时间：2023-05-30 10:09:52
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇运动控制器，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
本文设计的基于以太网的超声检测多轴运动控制系统是在复杂的多轴运动控制技术之上结合了远程通信技术，以此来实现超声检测的远程自动控制。此系统主要由上位机、多轴运动控制器、步进电机驱动器、步进电机、机械执行装置、限位开关和超声探头等组成，其组成框图如图1所示。由上位机LabVIEW控制系统为多轴运动控制器发送运动指令，并由多轴运动控制器将运动信号拆分为步进信号和方向信号，再将这两种电机控制信号发送给步进电机驱动器，步进电机驱动器将其转化为角位移发送给步进电机，使步进电机转动相应个步距角，以达到使步进电机按指令运动的目的。步进电机上安装有机械执行装置，用以固定超声探头，机械执行装置上安有限位开关，以此控制电机的运动范围，当电机运动到限位开关的位置时，限位开关发出限位信号到多轴运动控制器，运动控制器便停止发出使电机运动的脉冲信号。在进行自动超声检测时，Z轴方向机械执行机构上固定的超声检测探头能够在被检测物体的表面按照上位机运动控制算法设计的运动轨迹进行连续检测，并实时向PC机返回探头的位置信息，并将数据采集卡采集的超声信号与探头返回的位置信息建立起对应关系，最终通过上位机的图像处理系统形成超声检测图像，以此来实现物体的超声检测。
2多轴运动控制器的方案设计
多轴运动控制器可以通过远程以太网通信的方式接收上位机的控制信号，向步进电机驱动器发送脉冲信号和方向信号以完成对电机的运动控制。采用ARM9处理器S3C2440搭建硬件平台，配有DM9000A以太网通信芯片使硬件平台具备远程通信的功能。在Linux操作平台上进行控制系统软件功能设计，并采用UDP通信协议实现上位机与运动控制器之间的远程通信［3］。
2．1多轴运动控制器硬件电路设计
本文采用ARM9处理器S3C2440设计了系统中运动控制器的硬件电路部分，并采用DM9000A网络接口控制器设计了运动控制器的以太网接口。运动控制器硬件整体框图如图2所示。运动控制器选用ARM9处理器作为运动控制器的核心芯片可以方便地嵌套Linux操作系统，在操作系统之上实现运动控制器的插补等多轴运动控制算法。选用DM9000A以太网控制芯片实现上位机LabVIEW与运动控制器之间的远程通信，进而实现超声检测的远程自动控制。为了解决步进电机驱动器与主控芯片信号匹配的问题，本文采用光耦器件设计了电压转换模块，负责把主控芯片输出的3．3V电压信号转换至5V电压信号后输入到步进电机驱动器中，同时负责把限位开关发出的24V限位信号转换至3．3V输入到主控芯片中。此外，电路中还搭载了用于存储数据的扩展存储器、以及用于调试的JTAG接口电路和RS232串口电路。
2．2多轴运动控制器软件设计
本课题所用的限位开关为位置可调的限位开关，每个轴有2个限位开关，在每次超声检测前，把每个限位开关调节到被测工件的边缘处，从而使探头移动的范围即为工件所在范围。故此设计运动控制器的软件时便可将限位开关做为边界条件，以此来设计探头的运动范围。其运动控制流程:首先系统初始化，通过上微机控制界面人工控制探头到被测工件的起点，然后X轴正向运动到X轴限位开关处，Y轴正向运动一个探头直径的长度，X轴再反向运动到X轴另一侧的限位开关处，之后Y轴继续正向运动一个探头直径的长度，如此往复运动直至探头到达Y轴的限位开关处，检测结束，探头复位。运动控制软件流程图如图3所示。
3多轴运动控制系统上位机软件设计
基于以太网的自动超声检测多轴运动控制系统的上位机软件是以LabVIEW开发平台为基础，使用图形G语言进行编写的，主要包括多轴运动控制软件和以太网通信软件。Lab-VIEW是一款上位机软件，其主要应用于仪器控制、数据采集和数据分析等领域，具有良好的人机交互界面［4］。LabVIEW软件中有专门的UDP通信函数提供给用户使用，用户无需过多考虑网络的底层实现，就可以直接调用UDP模块中已经的VI来完成通信软件的编写，因此编程者不必了解UDP的细节，而采用较少的代码就可以完成通信任务，以便快速的编写出具有远程通信功能的上位机控制软件［5］。上位机LabVIEW软件的远程通信模块、运动控制模块以及数据处理模块相互协调配合，共同构成了超声检测多轴运动控制系统的上位机软件。
3．1运动控制软件设计
运动控制系统软件部分主要由运动方式选择、探头位置坐标、运动控制等模块组成，可完成对系统运动方式的选择，运动参数、控制指令的设定以及探头位置信息读取等工作。运动方式选择模块可根据实际需要完成相对运动或是绝对运动两种运动方式的选择，并会依照选择的既定运动模式将X、Y、Z三轴的相应运动位置坐标输出在相应显示栏中，以便进行进一步的参数核对以及设定;运动控制模块可依照检测规则实现对整个系统运动过程的控制，包括:设定相对原点、运行、复位、以及退出等相关操作。相对原点设定可以将探头任意当前位置设为新的原点，并以原点作为下一个运动的起始点，即为探头位置坐标的相对零点，并将此刻相对原点的绝对位置坐标值在文本框中显示出来。运动控制系统软件流程图如图4所示。
3．2以太网通信软件设计
以太网通信模块采用无连接的UDP通信协议，通过定义多轴运动控制器与上位机LabVIEW的以太网通信协议，实现下位机与上位机之间的远程通信。具体设计如下:首先使用“UDPOpenConnection”打开UDP链接，使用“UDPWrite”节点向服务器端相应的端口发送命令信息，然后使用“UDPRead”节点读取服务器端发送来的有效回波数据，用于后期处理，最后应用“UDPCloseConnection”节点关闭连接［6］。以太网通信模块的程序框图如图5所示。
4实验及结果
实验平台由步进电机及其驱动器、上位机控制软件和自主研发的多轴运动控制器构成。在上位机的用户控制界面中，首先输入以太网的IP地址并选择运动方式，然后根据用户的检测需求设定运动速度和运动距离，点击运行后探头即按所设定运行。探头运动过程中还可以选择设定当前位置为原点，探头即按照新的原点重新开始运动。同时，在探头运动时会实时显示探头当前所在位置坐标。模拟开关发送选通超声探头信号并发送脉冲信号激励超声探头发射超声波，FPGA控制A/D转换电路对超声回波信号进行转换，并将数据存入双口RAM，存储完成后向ARM发送信号，ARM接收到采集完成信号将数据通过以太网向上位机发送。上位机的LabVIEW用户控制界面如图6所示。
5结束语
关键词：DSP； FPGA； 以太网控制器； 运动控制器
中图分类号：TN830.1-34; TP271 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2011)21-0202-03
Design and Research on Four-axis Motion Controller Based on DSP and FPGA
SHI Jiang-hua1, WEI Shi-min2, LI Jin-quan2, YANG Xiang-dong3
(1. Automation School of Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China;
2. Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China;
3 .Tsinghua University, Beijing 100084, China)
Abstract： According to the characteristics and requirements of CNC system, a motion controller based on DSP and FPGA was designed through a research on DSP TMS320F2812, FPGAEP2C8F256C6 and Ethernet controller RTL8019AS. For the real-time control and high precision issues of motion control, planning the DSP function expansion and expanding four-axis motion control circuit with independent function in the FPGA. The circuit can implement four-way control signal outputs, can deal with four-way encoder feedback signals, and can receive and dispose input digital signals such as origin signal, positive and negative limit signals and so on. The motion controller has simple structure, openness, modularity, etc. It can better meet the real-time and accurate performance of the motion controller.
