摘 要：針對數控技術中的同步控制要求，設計了一種基于PC工控機的位置伺服同步控制系統，并描述了其控制軟件的設計方法及關鍵技術。 關鍵詞：工控機；位置控制；長駐內存;電流漂移 當前，精密化、自動化、智能化和柔性化是數控技術的發展方向。其關鍵技術之一的多軸聯動數控技術，日益引起國內外有關學者的普遍重視和廣泛研究。但是如何更方便地實現高精度、高效率、高柔性的多軸聯動還是一個有待繼續探索的課題。目前，多軸聯動系統大多采用主從式結構，主機完成系統的管理和產生指令，而各軸控制則由各單獨從機控制單元完成[1，2]。以PC工控機為核心的控制系統，集管理與控制為一體，運用PCL833、PCL728兩塊功能板，可同時實現2臺伺服電機間同步傳動的柔性化控制 ,使之滿足數控機床的多軸聯動要求。 1系統整體結構 系統整體結構簡圖，如圖1所示。本系統的控制回路分數字和模擬部分2部分，數字部分由1臺PC工控機和兩塊硬件功能接口板組成。PC工控機主要完成2臺電機的位置控制調節運算；硬件功能板1為計數器，實現對兩伺服電機反饋脈沖的檢測、倍頻辯相和計數功能；硬件功能板2為D/A板，實現對2臺伺服電機的控制。 PCL833是由研華公司生產的24位可逆計數器[3]，是專為位置和速度控制設計的計數器接口板，能夠對正交輸入和數字輸入進行計數，具有如下特點： （1） 3個24位可逆計數器； （2） 最大脈沖輸入頻率2.4MHz； （3） 計數方式為脈沖/方向計數和正反向計數； （4） ＊1、＊2、＊4 3種倍頻方式； （5） 具有對9個不同中斷源中斷控制； （6） 光電隔離最大能達到2500V； （7） 4級數字濾波； （8） 可編程中斷時間； （9） 適合IBM PC/AT 和兼容機（ISA總線）。 3個24位可逆計數器既可單獨使用，也可級聯使用。最大可實現48位計數器方式。并可根據要求設置為增量式和絕對式。具有溢出中斷和溢出計數等功能。在本系統中，為保證計數器讀數準確、不丟步，采用了24位計數方式，同時要求計數器進行絕對式循環計數。接口板1占有計算機連續16個映射地址，根據PC計算機映射地址的分配情況，設置0X200～0X215連續16個映射地址給計數器。 PCL728是由研華公司生產的12位D/A轉換器[4]，該轉換器針對惡劣的工況設計的12位雙通道D/A輸出卡。每一通道完全光電隔離，并且獨立于系統地，可設置為以下范圍輸出：0～5V、0～10V、±5V、±10V、4～20mA、0～20mA。根據伺服電機的控制要求，設置為雙極性±10V輸出。D/A輸出占有4個映射地址，分別為0x2c0、0x2c1、0x2c2和0x2c3 4個連續地址。 伺服電機及其驅動系統采用日本安川公司的產品，電機型號為BMH0955N11A1L，光電編碼器為伺服電機隨機攜帶，3072脈沖/轉。 3 PC機實時控制算法軟件設計與實現 在本系統中實現2伺服電機同步跟蹤的控制。2電機分別定義為主電機和從電機，由該工控機同時完成對2臺伺服電機的控制。 采用工控機中的8253零計數器來實現定時中斷，并通過其控制的0x1cH中斷相量中安裝中斷服務程序。8253零計數器的默認設置為每秒產生18.2次中斷，即每發生一次中斷間隔周期為55ms。這樣，可根據公式interrupt——hige=sample——time×1193180%256000和interrupt——low=sample——time×1193180/256000獲得計數器預置數，通過修改該計數器預置值，可獲得不同的中斷時間。 整個系統軟件由2個模塊組成：位置鎖定模塊和控制模塊。當系統采用了數模混合結構時，即使沒有輸入，也會因各種干擾的存在，引起模擬電路中產生電流“零漂”，從而將影響到控制效果。位置鎖定模塊即為解決上述問題而設計，該模塊的中斷服務程序與控制模塊的中斷服務程序占有同一中斷相量，運用TSR（Terminate and Resident ），即長駐內存技術[5]，將其長駐于內存中。