基于PMAC的五軸數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u1495基于PMAC的五軸數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)案例 1218891.1PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡 2109791.1.1PMAC卡的介紹 25291.1.2PAMC卡的功能與優(yōu)點(diǎn) 3187431.1.3PMAC卡的硬件結(jié)構(gòu) 4219231.2基于PAMC卡的控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 6294331.3基于PMAC卡的五軸數(shù)控系統(tǒng)硬件選型 6231891.3.1PMAC卡的分類與選擇 637331.3.2工控機(jī) 7299631.3.3伺服驅(qū)動(dòng)器及電機(jī) 8126671.3.4變頻調(diào)速主軸單元 818251.3.5傳感器 956341.3.6手輪 9265831.4控制系統(tǒng)的連線設(shè)計(jì) 9115511.4.1PMAC卡與伺服驅(qū)動(dòng)器的連線 9190371.4.2PMAC卡與手輪的接線 1048811.4.3急停信號(hào)的設(shè)計(jì) 11310811.4.4PMAC卡的輸入輸出信號(hào) 12230231.4.5變頻器的信號(hào)傳遞 1315601 141.1PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡1.1.1PMAC卡的介紹基于總線DSP處理器的運(yùn)動(dòng)控制卡PMAC全稱為可編程多軸控制器(ProgrammableMulti-AxisController)，是美國DeltaTauDataSystems公司于1990年推出的基于PC機(jī)平臺(tái)的開放式運(yùn)動(dòng)控制器。它取代了先前數(shù)控系統(tǒng)的集成控制芯片，是現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)中最常用的伺服控制系統(tǒng)。控制卡以強(qiáng)大DSP處理器計(jì)算功能為基礎(chǔ)，能完成運(yùn)動(dòng)軌跡控制，插補(bǔ)運(yùn)算，定時(shí)控制和PLC時(shí)序控制等功能。它把工控機(jī)的CPU處理能力和控制卡功能通過總線結(jié)合在一起，使得運(yùn)動(dòng)控制精度提高、速度加快、運(yùn)行也更平穩(wěn)。這種工控機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)成的數(shù)控系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各種制造加工行業(yè)領(lǐng)域中REF_Ref16775\r\h[15]。PMAC采用了摩托羅拉公司的高性能數(shù)字信號(hào)處理器DSP56000(Digitalsignalprocessor)作為CPU，能同時(shí)控制1到8根軸，也可控制同一機(jī)器上的8根軸及他們之間的任意組合。它可以單獨(dú)執(zhí)行存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器內(nèi)的程序，也可以執(zhí)行運(yùn)動(dòng)程序和PLC程序，靈活性高由此可見。還可進(jìn)行以串口、總線兩種方法與上位機(jī)進(jìn)行通信以及伺服環(huán)更新。它可以進(jìn)行實(shí)時(shí)多任務(wù)處理，自動(dòng)對(duì)任務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行判別，是目前功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制卡之一。一臺(tái)PC機(jī)可以最多控制32根軸，也就是說一臺(tái)PC機(jī)上可以同時(shí)插入四塊PMAC卡，還可通過連接擴(kuò)展版來外擴(kuò)128根軸，由此可見PMAC卡功能超級(jí)強(qiáng)大。PMAC的伺服控制的精度已經(jīng)處于同一行列控制卡技術(shù)的前列，它具有頂尖的伺服控制性能。在處理能力方面，PMAC運(yùn)動(dòng)控制器的伺服更新率是一般運(yùn)動(dòng)控制器的5倍以上，達(dá)到20~30MHz，執(zhí)行效率是一般運(yùn)動(dòng)控制器的5倍以上，可以達(dá)到每秒處理500~750個(gè)程序塊，控制精度更高，伺服算法可以達(dá)到9項(xiàng)。PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的輸出位數(shù)為16位、計(jì)算位數(shù)為56位、軌跡更新率可達(dá)500~750Hz；而在輸入帶寬特性上，PMAC運(yùn)動(dòng)控制器是一般運(yùn)動(dòng)控制器的10~15倍，它的串行輸入帶寬高達(dá)10~15MHz,所以在各種類型的數(shù)控機(jī)床、各種類型的機(jī)器人、各種機(jī)床的改造、各種產(chǎn)品的生產(chǎn)線、食品印刷和包裝、衛(wèi)星的定位跟蹤、航天航空、船舶工業(yè)等機(jī)電一體化的工業(yè)生產(chǎn)中。1.1.2PAMC卡的功能與優(yōu)點(diǎn)（1）執(zhí)行PLC程序運(yùn)行運(yùn)動(dòng)程序的順序性使得PMAC卡有能力相互協(xié)調(diào)其他坐標(biāo)系的動(dòng)作來完成一系列的運(yùn)動(dòng)，然而當(dāng)執(zhí)行那些不是用運(yùn)動(dòng)的順序來直接協(xié)調(diào)的動(dòng)作時(shí)，這些程序就無法適合坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)。對(duì)于這種類型的任務(wù)，PMAC會(huì)提供用戶一個(gè)能力--編寫“PLC程序”。PLC的全稱是可編程邏輯控制器，PLC會(huì)在處理器時(shí)間允許的情況下盡可能快的連續(xù)掃描操作,與PMAC卡的工作十分相似。這些程序是非常有用的，對(duì)于那些運(yùn)動(dòng)順序上不同步的任務(wù)來說。（2）執(zhí)行運(yùn)動(dòng)程序PMAC的最顯著的任務(wù)是按照運(yùn)動(dòng)程序中提供的順序執(zhí)行每一個(gè)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)被通知運(yùn)行一個(gè)運(yùn)動(dòng)程序時(shí)，PMAC將運(yùn)行一次執(zhí)行命令的一個(gè)指令，同時(shí)將進(jìn)行該移動(dòng)命令(包括非移動(dòng)的任務(wù)）的所有計(jì)算并完成，準(zhǔn)備好該運(yùn)動(dòng)的實(shí)際執(zhí)行。PMAC板總是在實(shí)際運(yùn)動(dòng)之前工作，如果有特殊要求的話，它會(huì)正確地與即將執(zhí)行的動(dòng)作相調(diào)和。（3）伺服環(huán)更新對(duì)于PMAC的用戶來說，自動(dòng)執(zhí)行的任務(wù)實(shí)質(zhì)上是無法肉眼觀察到的。因此PMAC會(huì)以一個(gè)固定的頻率（通常是2KHz上下）對(duì)每一個(gè)電機(jī)進(jìn)行伺服更新。伺服更新的過程如下描述,首先由運(yùn)動(dòng)程序或者別的運(yùn)動(dòng)命令得到的等式，再根據(jù)這個(gè)等式求得要求的位置增量（如果有需要的話），然后比較得到的位置增量和由反饋傳感器得到的實(shí)際位置,最后在這兩者的差的基礎(chǔ)上發(fā)出一個(gè)輸出命令來使此差值變小，反復(fù)這個(gè)過程，直到此差值令人滿意再結(jié)束。這部分的功能并不需要任何命令，是自動(dòng)產(chǎn)生的。（4）換相更新如果要求PMAC卡給一臺(tái)多相電機(jī)進(jìn)行換相，那么PMAC卡將會(huì)自動(dòng)以一個(gè)固定的頻率（通常是9KHz上下）進(jìn)行換相更新。換相更新，也可以稱作是相位更新，它的過程對(duì)一臺(tái)電機(jī)來講是這樣工作的，測(cè)量并估算（或者要么只有測(cè)量，要么只有估算）電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)方向，然后通過分布在電機(jī)的不同相位的伺服更新來算出命令，最后分配給電機(jī)。跟伺服環(huán)更新一樣，這個(gè)功能并不需要任何的命令，也是自動(dòng)產(chǎn)生。（5）資源管理PMAC會(huì)自動(dòng)的定期實(shí)現(xiàn)資源管理的功能，從而確認(rèn)整個(gè)系統(tǒng)是否處于正常的工作狀態(tài)。這些功能包括看門狗計(jì)時(shí)器的更新，還包括安全檢查功能，例如放大器錯(cuò)誤，隨動(dòng)誤差限制，軟件超行程限制，硬件超行程限制。如果發(fā)生一些硬件或者軟件的故障使一些功能語句無法得到執(zhí)行，那么看門狗計(jì)時(shí)器將會(huì)觸發(fā)，從而關(guān)閉PMAC卡保證安全。（6）與主機(jī)通信PMAC甚至是可以在一個(gè)運(yùn)動(dòng)序列的中間與主機(jī)通信，這是有一些運(yùn)動(dòng)控制卡沒有的能力。