Keywords： DSP; FPGA; Ethernet controller; motion controller
0 引 言
运动控制技术是制造自动化的关键基础，其水平高低是衡量一个国家工业现代化的重要标志，研究和开发具有开放式结构的运动控制器是当前运动控制领域的一个重要发展方向［1-2］。随着集成电路技术、微电子技术、计算机技术和网络技术的不断发展，运动控制器已从以单片机和微处理器作为核心的运动控制器和以专用芯片(ASIC)作为核心处理器的运动控制器，发展到了基于PC机平台的以数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)作为核心处理器的协处理架构的开放式运动控制器［3］。该控制器将PC机和DSP的信息处理能力与FPGA的扩展功能很好的结合在一起，具有信息处理能力强、模块化、开放程度高、运动轨迹控制精确等优点。
1 系统概述
该四轴运动控制器系统以TI公司C2000系列DSP芯片TMS320F2812和ALTERA公司Cyclone Ⅱ系列FPGA芯片EP2C8F256C6为核心，DSP通过网口接收上位机的控制参数，完成系统位置、速度控制及运动轨迹规划；FPGA完成运动控制器的精确插补功能和电路的扩展，系统总体框图如图1所示。
运动控制器的主要功能包括：4路模拟电压输出，电压范围为-10~+10 V，分辨率为16 b；4路脉冲量信号输出；4路脉冲方向信号输出；4路驱动复位信号输出；4路驱动使能信号输出；4路差分编码信号输入；4路驱动报警信号输入；8路正负限位信号输入；4路原点信号输入；16路通用数字量I/O。
2 DSP模块设计
DSP根据从上位机接收的运动模式和运动参数实时计算规划位置和规划速度，生成所需的速度曲线，实时的输出规划位置。TMS320F2812是TI推出的一款专门用于电机控制的32位定点DSP芯片，采用高性能静态CMOS技术，主频高达150 MHz(指令周期6.67 ns)，低功耗，核心电压为1.8 V，I/O电压3.3 V，支持JTAG边界扫描，128K×16 b的片内FLASH。有两个事件管理器(EVA和EVB)，它们都是特定的设备，为多轴运动控制器而设计的［4］。可通过外部存储器接口XINTF扩展外部存储器。DSP模块设计如图2所示。
图2 DSP模块
为增强抗干扰性，DSP通过以太网控制器RTL8019AS与上位机连接，RTL8019AS内部含有┮桓16 KB的SDRAM，DSP通过外部存储器接口对其进行读写来接收上位机的命令或向上位机传送反馈信号。在数据处理过程中要占用大量的存储空间，DSP内部仅含有18K×16 b的SARAM和128K×16 b的FLASH，存储空间显得过小，所以通过外部接口扩展了256K×16 b RAM和512K×16 b FLASH，RAM和FLASH芯片分别选择IS61LV25616AL、SST39V-
F800，它们都具有接口简单、读写速度快等优点［5-6］。SCI模块用于扩展RS 232串行通信接口，串口芯片使用MAX 3232。
运动控制器所需电压为5 V,3.3 V，1.8 V，1.2 V。输入电压5 V，分别采用稳压芯片LM1085IS-3.3,LM1117-1.8将其转换成3.3 V和1.8 V，由于TMS320F2812的I/O电压3.3 V要先于内核电源上电，所以1.8 V要由3.3V降压得到，以确保上电次序。1.2 V是FPGA内核所需电压，由稳压芯片LM317S稳压得到，LM317S的输出电压范围为1.2~25 V， 复位电路采用SP708低功耗微处理器监控器件，此器件有众多的组件，有效的增强了系统的可靠性及工作效率。
3 FPGA模块设计
FPGA用于轴资源的扩展，当接收到DSP中的规划位置后，在轴资源中对其进行变换处理，输出到伺服控制器中，伺服控制器将规划位置与编码反馈的计数位置进行比较，获得跟随误差，并通过伺服控制算法得到实时的控制量，将控制量传递给D/A转换器，由D/A转换器转换成控制电压输出。
EP2C8F256C6是ALTERA公司Cyclone Ⅱ系列芯片，其特点为高性能低功耗，内核供电电压为1.2 V，8 256个逻辑单元(LEs)，182个用户I/O口(项目中使用了157个I/O口)，165 888 b的内部RAM，嵌入了18 b的乘法器，每个乘法器又可拆成2个9 b的乘法器，芯片内部含有2个锁相环(PLL)，8个全局时钟(Global Clocks)［7-8］。该芯片所具有的逻辑单元数、频率和用户I/O口等都能很好的满足设计需求。FPGA的模块扩展如图3所示。
3.1 与DSP接口设计
DSP芯片的事件管理器(EVA,EVB)用于和FPGA连接，当输出脉冲量控制驱动器时，DSP使用两个事件管理器进行PWM波的控制，当输出模拟量时，DSP使用GPIOA/GPIOB向FPGA输出规划位置。
3.2 模拟信号输出电路设计
采用D/A转换器AD669进行模拟信号的输出，AD669具有两级锁存，在设计中，将其四路D/A芯片的第一级锁存处于透明状态，第二级锁存控制信号LDAC连在一起，当四路D/A芯片的数据预装好后，打开┑诙级锁存，四路D/A芯片即可同时转换，实现了四轴驱动的同时控制。
3.3 脉冲信号输出电路设计
脉冲输出电路由FPGA内部精插补器完成，精插补器根据DSP发送来的粗插补数据产生均匀的脉冲输出，脉冲的输出有两种格式：“脉冲+方向”和“正负脉冲”。由于差分信号对外部电磁等信号有很好的抗干扰性，特别是对共模干扰有很好的抑制作用。所以脉冲经过光耦隔离后，再将信号接入差分线驱动器AM26LS31后输出，差分线驱动器AM26LS31的作用是将输入的单极性方波信号转化为一对极性相反的电机驱动信号。
3.4 编码反馈电路设计
电机编码信号直接传入电机驱动器中，电机驱动器将三对差分编码信号A+,A-,B+,B-,N+,N-作为反馈传给运动控制器。在电机旋转时，所发出的编码信号会出现非常多的毛刺，并且经过驱动器大电源的干扰，如果直接接到FPGA中，可能会引起误判断，所以先将三对编码信号经过差分芯片AM26LS32转化成单路信号A,B,N后再接入FPGA中。芯片AM26LS32功能是将输入的一对极性相反的编码器差分信号转化成单极性的脉冲信号，与AM32LS31正好相反。
3.5 开关量接口和通用I/O电路设计
输出信号包括复位信号和使能信号，由FPGA产生，经光耦隔离后直接输出；输入信号包括驱动报警信号，正负限位信号和原点信号，这些信号经光耦隔离、电平转换后再由FPGA接收，当FPGA检测到这些信号后，确定具体的触发信号，做出相应的反应。另外运动控制器还提供了八路数字量输入通道和八路数字量输出通道，输入、输出通道都经光电隔离，以提高抗干扰性［9］。
4 网口模块设计
DSP通过以太网控制器RTL8019AS与上位机连接，RTL8019AS在一块芯片上集成了RTL8019AS内核和一个16 KB的SDRAM存储器，兼容RTL8019AS控制软件和NE2000 8 b或16 b传输，其接口符合Ethernet2和IEEE 802.3标准。RTL8019AS与主机的接口模式有三种模式：跳线模式,PnP模式，RT模式［10］。此运动控制器使用便于DSP应用的跳线模式。DSP与RTL8019AS的连接如图4所示。
(1) 数据总线和地址总线。RTL8019AS的数据总线和DSP的16位数据总线直接相连即可。RTL8019AS片内NE2000寄存器组都是通过其映射I/O端口进行访问，I/O端口共32个，地址偏移量为00H~1FH，把I/O基地址设为300H，则对应的I/O端口寻址范围为：300H~31FH。只需要10根地址线就可以对I/O端口进行寻址，把SA10~SA19接低电平，SA0~SA9按照表1接法即可。
只需要5根地址线就可以寻址32位I/O端口，所以可以直接把SA9,SA8接高电平，SA5~SA7接低电平，SA0~SA4与DSP的低5位地址线XA0~XA4相接。
(2) 控制总线。RTL8019AS片选信号AEN使用DSP的扩展片选信号XZCS0AND1，IORB、IOWB直接与DSP的读写控制信号XRD、XWE相连，中断输出引脚INT0与DSP的XINT2相连，高电平有效的复位输入引脚与监控电路芯片SP708的RST相连，当DSP复位时，RTL8019AS也复位。
(3) RTL8019AS与网络介质接口。RTL8019AS可以使用同轴电缆或双绞线作为传输媒介，将其AUI接口接地或悬空，使用BNC接口。BNC接口方式支持8线双绞线或同轴电缆。20F001N是双绞线驱动器，为耦合隔离变压器模块，通过它可以去除因电路数字特性导致的高次谐波。RTL8019AS与20F001N的连接如图4所示。其差分输入信号TPIN+、TPIN-与差分输出信号TPOUT+、TPOUT-分别与20F001的对应引脚相连。
5 结 语
在PC平台下，充分利用了DSP的数据处理能力和FPGA的硬件特性， 使系统既能进行复杂的轨迹规划、高速插补，又能保证运动控制器的稳定性和精确性，这种运动控制器能应用于数控系统，机器人制造等控制领域。
参考文献
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作者简介：
石江华 男，1985年出生，山东菏泽人，硕士。主要研究方向为机器人控制。
魏世民 男，1965年出生，北京人，教授。主要研究方向为机器人机构学、机器人虚拟设计、移动机器人测控技术。
关键词：组态软件；控制器；步进电机；控制网络
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）02-0230-02
Design of Stepper Motor Control Network Based on MCGS and TC45
LIU Xiao-feng，LIU Feng，CHENG Wei-bin
（Xi'an Shiyou University， Xi’an 710065， China）
Abstract： A control network composition method based on MCGS configuration software and TC45 motion controller for multiple stepper motors is presented， and the software and hardware design scheme of control network system are introduced in this paper. The speed control， stroke control and start stop control of multiple stepper motors are realized in this design. The test results show that the control network has good openness， versatility and scalability， and the design can be applied in some related engineering fields.