當主控制模塊未運行時，該鎖定模塊通過定時中斷自動激活，采用零輸入負反饋控制策略，實現對伺服電機零位置的鎖定。當有任務時，運行主控制模塊，此時該模塊的中斷服務程序的入口地址將取代鎖定模塊中斷服務程序的入口地址，獲得對伺服電機的控制權。任務結束后，退出主控制模塊，位置鎖定模塊將重新收回其控制權，從而使伺服電機始終處于閉環，有效地保證了系統的工作性能。 實際設計中，鎖定模塊采用了C語言和匯編語言混合編程，控制方案采用簡單的零輸入比例控制。該模塊流程圖，如圖2所示。比例系數Kp=0.4，中斷采樣時間與主控制模塊采用相同時間，均為4ms。整個程序僅占560bit，對主控制模塊或其他模塊的運行幾乎沒有影響，但對伺服電機的位置漂移卻獲得了明顯的改善，位置偏差始終保持在±1脈沖內。 控制模塊的主程序流程圖，如圖3（a）所示。中斷服務子程序流程圖，如圖3（b）所示。主程序完成寄存器、定時器初始化，定義控制變量，顯示輸入輸出，數據的存貯，打印等功能；中斷服務子程序則主要完成對2臺伺服電機的控制。在控制策略上對主電機采用簡單的PI控制，而從動電機采用了模糊-PID和前饋微分控制構成的復合控制，運用C語言和匯編語言混合編程。復合控制充分運用模糊控制和傳統PID控制各自的優點，采用模糊控制和PID控制相結合的控制模式。通過查詢模糊控制表，根據系統處于不同狀態和對控制過程不同時刻的不同要求，得到比例\Kp、積分Kd、微分K\3系數及前饋微分系數K1，兼顧控制系統的動、靜態等多項性能指標，達到預期目的。 軟件設計要點如下： （1） 駐留函數。長駐內存函數keep（），將程序駐留在內存中，并通過熱鍵或其它方式進行激活。函數括號內為該程序所需字節數，如本軟件中的位置鎖定模塊，需560bit，這樣可寫為keep（560）。 （2） 在計數器采樣子程序和D/A輸出子程序的設計中，為了縮短運行讀取計數器和輸出D/A數據時間，提高運算效率，運用了結構體和公用體，如下所示： （3） 溢出判斷子程序。為保證計數器的計數準確，要求計數器進行絕對式循環計數，這樣必然會產生溢出現象。因此，在每次采樣后都要對計數器是否溢出進行判斷。計數器由于采用24位計數方式，分3次進行讀取，若將24位全讀出后再進行判斷，則勢必增加中斷程序運行時間。實際應用中，采用了高八位判斷方式。由于采用的編碼器為4096脈沖/轉，伺服電機的最高速度為600r/min，采樣時間為4ms。因此，最高位的2次采樣之差絕對值不可能大于255，否則，為溢出。若本次采樣高位值與前次采樣值之差為255，則說明計數器下溢；若本次采樣高位值與前次采樣值之差為-255，則說明計數器下溢。 主電機采用恒速控制，從動電機進行位置跟蹤時，采用常規PID控制及復合控制跟蹤特性曲線的比較圖，如圖4所示。從圖中可以看出，與常規PID控制比較，復合控制具有響應速度快等優點。說明該控制策略是不僅可用于伺服電機的位置同步控制，而且具有以上諸多優點。 4結束語 基于工控機實現的位置同步控制系統，具有系統可靠性高、結構簡單、編程靈活等優點，既可運用高級軟件，又可運用匯編語言，提高編程調試速度和程序的可讀性。在實現伺服電機控制的同時，可直接對控制進度、輸入、輸出等進行觀察、分析、打印等處理。 參考文獻 [1] 許春全,胡洪國,楊汝清.多伺服電機的串聯同步控制[J].電氣自動化，2001,（4）. [2] 潘曉彬,李國平,俞岳平.伺服電機間同步傳動的柔性化控制[J].機電工程,1999,（5）. [3] PCL833 3-axis Quadrature Encoder and Counter Card User‘s Manual[Z]. Advance Co. Ltd.,1998. [4] PCL728 D/A Conveter Card User‘s Manual[Z].Advance Co. Ltd.,1998. [5] IBM PC XT/AT 系列微機高級程序員編程指南[M].北京:中科院希望電腦技術公司,1987.