PMAC接受一個(gè)命令后，會(huì)采取一個(gè)動(dòng)作——將命令放入一個(gè)程序緩沖區(qū)方便后續(xù)的執(zhí)行，然后提供主機(jī)數(shù)據(jù)以響應(yīng)命令，再開始電機(jī)的移動(dòng)。如果命令是非法的或者說是錯(cuò)誤的，它會(huì)報(bào)錯(cuò)給主機(jī)。（7）任務(wù)優(yōu)先級(jí)為了讓應(yīng)用程序能有效、安全地運(yùn)行，PMAC卡會(huì)按照優(yōu)先級(jí)電路組織任務(wù)，這樣的任務(wù)會(huì)得到最優(yōu)化的處理。在優(yōu)先級(jí)已經(jīng)固定好后，用戶可以控制不同任務(wù)得以執(zhí)行的頻率。1.1.3PMAC卡的硬件結(jié)構(gòu)PMAC卡的CPU提供DAC+10V或脈沖和方向命令輸出四個(gè)通道?？蛇x的通信板提供了額外的I/O端口以及USB或以太網(wǎng)接口，以實(shí)現(xiàn)更快的通信?？蛇x的軸擴(kuò)展板提供了一組四個(gè)附加的伺服通道和I/O端口。選擇的PMAC卡的結(jié)構(gòu)框圖如圖1.1所示。圖1.1PMAC2A-PC104硬件結(jié)構(gòu)圖（1）J1端口它可提供8個(gè)/16個(gè)、電壓范圍0~5V/士1.5V的模擬輸入量，是一個(gè)20芯片的模擬輸入端口。（2）J2端口提供8輸入/8輸出的TTL電平，是一個(gè)26芯多路連接器，通常連接撥檔開關(guān)。（3）J3端口用于一般目的的IO口連接，是一個(gè)40芯片的接線端口，它可以提供32路TTL電平的輸入/輸出。（4）J4端口用于高速通訊及網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，是一個(gè)光纖連接器。（5）J5端口提供RS-232C串行口與外設(shè)進(jìn)行通訊，是一個(gè)串行通訊結(jié)構(gòu)接口。（6）J6端口通過PMAC的附件產(chǎn)品可以控制LED顯示器，是一個(gè)顯示連接器。（7）J7端口可以連接電子手輪，是一個(gè)手搖脈沖發(fā)生器連接器。（8）J8端口由8個(gè)光電編碼器通道提供位置比較信號(hào)，是一個(gè)位置比較接口。（9）J9、J10、J11、J12四個(gè)端口可控制8根伺服軸。其中J9控制軸1、軸2，J10控制軸3、軸4，依此類推。每一個(gè)端口均為100芯，通常它通過扁平電纜與PMAC控制器的附件ACC-8S（相當(dāng)于接線端子）相連，然后再輸出信號(hào)以控制伺服軸REF_Ref10109\r\h[20]。1.2基于PAMC卡的控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)以PMAC卡為控制核心，上位機(jī)是研華IPC-610H工控機(jī)，伺服系統(tǒng)控制軸的運(yùn)動(dòng)并通過PMAC卡附件轉(zhuǎn)接板ACC8S與PMAC卡連接，構(gòu)成半閉環(huán)控制。傳感器等輔助I/O信號(hào)通過PMAC卡附件ACC34AI/O擴(kuò)展版與PAMC連接?？刂葡到y(tǒng)原理圖如圖1.2所示。圖1.2控制系統(tǒng)原理圖1.3基于PMAC卡的五軸數(shù)控系統(tǒng)硬件選型1.3.1PMAC卡的分類與選擇（1）PMAC卡按控制電機(jī)的控制信號(hào)不同分有1型卡和2型卡。1型卡控制信號(hào)為土10V模擬量，主要用速度方式控制伺服電。2型卡則輸出PWM數(shù)字量信號(hào)，可直接變?yōu)镻ULSE+DIR信號(hào)，用來控制步進(jìn)電機(jī)和位置控制方式的伺服電機(jī)REF_Ref11072\r\h[11]。（2）PMAC卡按控制軸數(shù)來分:有2軸卡(MINIPMACPCI),4軸卡(PMACPCILite，PMAC2-PClLite，PMAC2A-PC/104及Clipper)，8軸卡:(PMAC-PCI，PMAC2-PCl，PMAC2A-PC/104及Clipper)，32軸卡:(TURBOPMAC和TURBOPMAC2)REF_Ref11072\r\h[11]。（3）PMAC卡按通訊總線形式分:有ISA總線，PCI總線，PC104總線，網(wǎng)口和VME總線。PMAC各種軸數(shù)的1型和2型卡,都有上述的計(jì)算機(jī)總線方式供選擇。PMAC除上述板卡形式外,還可以提供集成的系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品。如：UMAC，IMAC400,IMAC800,IMACflexADVANTAGE400,ADVANTAGE900等REF_Ref11072\r\h[11]。此次設(shè)計(jì)中需要控制5個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，因此采用PMAC2A-PC104型號(hào)的PMAC卡。PAMC2A-PC104卡的3D示意圖如圖1.3所示圖1.3PAMC2A-PC104卡3D示意圖1.3.2工控機(jī)