Key words： configuration software， controller， stepper motor， control network
步进电机是工业自动控制领域重要组成部分，网络化是步进电机运动控制系统的发展方向之一。目前步进电机的控制网络技术包括基于ARM嵌入式控制、基于CANopen/EtherCAT的网络化运动控制以及基于Modbus/485总线控制等。基于ARM嵌入式控制系统采用细分控制方法，能实现步进电机在环境中准确、低噪声、平滑和高精度运行，但其开发难度高，硬件电路复杂。基于CANopen/EtherCAT的网络化运动控制系统设计复杂，成本较高，但带负载能力强，网络性能优越。基于Modbus/485总线的网络化运动控制系统成本低，通信稳定，但带负载能力有限，网络性能较差[1-3]。
为在一定程度上改善控制网络的复杂性以及扩展性差等问题，设计了基于MCGS和TC45的步进电机控制网络。
1系统总体设计
系统总体构架如图1所示。步进电机控制网络架构由MCGS组态软件、TC45运动控制器、带Modbus协议的步进驱动器以及步进电机构成。系统通过上位机发送的步进电机增量、速度、启停等命令信息给TC45运动控制器，运动控制器将数据处理后传送至带协议的步进电机驱动器，步进电机驱动器将运动控制器传来的信号转换成模拟脉冲信号驱动步进电机；同时各电机的当前速度、增量等数据信息经过运动控制器转换传给上位机监控软件，并在监控界面实时显示。
上位机与控制器之间采用RS485传输方式的Modbus通信协议，通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其他设备之间实现互相通信[4]，上位机监控系统便可以与多个运动控制器组成一个控制网络，从而实现对多台步进电机的控制。
2 系统硬件结构设计
TC45运动控制器模块接口采用 Modbus 协议。各驱动电机作为一个控制子站，均有确定的通讯地址，通过标准协议与主控制器进行信息交换和执行主控制器的指令。
TC45运动控制模块与驱动器接口如图2所示。TC45运动控制模块可将上位机不同属性的数据命令转换成步进电机需要改变的属性命令，其供电电压为24V，其中运动控制器的端子485+与485-分别与RS485通讯线的正负连接，其中[XPUL]为步进电机脉冲控制端口，[XDIR]为步进电机转向控制端口。
步进电机驱动模块选用ST-6128步进电机驱动器。步进电机驱动器的端子DIR-与DIR+为步进电机转向控制端口，与TC45的端子[XDIR]端口相连，端子A+、A-、B+、B-与步进电机的四线相连。步进电机驱动器供电电源范围为9-32V直流，本设计采用24V直流电源。驱动器模块与步进电机接口如图3所示。
3 上位机监控系统设计
上位机监控系统采用MCGS组态软件开发平台构建。上位机监控系统与运动控制器的参数配置通过TC45运动控制软件实现[5-6]，计算机串口设置为COM1，通讯速率为38400bps，通讯超时最大值为2000ms，运动控制器模块通讯地址设为1。
组态软件设备窗口控制设备属性值的参数设置中，最小采集周期设为1000ms。其中设备地址与在TC45运控控制软件配置的参数地址一致，通讯等待时间为200ms。设置完相应的设备参数后，在组态软件界面的用户窗口建立新的窗口进行控制系统监控界面的组态，并通过TC45通讯协议编写相应脚本程序。上位机设计界面如图4所示。
4 实验分析
为验证对多台步进电机控制的可行性，本次步进电机控制网络实验搭建了两组运动控制器对四台步进电机进行测试验证，实验在Windows 7环境下通过MCGS组态软件完成了上位机监控系统界面的开发。实验前通过串口调试助手软件验证上位机监控系统与运动控制器模块通讯的正确性。
实验测试结果实现了对A、B、C、D四台步进电机运动速度大小的控制、AB步进电机与CD步进电机运动速度大小的同时控制，同时也实现了对步进电机的急停控制。基于ARM嵌入式步进电机的网络化控制在软硬件方面分别需要设计Linux设备驱动程序与PCB驱动板。基于CANopen/EtherCAT的网络化运动控制以及基于Modbus/485总线控制需要设计运动控制指令、通讯程序、以及加减速模块等。与此相比，本文设计的步进电机控制网络在硬件电路的复杂性与监控系统的开发难度上得到一定程度改善，因此基于MCGS和TC45步进电机控制网络在相关工程技术领域具有一定的现实意义。
5 结语
本文提出运用MCGS组态软件和TC45运动控制器构建的步进电机控制网络，设计了控制网络的硬件电路以及上位机监控系统。实验测试结果表明运用组态软件与运动控制器通过RS485通信可实现点对多点的控制，同时该步进电机控制网络设计在一定程度上减少了常规步进电机控制网络设计的工作量与研发周期，这对相关技术领域具有一定的推广和实用价值。
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关键词：六自由度并联机器人；空间位置；控制系统开发；硬件搭建
中图分类号：TB
文献标识码：A
doi：10.19311/ki.16723198.2017.11.093
0引言
并联机构机器人系统具有结构紧凑、刚度大、无累积误差、精度较高、动态响应好、承载能力大等诸多优点，现在已经广泛地应用于医疗、航空航天、娱乐、物流、机床设计等领域。
本文以六自由度并联机器人为例，从硬件平台搭建入手，通过电气线路规划、控制设备布局到建立控制器与上位机通讯、空间位置运动计算等，设计出一种六自由度并联机器人的控制系统整体方案。
1硬件系统搭建设计
1.1硬件系统介绍
1.1.1机器人系统平台本体
本文所选用的六自由度机器人系统平台本体为格吉机电科技有限公司PT-028型号的六自由度并联机器人，如图1所示。
其中下平台为定平台，固定在基座上，上平台为动平台，平台之间由六个电动缸构成的六个运动轴通过铰链连接，上位机通过程序控制运动控制器，进而控制伺服执行系统，改变六个电动缸的行程实现系统平台六自由度的运动。
1.1.2伺服执行系统
伺服执行系统由六组伺服电动缸与伺服驱动器组成，伺服执行系统的功能是将控制器发出的控制信号进行处理放大转化为驱动信号，执行具体的控制动作。
1.1.3运动控制器
由于六自由度机器人系统平台需要同时控制六个轴的运动并处理来自限位开关与编码器的反馈信息，所以运动控制器需要强大的运算与处理能力。在该设计中，运动控制器只要包括以下两个方面的作用：
（1）伺服控制部分：现平台系统的启动、停止，对六个电动缸伺服电机进行运动控制、接收来自上位机的位姿控制信号、实时监控系统平台的运动与工作状态。
（2）信号调整部分：完成测试信号与I/O信号、系统平台中各感器信号与伺服驱动器的驱动等信号调整。
1.1.4反馈系统
本系统平台的反馈系统硬件部分包含编码器与限位开关，编码器将伺服电机的状态实时反馈给运动控制器，以掌握轴的实时位置；限位开关主要将电动缸正负极限位置反馈给运动控制器，进行安全保护。系统平台硬件配置如图2所示。
1.2硬件系统电气线路与布局设计
1.2.1硬件系统线路连接
这个部分主要包括六个伺服驱动器与运动控制器之间建立连接，以及伺服驱动器与伺服电机（轴）之间建立连接，运动控制器采用24V5A电源供电，伺服驱动器采用220V三相电源供电，运动控制器通过Xn端口与伺服驱动器CN1端口连接。
1.2.2控制柜布局及电气图
对控制柜内布局进行规划与电气接线安装，如图3所示。
2空间位置算法设计
2.1空间位置计算原理
首先以六自由度并联机器人系统平台6个电动缸行程均为零，即系统平台初始状态时的上平台中心为基准，分别建立定空间直角坐标系O0―X0Y0Z0、动空间直角坐标系O1―X1Y1Z1，同时设上平台六个铰链端点为P1i（i=1，2，…，6），下平台六个铰链端点为P0i（i=1，2，…，6），则P1i与P0i（i=1，2，…，6）在定坐标系O0―X0Y0Z0中可以分别表示为P0i（x0i，y0i，z0i）与P1i（x1i，y1i，z1i）（i=1，2，…，6），以1mm作为单位长度，坐标系如图4所示。
3整体思路
整体控制思路由两个回路组成。
3.1运动控制回路
由上位机编写程序发出信号，运动控制器接收到该信号，将上位机控制信号转化为可识别的指令传递到伺服驱动器，经过伺服驱动器放大调整，将放大后的信号传递给伺服电机，伺服电机执行命令，控制电动缸的伸缩控制六个轴的长度，进而控制六自由度并联机器人平台的空间位姿表示。
3.2运动反馈回路
编码器在伺服电机运转时产生信号，将信号传递给运动控制器，运动控制器通过对比该实际信号与期望目标之间的偏差，进行实时监控与判断，发出修正指令保证机器人系统平台的安全动作，调整误差。
4结语
本文提出了一种六自由度并联机器人控制系统的设计方案，包括其本体介绍、平台搭建、电气连线等方面详细描述了该系统的硬件配置，对其空间位置计算原理的分析以及计算方法的介绍，基本实现系统平台在工作空间内的任意位置角度表示以及对应的控制方案，通过硬件与软件相结合的实时反馈系统，可以对机器人平台进行空间位置的监控与修正，实现对机器人平台较精确的位姿控制。若要进一步提高其控制精度，则可以考虑对其进一步进行运动学与动力学分析，研究并联机器人平台的速度、加速度、受力情况以及与运动有关的几何参数、时间参数，通过动力学建模进行动力学分析，推算出动力学方程，进而构建较为精准的系统控制器；另一方面可以对控制程序根据实际情况进行优化，加入仿真控制环节，减小实际控制中的误差。
参考文献
[1]赵慧等.六自由度并联机器人动力学分析和计算[J].济南大学学报（自然科学版），2003，（2）：114117.
