delphi等工具开发完成，主要实现系统初始化、参数设置、文件管理、故障诊断与状态显示、加工运行等功能。