研華IPC-610-H是一款4U高，14插槽機(jī)架式工業(yè)計(jì)算機(jī)機(jī)箱，專為任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用而設(shè)計(jì)。該單元包括一個(gè)多功能14插槽無源背板，高效率300WATX，配備PFC（功率因數(shù)校正）電源和雙易于維護(hù)的冷卻風(fēng)扇。靈活的機(jī)械設(shè)計(jì)支持通過電源支架更換單PS/2或冗余電源。前可視系統(tǒng)可以顯示電源，硬盤驅(qū)動(dòng)器和系統(tǒng)電壓活動(dòng)。冷卻系統(tǒng)用的是具有雙高CFM風(fēng)扇的高級(jí)冷卻系統(tǒng)，可以提供充足的流量來冷卻關(guān)鍵部位。數(shù)據(jù)傳輸，備份和輸入使用前端可訪問USB和PS/2鍵盤l/0接口，可連接各種外圍設(shè)備。綜合考慮成本與經(jīng)濟(jì)性能，IPC-610-H成為一個(gè)性價(jià)比最高的最佳選擇。如圖1.4所示為所選工控機(jī)示意圖。圖1.4研華IPC-610H1.3.3伺服驅(qū)動(dòng)器及電機(jī) 為保證數(shù)控機(jī)床的控制精度和運(yùn)行加工指令的穩(wěn)定性，經(jīng)過橫向?qū)Ρ群涂紤]經(jīng)濟(jì)成本后選擇松下MINASA6系列的MADLT15SF型號(hào)的驅(qū)動(dòng)器和其配套的MSMF022L1A1型號(hào)的電機(jī)。MSMF022L1A1型號(hào)的電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，額定功率為200W，與之相配的是絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器。圖1.5MADLT15SF型驅(qū)動(dòng)器1.3.4變頻調(diào)速主軸單元主軸變頻器采用的是松下VF0400V等級(jí)變頻器，最大功率1.5kw，額定電流3.8A，采用三相交流電源；電機(jī)則采用額定功率為0.75kw的普通三相電機(jī)。1.3.5傳感器采用恒興星GCS898系列的小型光柵尺，光柵柵距0.020mm，分辨率5um，性能可靠，安裝方便，性價(jià)比高。1.3.6手輪為滿足五軸數(shù)控銑床的一些加工需求，考慮經(jīng)濟(jì)預(yù)算和性能要求，選用性價(jià)比比較合適的DC-5V-100PPR型號(hào)的手輪。圖1.6手輪示意圖1.4控制系統(tǒng)的連線設(shè)計(jì)1.4.1PMAC卡與伺服驅(qū)動(dòng)器的連線通過扁平電纜將PMAC卡上的電機(jī)接口JMACH1與外部接線端子板ACC-8S連接（JMACH1與ACC-8S的接線針腳為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系)，再使用電纜將ACC-8S與電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行連接，從而完成PMAC與伺服驅(qū)動(dòng)器之間的連接。PMAC的AGND線接在伺服驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)返回線GND上。電機(jī)編碼器的反饋信號(hào)通過伺服驅(qū)動(dòng)器的輸出信號(hào)引腳AO、AO/、BO、BO/、ZO、ZO/與PMAC的輸入信號(hào)引腳CHAn+、CHAn-、CHBn+、CHBn-、CHCn+、CHCn-之間的連接反饋給PMAC。以控制X軸運(yùn)動(dòng)的#1驅(qū)動(dòng)器為例，接口連線如圖1.7所示。圖1.7ACC8S與#1MADLT15SF的接線圖1.4.2PMAC卡與手輪的接線PMAC卡與手輪的具體接線圖如圖1.9所示。其余的接口閑置不接線。手輪可以接急停開關(guān)來控制整個(gè)機(jī)床的斷電。圖1.9PMAC卡與手輪的接線圖1.4.3急停信號(hào)的設(shè)計(jì)（1）弱電部分的急停信號(hào)為了保證系統(tǒng)的安全性，設(shè)計(jì)了急停開關(guān)來使機(jī)床斷電。SW1常閉開關(guān)是機(jī)床上的急停開關(guān)，SW1是手輪上的急停開關(guān)，線路圖如圖1.10所示。圖1.10手輪（機(jī)床）急停開關(guān)電路圖強(qiáng)電部分的急停信號(hào)QF1作為斷路器用來保護(hù)電路，閉合ON開關(guān)時(shí)線圈KM1得電吸附，開關(guān)KM1閉合，機(jī)床正常通電；按下手輪上的急停開關(guān)