[2]刘善增等.3自由度并联机器人的运动学与动力学分析[J].机械工程学报，2009，45（8）：1117.
[3]冯志友等.并联机器人机构运动与动力分析研究现状及展望[J].中国机械工程师，2006，（9）：979984.
[4]从爽等.并联机器人――建模、控制优化与应用[M].北京：电子工业出版社，2010.
[5]赵景山等.机器人机构自由度分析理论[M].北京：科学出版社，2009.
[6]孙宇等.交流伺服系统设计指南[M].北京：机械工业出版社，2013.
[7]巫传专等.控制电机及其应用[M].北京：电子工业出版社，2008.
关键词：伺服驱动技术，直线电机，可编程计算机控制器，运动控制
1 引言
信息时代的高新技术流向传统产业，引起后者的深刻变革。作为传统产业之一的机械工业，在这场新技术革命冲击下，产品结构和生产系统结构都发生了质的跃变，微电子技术、微计算机技术的高速发展使信息、智能与机械装置和动力设备相结合，促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技术革命。
随着计算机技术、电子电力技术和传感器技术的发展，各先进国家的机电一体化产品层出不穷。机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等许多门类产品每年都有新的进展。机电一体化技术已越来越受到各方面的关注，它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。
在机电一体化技术迅速发展的同时，运动控制技术作为其关键组成部分，也得到前所未有的大发展，国内外各个厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。本文主要介绍了全闭环交流伺服驱动技术（Full Closed AC Servo）、直线电机驱动技术（Linear Motor Driving）、可编程序计算机控制器（Programmable Computer Controller，PCC）和运动控制卡（Motion Controlling Board）等几项具有代表性的新技术。
2 全闭环交流伺服驱动技术
在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中，交流伺服系统的应用越来越广泛，其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流，而且调试、使用十分简单，因而被受青睐。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器（Digital Signal Processor， DSP），可以对电机轴后端部的光电编码器进行位置采样，在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统，并充分发挥DSP的高速运算能力，自动完成整个伺服系统的增益调节，甚至可以跟踪负载变化，实时调节系统增益；有的驱动器还具有快速傅立叶变换（FFT）的功能，测算出设备的机械共振点，并通过陷波滤波方式消除机械共振。
一般情况下，这种数字式交流伺服系统大多工作在半闭环的控制方式，即伺服电机上的编码器反馈既作速度环，也作位置环。这种控制方式对于传动链上的间隙及误差不能克服或补偿。为了获得更高的控制精度，应在最终的运动部分安装高精度的检测元件（如：光栅尺、光电编码器等），即实现全闭环控制。比较传统的全闭环控制方法是：伺服系统只接受速度指令，完成速度环的控制，位置环的控制由上位控制器来完成（大多数全闭环的机床数控系统就是这样）。这样大大增加了上位控制器的难度，也限制了伺服系统的推广。目前，国外已出现了一种更完善、可以实现更高精度的全闭环数字式伺服系统 ， 使得高精度自动化设备的实现更为容易。其控制原理如图1所示。
该系统克服了上述半闭环控制系统的缺陷，伺服驱动器可以直接采样装在最后一级机械运动部件上的位置反馈元件(如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等)，作为位置环，而电机上的编码器反馈此时仅作为速度环。这样伺服系统就可以消除机械传动上存在的间隙（如齿轮间隙、丝杠间隙等），补偿机械传动件的制造误差（如丝杠螺距误差等），实现真正的全闭环位置控制功能，获得较高的定位精度。而且这种全闭环控制均由伺服驱动器来完成，无需增加上位控制器的负担，因而越来越多的行业在其自动化设备的改造和研制中，开始采用这种伺服系统。
3 直线电机驱动技术
直线电机在机床进给伺服系统中的应用，近几年来已在世界机床行业得到重视，并在西欧工业发达地区掀起"直线电机热"。
在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因而这种传动方式又被称为"零传动"。正是由于这种"零传动"方式，带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。
1. 高速响应 由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件（如丝杠等），使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。
2. 精度 直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差，减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高机床的定位精度。
3. 动刚度高 由于"直接驱动"，避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时也提高了其传动刚度。
4. 速度快、加减速过程短 由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车（时速可达500Km/h），所以用在机床进给驱动中，要满足其超高速切削的最大进个速度（要求达60～100M/min或更高）当然是没有问题的。也由于上述"零传动"的高速响应性，使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度，一般可达2～10g（g=9.8m/s2），而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1～0.5g。
5. 行程长度不受限制 在导轨上通过串联直线电机，就可以无限延长其行程长度。
6. 运动动安静、噪音低 由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。
7. 效率高 由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，传动效率大大提高。
直线传动电机的发展也越来越快，在运动控制行业中倍受重视。在国外工业运动控制相对发达的国家已开始推广使用相应的产品，其中美国科尔摩根公司（Kollmorgen）的 PLATINNM DDL系列直线电机和SERVOSTAR CD系列数字伺服放大器构成一种典型的直线永磁伺服系统，它能提供很高的动态响应速度和加速度、极高的刚度、较高的定位精度和平滑的无差运动；德国西门子公司、日本三井精机公司、台湾上银科技公司等也开始在其产品中应用直线电机。
4 可编程计算机控制器技术
自20世纪60年代末美国第一台可编程序控制器（Programming Logical Controller，PLC）问世以来，PLC控制技术已走过了30年的发展历程，尤其是随着近代计算机技术和微电子技术的发展，它已在软硬件技术方面远远走出了当初的"顺序控制"的雏形阶段。可编程计算机控制器（PCC）就是代表这一发展趋势的新一代可编程控制器。
与传统的PLC相比较，PCC最大的特点在于它类似于大型计算机的分时多任务操作系统和多样化的应用软件的设计。传统的PLC大多采用单任务的时钟扫描或监控程序来处理程序本身的逻辑运算指令和外部的I/O通道的状态采集与刷新。这样处理方式直接导致了PLC的"控制速度"依赖于应用程序的大小，这一结果无疑是同I/O通道中高实时性的控制要求相违背的。PCC的系统软件完美地解决了这一问题，它采用分时多任务机制构筑其应用软件的运行平台，这样应用程序的运行周期则与程序长短无关，而是由操作系统的循环周期决定。由此，它将应用程序的扫描周期同外部的控制周期区别开来，满足了实时控制的要求。当然，这种控制周期可以在CPU运算能力允许的前提下，按照用户的实际要求，任意修改。
基于这样的操作系统，PCC的应用程序由多任务模块构成，给工程项目应用软件的开发带来很大的便利。因为这样可以方便地按照控制项目中各部分不同的功能要求，如运动控制、数据采集、报警、PID调节运算、通信控制等，分别编制出控制程序模块（任务），这些模块既独立运行，数据间又保持一定的相互关联，这些模块经过分步骤的独立编制和调试之后，可一同下载至PCC的CPU中，在多任务操作系统的调度管理下并行运行，共同实现项目的控制要求。
PCC在工业控制中强大的功能优势，体现了可编程控制器与工业控制计算机及DCS（分布式工业控制系统）技术互相融合的发展潮流，虽然这还是一项较为年轻的技术，但在其越来越多的应用领域中，它正日益显示出不可低估的发展潜力。
5 运动控制卡
运动控制卡是一种基于工业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。它的出现主要是因为：（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。
这种运动控制模式在国外自动化设备的控制系统中比较流行，运动控制卡也形成了一个独立的专门行业，具有代表性的产品有美国的PMAC、PARKER等运动控制卡。在国内相应的产品也已出现，如成都步进机电有限公司的DMC300系列卡已成功地应用于数控打孔机、汽车部件性能试验台等多种自动化设备上。
[关键词]DSP；FPGA；运动控制技术
前言
在工业发展的过程中，制造业起着基础性的作用，制造业的发展依赖于制造技术，传统的制造业中，代表性的为传统机电工业，不过在制造业发展的过程中，传统机电工业也发生了巨大的变化，产品结构和生产系统结构都发生了深刻的变革，在变化的过程中，应用了先进的制造技术，这其中就包含数控技术，在对数控技术进行控制时，应用了DSP以及FPGA。
一、DSP和FPGA在运动控制中应用的意义
（一）DSP应用的意义
DSP是指实时数字信号处理技术，数字信号处理器是其核心和标志，在对数字信号进行处理时，精度高、灵活性强、可靠性高[1]。随着现代制造技术的发展，数控系统所面临的要求越来越高，不仅要具备非常好的运行速度，同时还需要具备非常高的精度，运动控制的主要目的就是保证高精度以及高速度。在DSP中，对组总线的哈佛结构是其所特有的，由此一来，在进行数据处理时，指令和速度同时进行，从而显著的提升了处理的速度，将DSP技术应用到运动控制中之后，可以显著的提升控制的效果，满足数控系统的控制要求，在运动控制技术未来的发展中，DSP技术将成为必然的应用趋势。
（二）FPGA应用的意义
FPGA是指现场可编程逻辑门列阵，是一种可编程的ASIC，当需要进行RAM、EPROM编程的增加时，可以选择外加，也可以选择内置，FPGA具备比较好的实时性，除了增加编程之外，器件功能的改变、现场编程、在线配置等都可以实现实时性，在进行科学实验或者是小批量生产时，FPGA是最为适合的选择[2]。在运动控制发展的过程中，电路规模不断地扩大，这使得电路设计师的设计难度增加，为了很好地进行设计，就需要进行科学的硬件仿真，而硬件仿真则可以通过FPGA来实现，应用FPGA之后，电路设计师在进行设计时，其逻辑和性能指标的测试具备非常强的直观性，提升了设计的科学性，增强了运动控制的效果。
二、基于DSP和FPGA的运动控制技术方案
（一）设计目标
在运动控制技术中，通过DSP和FPGA技术的应用，设计出完善的运动控制卡，对数控系统进行有效地控制。在进行运动控制卡设计时，主要的控制方式是对开环或半闭环进行控制。在整个运动系统中，主控单元为运动控制卡，需要实现三大功能，一是将主机发出的运动指令进行全面的接收，同时，将运行的状态反馈给主机；二是在接收到相应的指令之后，展开运动控制工作，控制的对象为4轴电机；三是在运动的过程中，与其有关联的信号主要两种，一种为外部I/O信号，另一种为通用I/O信号，在对着两种信号进行处理时，采用并行处理的办法。
（二）总体结构
运动控制卡是在DSP和FPGA的基础上来进行设计的，而DSP和FPGA以芯片的方式应用到运动控制卡中[3]。为了实现程序和数据的存储，Flash和SRAM设置在DSP的周围，数量为多个，在每两个Flash和SRAM之间，片选信号CS是共用的，这样一来，在进行读写时，数据总线为高低双字32位，显著的提升了访问的速度。在对下载的程序进行存储时，通过在FPGA处配置EPROM来实现。在进行DSP和FPGA器件选择时，要保证能耗比较低，同时电压也要比较低。
（三）板卡地址空间的分配
在DSP中，数据总线的数量为32根，地址总线的数量为24根，在最高位置处，地址总线有2根，据此，将DSP地址空间划分为四页。在进行译码电路的实现时，使用了FPGA，在其内部来实现，对于每个轴来说，与单独用于运动控制功能的专用控制电路是比较相似的，选择的定时器为32位计数器，在进行计数时，实现对系统时钟来进行。在进行模拟通道时，总共有四路，每路所具备的功能都是一致的，在对模拟输出信号进行控制，单独一路就可以实现。
（四）板卡芯片型号的选择
运动控制板卡中的芯片为DSP和FPGA，在进行DSP型号选择时，需要考虑多个方面的因素，比如信号处理的实时性、信号处理的速度、高运算精度、开发成本等，最终确定选择的DSP为TMS320VC33型号；而在选择FPGA型号时，综合考虑的因素包含器件资源、供电电压等，最终选择了XC2S300E型号。
结论
运动控制技术上现代制造业发展中应用的主要技术，通过运动控制技术，有效的实现数控系统的控制，提升工业生产的效率，促进制造业的发展。随着运动控制技术的发展，应用了DSP和FPGA，在DSP和FPGA的基础上设计了比较完善的运动控制板卡，从而有效的提升了控制的结果。当前的DSP和FPGA应用的还不完善，还需要加大研究的力度。
参考文献
[1]吴，皮佑国.基于DSP和FPGA的运动控制器的设计与实现[J].组合机床与自动化加工技术，2011，（02）：75-77+82.
【关键词】三轮全向机器人 运动控制 轨迹跟踪 无刷直流电机
一、背景
三轮全向移动机器人以其全方位的移动方式在工业、医药等领域有着普遍的应用，其运动的相关特性和控制技术也日臻完善。本文从削减硬件电路的角度出发，仅靠简单的比例控制使其运动特性及轨迹跟踪获得良好效果。
二、原理介绍
（一）三轮全向移动机器人模型
三轮全向移动机器人其驱动轮由三个全向轮组成，径向对称安装，各轮互成120°角，滚柱垂直于各主轮。三个全向轮的大小和质量完全相同，而且由性能相同的电机驱动。
（二）三轮全向移动机器人运动学模型
（三）三轮全向移动机器人运动系统控制：
图 2基于运动学模型的分层控制框图
图2所示的是机器人运动学模型的分层控制系统框架，主要是分为上下两层分别是机器人运动学模型的运动控制以及驱动电机转速控制。上层主要是对机器人运动学控制器转达机器人相关的速度、基本信息的考虑，所以一般而言它是不需要考虑动力学特征的，下层的驱动电机转速控制相对上层控制器是透明的。在模块开发上面这两层是可以区别开来的，可以分别进行开发，这样就可以运用模块的形式进行开发，有利于节省时间提高效率，同时一定程度上也提高机器的整体的状态，减轻设计难度，有利于控制算法的更新。
三、模型建立
（一）电机转速模型和输入曲线生成模型的建立
在进行控制器设计之前，首先要对电机建模，这里选用的是瑞士的MAXON公司的无刷直流电机EC-4pole 30（ order number 305014）。
1.无刷直流电机的数学模型，其等效电路如图3所示：
图3 无刷直流电机等效电路图
三相（无中线）无刷直流电机的瞬态电压方程：
然后根据无刷直流电机的特性可以得出以下三个方程：
电压方程：
转矩方程：
运动方程：
2.Matlab的建模实现
Matlab的建模实际上就是以上公式得仿真实现，根据模块化建模思想，将控制系统分割为各个功能独立的子模块，主要包括：电机本体模块、反电动势构造模块、逻辑换相模块。
3.无刷直流电机仿真模型的验证
（二）运动学模块的建立
（三）机器人运动图像的输出
（四）控制器的设计
在设计控制器时我们没有考虑底层控制器，直接由控制器产生电压的信号输出。在实际应用中由于底层控制器与驱动电机的电路相连，底层控制器往往会因为电机的过载等情况而烧毁。本文模型跳过底层控制器，直接采用比例控制的方法对电机进行控制。
以下是完整的simulink控制框图：
参考文献：
关键词：直线电机；控制器；运动控制
随着计算机技术、电子电力技术和传感器技术的发展，机电一体化技术已越来越受到各方面的关注，它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。
一、交流伺服驱动
在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中，交流伺服系统的应用越来越广泛，其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流，而且调试、使用十分简单，因而倍受青睐。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP），可以对电机轴后端部的光电编码器进行位置采样，在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统，并充分发挥DSP的高速运算能力，自动完成整个伺服系统的增益调节，甚至可以跟踪负载变化，实时调节系统增益；有的驱动器还具有快速傅立叶变换（FFT）的功能，测算出设备的机械共振点，并通过陷波滤波方式消除机械共振。
该系统克服了上述半闭环控制系统的缺陷，伺服驱动器可以直接采样装在最后一级机械运动部件上的位置反馈元件（如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等），作为位置环，而电机上的编码器反馈此时仅作为速度环。这样伺服系统就可以消除机械传动上存在的间隙，补偿机械传动件的制造误差，实现真正的全闭环位置控制功能，获得较高的定位精度。而且这种全闭环控制均由伺服驱动器来完成，无需增加上位控制器的负担，因而越来越多的行业在其自动化设备的改造和研制中，开始采用这种伺服系统。
二、直线电机驱动
在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因而这种传动方式又被称为“零传动”，它具有原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。
1、高速响应。由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件（如丝杠等），使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高。
2、精度。直线驱动系统取消了因丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差，减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差，提高了机床的定位精度。
3、动刚度高。由于“直接驱动”，避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时也提高了其传动刚度。
4、速度快。由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车（时速可达500Km/h），所以用在机床进给驱动中，要满足其超高速切削的最大进个速度（要求达60～100M/min或更高）当然是没有问题的。也由于上述“零传动”的高速响应性，使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度，一般可达2～10g（g=9.8m/s2），而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1～0.5g。
5、行程长度不受限制。在导轨上通过串联直线电机，就可以无限延长其行程长度。
6、运动动安静、噪音低。由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。
7、效率高。由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，传动效率大大提高。
三、计算机控制器
与传统的PLC相比较，PCC最大的特点在于它类似于大型计算机的分时多任务操作系统和多样化的应用软件的设计。传统的PLC大多采用单任务的时钟扫描或监控程序来处理程序本身的逻辑运算指令和外部的I/O通道的状态采集与刷新。这样处理方式直接导致了PLC的“控制速度”依赖于应用程序的大小，这一结果无疑是同I/O通道中高实时性的控制要求相违背的。PCC的系统软件完美地解决了这一问题，它采用分时多任务机制构筑其应用软件的运行平台，这样应用程序的运行周期则与程序长短无关，而是由操作系统的循环周期决定。由此，它将应用程序的扫描周期同外部的控制周期区别开来，满足了实时控制的要求。当然，这种控制周期可以在CPU运算能力允许的前提下，按照用户的实际要求，任意修改。
基于这样的操作系统，PCC的应用程序由多任务模块构成，给工程项目应用软件的开发带来很大的便利。因为这样可以方便地按照控制项目中各部分不同的功能要求，如运动控制、数据采集、报警、PID调节运算、通信控制等，分别编制出控制程序模块（任务），这些模块既独立运行，数据间又保持一定的相互关联，这些模块经过分步骤的独立编制和调试之后，可一同下载至PCC的CPU中，在多任务操作系统的调度管理下并行运行，共同实现项目的控制要求。
四、运动控制卡
运动控制卡是一种基于工业PC机、用于各种运动控制场合的上位控制单元。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。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；控制卡完成运动控制的所有细节。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。
1远程控制系统模型设计
1．1远程控制系统网络架构随着Internet技术的不断发展，互联网应用范围日益广泛，并且互联网的安全性问题、数据传输的实时性问题也得到了很好的解决，使得各种不同的信号都能保质保量地在互联网上传送。再者，现在数控设备的可控性、开放性越来越好，可以用不同的方式来控制设备的运作。本系统的网络体系结构如图2所示。系统采用B/S(浏览器/服务器)网络模式。服务器采用Windows系统自带的IIS服务器。远程控制客户端由浏览器组成，它们负责与运动控制卡的数据接口，并将参数按一定的协议通过网络传递给后端的服务器进行处理。服务器端有专门处理控制参数的服务程序，服务程序根据控制参数调用动态链接库驱动设备运动。同时服务器端根据服务程序从运动控制卡取得设备的各种状态参数并反馈到客户端，因此客户端能很方便地采集数据和监测设备。
1．2系统工作流程用户在浏览器中输入Web服务器的地址，Web服务器将用Flash制作的控制台用浏览器的形式显示到客户端，客户端根据XML配置文件连接到执行服务器。用户设定好所需参数后提交给应用服务器，应用服务器直接和客户端浏览器建立连接，将运动控制器状态参数传送到浏览器中。当用户发送运动命令时，执行服务器将加工任务映射为运动控制器的数控内核API进行调用，驱动运动控制器实现用户所设定的运动。
2Web远程控制系统的软件设计
2．1远程数据传送技术Internet环境下的“WWW”以“请求－响应”的方式进行工作。客户端浏览器只有不断地向Web服务器发送请求，才能进行数据更新，因而具有被动性和滞后性，无法及时获取远程设备的实时状态信息，而且当网页中仅有部分数据发生了变化，Web服务器也必须重新发送整张网页，加重了Web服务器的负担，降低了数据传输的效率。为此，必须引入数据传送技术，以实现客户端浏览器中网页的自动局部更新。引入数据传送技术后，当远程设备的数据发生变化时或者按照一定的采样周期，服务器可主动向客户端浏览器发送以XML格式封装的仅包含远程设备状态信息的数据，客户端浏览器根据所接收到的数据对网页进行局部更新。
2．2用户端程序设计用户端程序主要是开发Web嵌入式数据接收程序，采用兼容性、跨平台性好的FlashApplication嵌入网页中来实现数据的传送和接收。Flash中内建的XMLSocket对象允许基于FlashApplication的客户端数据接收程序与远程设备上的数据推送程序之间建立基于Socket的连接，并通过该连接进行双向的无限制数据交换。FlashApplication在客户端浏览器中通过XML-Socket向远程设备上的数据推送程序发出连接请求，在与远程设备上的数据推送程序建立连接后，FlashApplication就能够自动接收来自远程设备以XML格式封装的数据，并从中分析出所需信息来刷新浏览器中的网页。当用户提交控制参数后，必须对用户的参数进行XML封装，再传到服务程序中解析。图4是软件的登录界面，登录后可以实现对设备的简单控制以及对各轴运动进行监测。
2．3服务器端程序设计服务器端的程序用C#编写，主要实现以下功能:a．建立线程监听和处理用户端的请求。b．接收和解析客户端传送过来的参数，并根据参数调用动态链接库函数驱动设备运转。c．当驱动设备工作后，启动监测线程，监测机器各轴的状态，并把状态、限位等状态参数封装传送到客户端。用户打开浏览器对机器进行远程操作时，服务程序创建一个缓冲区用来接收用户封装的数据，然后取得封装数据首节点的第一个子级，通过节点关系可以一级级地解析出子节点的内容。所有的请求数据都采用这种解析的方法处理。服务程序不断地从设备中取得状态参数，并把参数封装传送到用户浏览器端。由于采用了XML数据封装与解析技术，避免了客户端网页无休止地刷新。
3实现对终端设备的远程控制
在深圳地铁公司运营总部综合监控实验室，运行远程控制系统的客户端程序，通过Internet网络成功实现对快速成形机各轴的移动控制及坐标位置反馈。
4结束语
【关键词】两轮自平衡小车；PID控制；平衡控制；运动控制；控制算法
1.引言
两轮自平衡小车是一种典型的欠驱动系统（underactuated system）、非完整系统（nonholonomic system）。其核心问题是对小车的平衡控制和运动控制，其中两轮自平衡小车的姿态平衡控制类似于倒立摆的平衡问题，所不同的是两轮自平衡小车可以在二维甚至三维空间内运动。两轮自平衡小车不仅需要始终保持车身的直立，还需要在保持直立的同时在二维甚至三维空间内运动。
两轮自平衡小车有4个自由度：2个平面支撑运动自由度，2个姿态角运动自由度。然而其中只有2个平面支撑运动自由度，即左轮和右轮可以驱动。
对于两轮自平衡小车，姿态平衡控制可以通过改变左轮和右轮的运动速度和运动方向来控制的。当小车的车身发生倾斜时，左右电机产生相应的力矩来调节左右两轮运动速度和运动方向，使小车恢复平衡直立的状态。小车的运动轨迹控制则是通过调整行进速度和行进方向来控制的。两轮自平衡小车的行进速度是左轮线速度和右轮线速度的平均值，也是通过左右电机产生的力矩来调节。行进方向则需要左轮和右轮的差动来调节，即对左轮和右轮施加不同的作用力矩，以产生不同的运动速度，从而实现两轮自平衡小车航向的控制。
PID控制算法是一种应用广泛、使用简单有效的经典的自动控制算法，两轮自平衡小车的平衡控制和运动控制都可以采用PID控制策略。在1997年，日本的Hiraoka和Noritsugu研究出一种采用PID算法控制速度和位置的两轮平行小车[1]。实际上，大多数的两轮自平衡小车都是在运动平衡控制实验的最初阶段选用PID控制策略[2]，之后才进一步研究其他的控制策略，包括各种智能控制，各种变形的PID控制策略。
2.控制结构
两轮自平衡小车的运动平衡控制包含两个方面：平衡控制，运动控制。
平衡控制问题是两轮自平衡小车控制问题中首要的问题，也是最主要的矛盾。保持姿态的平衡需要通过驱动电机及其伺服控制实现。
运动控制是在车体保持姿态平衡的状态下执行各种机动动作，其基本的原理是对行进速度和行进方向的控制。
两轮自平衡小车的运动平衡控制回路如图1所示，图中的符号和参数参照表1定义。
3.平衡控制
两轮自平衡小车的最首要目标是使小车的车体始终保持直立状态，即使车体的俯仰角保持在期望值附近。通常情况下，假定两轮自平衡小车车体质心位于车体坐标的几何中轴之上，期望俯仰角0，于是采用线性PD控制算法为：
在两轮自平衡小车的平衡控制环节中，选择PD控制而不是PID控制的原因有以下两点：
（1）两轮自平衡小车运动时的姿态检测信号中不可避免的混杂着较大的噪声信号，积分（I）环节会将这些噪声信号由随着时间不断地累积，这样积分器便失去消除静差的调节功能并产生控制误差；
（2）两轮自平衡小车的车轮与地面的摩擦会产生阻尼作用，而这种阻尼作用能够抵消机器人姿态倾角的静差的持续增加。
在适当的增益系数下，线性PD控制器可以实现两轮自平衡小车的姿态平衡控制，但是仍然存在2个不足：
（1）电机损耗和能耗大，鲁棒性低；
（2）在平衡点=0的邻域内容易出现自激或者振荡。
为了在一定程度上弥补线性PD控制器的不足，可以使用非线性PD控制代替线性PD控制，这同时还能使控制器有较为明确的物理意义。
根据控制机理的不同，非线性PID控制器可分为两大类[3]：直接控制型（direct-action）和增益调整型（gain-scheduling）。但是两类非线性PID控制器的作用对象不同，直接控制型是对控制分量的非线性控制量进行直接设计，而增益调整型是对增益参数的非线性控制进行规划调整。
式中，、为控制量输入信号；为控制响应误差信号；为非线性函数的自变量向量；为非线性函数的自变量；、、分别为比例、积分、微分三个非线性分量函数；、、分别为比例、积分、微分三个非线性增益函数。
式（2）中非线性函数、、包含以下非线性特征被控制原理所证实[4]：
（1）比例控制分量可以为误差信号的连续并且单调递增的非线性函数；
（2）当误差信号=0时，有=0，表明误差为零值时，比例控制分量也为零值；
（3）当误差信号=max（）时，有=max（），表明最大误差对应着最大比例分量输出。
而且可以比其他函数对象保留更加简单的非线性几何特征，从而简化了非线性控制器的设计。
基于以上分析，可以构造用于两轮自平衡小车姿态平衡控制的非线性PD控制算法：
这里，为非线性比例环节参数，适当地选定参数和值，使控制量||较小时的斜率较小，在||较大时的斜率较大；选较大的值，特别是当高频噪声严重时，应该适当地拓宽（-）空间。其中，是非线性微分环节参数。
和依据两轮自平衡小车的动力模型选取。
在刚性的两轮自平衡小车的动力学模型中，系统参数如表2所示。
若只考虑倾角变化，动力学方程为：
在式（8）中，当、、为期望输入，为输出时，式（8）为两轮自平衡小车在只考虑姿态倾角的情况下的动力学逆模型。
将式（8）与式（4）（即非线性PD控制器）进行对比可以发现，二者在表达形式上十分接近。对于式（8），如果忽略二阶项，并用近似cos，则式（8）与式（4）在表达形式上是统一的。由此可以认为，式（4）所描述的非线性PD控制器是两轮自平衡小车在只考虑姿态倾角的情形下的近似逆模型。这种近似性表明，非线性PD控制器含有两轮自平衡小车部分非线性特性。根据非线性控制的逆系统方法[5]，这种近似性使控制器在控制时能够对小车的非线性特性进行补偿，从而有利于提高控制系统的性能。
4.运动控制
两轮自平衡小车在保持姿态平衡的同时，还需要执行各种机动动作。两轮自平衡小车的运动控制问题就是对小车行进速度和行进方向的控制。
由两轮自平衡小车运动学模型可知，两轮自平衡小车的行进速度和行进方向与左轮转速和右轮转速存在约束关系：
两轮自平衡小车的行进速度和行进方向均可采用PID算法控制。
4.1 行进速度的控制
两轮自平衡小车的行进速度是其左轮线速度与右轮线速度的平均值，即：
两轮自平衡小车的行进速度的控制仍然可采用PID控制：
式中，是实际行进速度与期望行进速度的差。
这里比例项>0，是正反馈，用于调节小车的行进速度；积分项，也是正反馈，作用在于累积位移差形成的位移势能，这种位移势能既能够消除静差，又能够保障小车在复杂路面行进时保持行进速度平稳；微分项，是负反馈，可以消除系统的自激和振荡。
在两轮自平衡小车的行进速度控制器中，比例项起主导作用，其次是积分项，因此，行进速度的控制器是一个正反馈回路。
4.2 行进方向的控制
两轮自平衡小车的行进方向是依靠左轮和右轮的差动实现。
两轮自平衡小车的轮系差动系统如图2所示。由图2可知，式（4）获得的姿态平衡控制信号与式（8）获得的行进速度控制信号叠加后被分配至左电机和右电机。左电机和右电机分配到的控制量取决于差动系数。
差动系数用于两轮自平衡小车左右轮速度和的差动控制，使：
差动系数，需要通过期望航向或者期望偏航速度进行换算。显然，，当差动系数，左右轮速度相等，小车沿直线行进。当差动系数时，左轮静止，两轮自平衡小车右轮绕左轮旋转；当差动系数时，右轮静止，两轮自平衡小车左轮绕右轮旋转。
控制信号的差动分配使两轮自平衡小车左轮和右轮能以不同的速度运动，从而可以实现两轮自平衡小车行进方向控制和调节。
如图2所示，在两轮自平衡小车轮系差动系统引入PID反馈环节：
因为在实际的运动过程中，由于系统本身的抖动、路面复杂程度等多种外界因素的影响，小车可能会偏离期望的航向和轨迹。在运动控制中引入PID反馈环节可以克服外部干扰，使小车系统行进速度和行进方向更加稳定。
5.结语
本文针对两轮自平衡小车的核心问题——运动平衡控制问题进行了研究，通过分别对平衡控制和运动控制进行分析，设计构造出非线性PD控制算法和PID差动控制结构，提出了针对两轮自平衡小车的平衡控制和行进控制的新策略，提高了两轮自平衡小车的控制效果。
参考文献
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[5]李春文，冯元琨.多变量非线性控制的逆系统方法[M].北京：清华大学出版社，1991.
关键词:SIMOTION 运动控制 轴(axis)
中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)05(c)-0028-01
最先机的机器必须不断地满足更高的要求,必须应对高产品质量、循环率不断提高的最高程度的生产能力和最低寿命周期成本等挑战。不仅如此,还必须处理各类人物,控制更多的轴,必须硬度更短的创新周期,跟上快速变化的市场需求步伐。应对所有这些挑战的解决方案已经集成为宜个运行控制系统—— SIMOTION。
SIMOTION作为专业的运动控制器,能够灵活地运用于各种对运动控制性能要求比较高的场合。它不仅具有PLC的逻辑处理能力,还能够实现从定位到电子凸轮同步以及路径插补的复杂的运动控制,此外针对诸如温度控制等特殊的工艺功能提供了专门的工艺包,非常方便用户的使用。 SIMOTION基于三种硬件平台:基于pannel的Simotion P、基于Controler的Simotion C和基于Drive的Simotion D。用户可以根据自己的需要灵活选用,同步,更多的轴数,更快速,更精确,更复杂的运动,模块化。
对SIMOTION来说运动控制和技术功能采用“面向对象技术”实现;SIMOTION功能可以用在自动化构架的不同层次并且可以实现分布配置,具有灵活的拓扑结构。SIMOTION系统的特有的运动控制图表编程(MCC)使整个运动系统控制更直观、更便捷。
SIMOTION系统和伺服驱动器使用PROFIdrive协议通过PROFIBUS DP或PROFINET实现同步。SIMOTION在汽车行业领域中应用也极为广泛。以商务汽车减震设备激光焊接系统为例说明其实现的功能。
在汽车减震设备的激光焊接中要求实现全自动焊接,精度和强度要求达到生产设备指标。要求实现产品焊接件从装配到焊接完成全部是自动控制实现;并且在焊接期间要求对安全和设备的定位要求非常精准。传输设备也是有SIMOTION系统来完成控制。操作方面可以通过人机界面(hmi)触摸屏系统反应和控制系统的运行。
SIMOTION系统的控制主要包括两部分控制:运动控制,开关/模拟量输入、输出控制。
1 运动系统控制
1.1 SIMOTION轴(axis)配置部分
在这个项目中,要想实现对轴的运动控制必须要对轴的参数进行设置。轴(axis)的硬件报文设置对于轴的运动来说是很关键的;通过对轴(axis)的控制方式(速度控制、位置方式和同步操作方式),模态轴的选择和编码器参数的设定来完成一个轴的配置。同样可以完成其他轴的配置。
注意:在使用调试好的轴之前一定要使用“Control panel”来调试相应的轴。以确保配置好的轴可用。
1.2 SIMOTION运动控制程序部分
在程序的编写部分要想要轴能按照程序动作,轴的使能(PowerAxis)、轴的会零点控制(HomeAxis)、轴的点动运行控制(Jog)、轴的绝对定位和相对定位运行控制(Move)和故障处理(Fault)的程序一定要编写。
对于“poweraxis”程序中插入一条“轴使能命令”,当“axisenable”为“True”时,“Axis_Blue”轴使能。
同样的方法可以建立轴的会零点控制(HomeAxis)、轴的点动运行控制(Jog)、轴的绝对定位和相对定位运行控制(Move)。
将程序分配到程序执行系统“Back groundTask”中,确保每个循环都能扫描到轴的使能(PowerAxis)、轴的会零点控制(HomeAxis)、轴的点、运行控制(Jog)、轴的绝对定位和相对定位运行控制(Move)的程序。将错误处理程序分配到相应的错误任务中,如“techologicalFaultTask”和“pereipherl FaultTask”;避免程序出错停机。
这样运动控制的准备工作完成。运行控制的控制程序可以通过ST、LAD和MCC语言编制。由于MCC语言编制的运动控制程序直观和便捷,这里用MCC语言来做的控制程序。
使用MCC,实现简便的图形化编程,通过直观的MCC(运动控制图)用户提示功能,即使是最复杂的运动功能也可以轻松的编制,采用流程图,清晰、透明地先生机器顺序;除了运动指令意外,还实际有I/O访问指令、逻辑和算术运算指令、子程序调用指令,甚至还有程序流控制指令符。
通过这样的驱动运行程序地编制能实现轴的运行速度和位置的控制,通过具体的编制实现整个系统各个轴之间的联动,实现工程要求的动作。并且SIMOTIN内部可以实现CAM、PATH功能实现几轴联动,可以实现机床和轴驱动设备的定位空间内动作。
2 开关/模拟量输入、输出控制
SIMOTIO本身控制器带有的I/O点不是很多,但是它的优势在于可以通过PROFIBUS和PROFINET连接分布I/O(如ET200)。SIMOTION可以通过PROFIBUS、PROFINET或以太网连接SIMATICH HMI装置,实现状态的显示和上位操作控制。通过总线方式可以实现远距离控制。
通过SIMOTION内的LAD/ST程序编制来实现外部的气阀、传感器、安全信号和辊道系统的控制,实现设备和运行控制部分完美结合。
通过这样运动控制和I/O设备的控制实现整个系统能够按照要求保证持续的运行,并且这样的设计在维护和后期查找问题期间,更简洁和方便。
关键词：运动控制 数据采集 动态链接库 轮式移动机器人
中图分类号：TB47 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）01（b）-0001-02
近些年来，移动机器人的运动控制已经成为机器人学领域的研究热点之一。机器人学是一门具有强综合性的前沿学科，设计人员不仅需要具备交叉学科的基础理论知识，同时还需要有相关的技术能力。如何降低机器人系统开发的技术门槛和缩短开发周期，将更多精力集中在理论研究上，已经成为当今机器人领域的一个现实问题。
文献[1]针对管道机器人的运动控制需要提出一种基于ARM+FPGA测量控制方案，具体做法是在ARM上完成运动控制算法的计算和数据存储，利用FPGA完成7通道编码器的采样，该测控系统的优势在于极大减少了系统外部走线和简化了结构。LEGOMindstormsNXT[2]也提供了基于ARM解决方案的机器人测控系统，其最大特点是传感器接口丰富。文献[3]基于虚拟仪器技术建立了一套管道焊接机器人运动控制平台，具体做法是使用NI-DAQ实时采集机器人状态信息并同时向运动控制模块发送控制命令，采用这种测控的最大优势是在软件上集成度较高，方便操作。本文以轮式移动机器人为对象提出一种简单便于组建的测量控制方案，其优点在于采用pmac上位机程序的同时，极大地降低了程序的开发难度，并提高了系统运行的可靠性。
1 总体方案设计
移动机器人测控系统由控制模块、数据感知与采集模块、指令与数据分析处理模块构成。指令与数据分析处理模控制程序流程的控制，数据的分析处理与保存。数据感知与采集模块负责采集感知和获取移动机器人的状态信息和电机的输出信号，并通过USB总线将数据送给指令与数据分析处理模块。控制模块主要由运动控制器和执行器构成，该模块主要功能有二点：第一，负责运动指令的编译、解释和执行；第二，驱动执行器按设定的轨迹运动，即产生所需要的控制输入。
2 测量控制系统
轮式移动机器人测控系统需要完成以下任务：在指定的时间内，驱动移动机器人从初始位形运动到终止位形，实时采集机器人和执行器的状态信息，并将最终的数据处理结果显示到计算机的屏幕上。
2.1 硬件结构
轮式移动机器人测控系统依据上下位机形式组建，如图3所示，计算机作为上位机实现人机交互功能，运动控制指令和数据采集程序的编写，完成数据的分析和处理。下位机由控制模块和数据感知与获取模块构成，主要负责对程序的编译、解释和执行；物理信息的感知和获取。
测控系统的二个交流步进电机，选用容量为400 W的德昌步进电机，伺服方式采用脉冲方向和电压控制方式，根据步进电机的控制方式，运动控制器采用Delta-Tau公司的turbopmacⅡ型卡，它采用MotorolaDSP56001数字信号处理器作为CPU，对不同电动机，PMAC可提供相应的控制信号，并可接收各种检测元件的反馈信号，如测速发电机、旋转变压器、并行数据、编码器、光栅尺等，本系统采用增量编码器作为伺服检测装置，进而检测电机的运动状态，在pmac和步进电机之间形成了精确的位置反馈和速度反馈。机器人的其他位姿信息可以由里程计读出，通过PCI-DAQ采集并送到上位机中处理。
2.2 软件结构
轮式移动机器人测控系统基于LabVIEW环境开发上位机程序，可以很容易地实现数据管理和程序流程控制，但是步进电机的运动控制程序需要在PEWIN32环境下编写。这里就有一个迫切需要解决的问题：即在运动控制的同时，如何有效实时地采集数据，这涉及到数据采集和运动控制编程环境融合的问题。
Delta-Tau针对运动控制提出了两种编程方式，第一种称为运动程序，运动程序在PEWIN32环境下开发，支持G代码或者Delta指定的开发指令，最后下载至pmac上执行，这种编程方式的优点是程序书写简单，编译执行速度快，缺点就是程序开发环境受限。第二种称为上位机程序，具体做法是通过调用Delta提供的PCOMM32.DLL动态链接库文件，实现对turbopmacⅡ型卡的编程，与运动控制程序不同的是，使用上位机程序，运动控制指令是在上位机中编译和运行的。上位机程序的优势是可以实时监控办板卡的状态，可以自定义编程环境，但其缺点也是显而易见的，PCOMM32.DLL库中拥有超过400个函数[4]，这无疑增加了程序开发难度。
本测控系统的运动控制程序采用上位机的编程方式，但做了进一步的改进，系统的软件结构如图4所示。在PEWIN32中编写运动控制程序，下载到pmac的EPROM中，然后LabVIEW中装载PCOMM32.DLL后，指向EPROM中的运动控制程序并执行。上位机同时完成数据采集和程序流程控制。即利用简单的代码编写运动控制程序，上位机调用动态链接库并执行下位机中的运动控制程序。基于图4的软件结构，可以在LabVIEW环境中轻松实现数据采集和运动控制，同时简化了编程难度和降低了程序开发过程中对函数库的依赖，提高运动控制程序运行的效率。
3 结论
本文针对轮式移动机器人提出了一种基于LabVIEW环境开发的测控系统，以这种形式组建的系统极大降低了编程难度，同时提高了系统运行的效率和可靠性，同时可为今后全反馈控制提供技术依据。
参考文献
[1] 陈宏钧，鲁思兆，姜生元，等.管道机器人三轴差速器性能测控系统[J].控制工程，2011，18（1）：123-127.
[2] SEMIA Corp.（2006），LEGO Mindstorms NXT’REME，2006.
