摘 要：運動控制系統(tǒng)的核心控制對象是軸。采用面向?qū)ο蠓椒ń鞘酰⑤S對象的類結(jié)構(gòu)步盼、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和數(shù)據(jù)流圖，在該模型的基礎(chǔ)上接吠，可以進行軸控制參數(shù)的設(shè)置宜裂，運動控制庫函數(shù)的規(guī)劃和控制算法與控制方案的擬定。

關(guān)鍵詞：運動控制 軸 建模

Abstract:Axis is kernel control object of motion control system. By the Object Oriented Analyses method, a class’s structure of the axis, state transition diagram and data follow diagram was built. Base on this module, the control parameters set of the axes, the plan of the motion control database s and the control algorithm & scheme can be decided.

Keywords:Motion Control Axes Moduling

0.引言

　　軸是運動控制系統(tǒng)的核心控制對象缕圣。在應(yīng)用系統(tǒng)中掀哎，軸的種類很多，如數(shù)控機床的坐標軸、主軸乔遮，繞線機的張力控制軸等扮超，它們都是運動控制的對象。運動控制系統(tǒng)向著開放式蹋肮、可重構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展出刷，控制系統(tǒng)與控制對象的標準化是實現(xiàn)上述發(fā)展的關(guān)鍵。

　　面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)已經(jīng)是一種成熟的建模技術(shù)坯辩。采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)對軸的結(jié)構(gòu)馁龟、行為和功能進行抽象，全面地描述軸的屬性與操作漆魔，可以為軸控制對象的標準化奠定基礎(chǔ)坷檩。

　　劉泉斌，陳虎等人總結(jié)了各種受控軸的共性屬性改抡，采用Rational Rose建立了軸的面向?qū)ο竽Ｐ褪噶叮崿F(xiàn)了該運動控制系統(tǒng)[1];作者也對自動機床的UML建模方法進行過研究，對機床控制軸進行了類似的建模[2]雀摘。國際組織PLCopen的技術(shù)委員在IEC61131標準的框架下宜柱，對軸的行為模型作了細致的描述[3]。這些工作對運動控制系統(tǒng)的開放性與控制程序的可重用性都有積極的意義编喊。但現(xiàn)行的研究工作多集中在軸的類結(jié)構(gòu)與行為模型上拣薄，軸的功能模型少有研究，模型不夠完整;并且這類研究工作多針對于面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計潭均，其類結(jié)構(gòu)設(shè)計往往過于復(fù)雜校搀，面MCU和DSP硬件平臺上的運動控制系統(tǒng)，目前還不支持C++号找。本文軸對象建模目的是為軸控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置房幌、運動控制庫函數(shù)規(guī)劃和控制方案設(shè)計服務(wù)。

　　面向?qū)ο竽Ｐ椭饕惤Y(jié)構(gòu)模型泥碳、行為模型和功能模型[4]膜护，類結(jié)構(gòu)模型主要描述對象的屬性與操作，定義對象實例間的關(guān)聯(lián)關(guān)系泰牵，便于控制程序的可重用;行為模型描述狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移锭测，即輸入與響應(yīng)的關(guān)系和對象間作用，便于控制程序的標準化;功能模型主要描述系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化形式芥吟，它是控制算法方案設(shè)計與調(diào)度的基礎(chǔ)侦铜。

1.軸的類結(jié)構(gòu)模型

　　運動控制系統(tǒng)中，軸的屬性最為復(fù)雜钟鸵，文獻[1]將軸的類對象定義成復(fù)雜的繼承結(jié)構(gòu)钉稍，盡管它符合面向?qū)ο笤O(shè)計方法涤躲，但它的狀態(tài)切換要占用系統(tǒng)時間（實驗測試時延為采樣周期的0.2%，最壞5%）贡未，而運動控制系統(tǒng)是一個強實時系統(tǒng)种樱，狀態(tài)切換頻繁發(fā)生。關(guān)鍵是多數(shù)的運動控制平臺采用MCU和DSP羞秤，尚沒有C++支持缸托，這種面向?qū)ο竽Ｐ蛯CU和DSP型的運動控制系統(tǒng)沒有實用意義。本文提出的軸控制類采用簡明的結(jié)構(gòu)定義軸類的屬性與操作瘾蛋，重點在于類的屬性參數(shù)設(shè)置與分析俐镐。

　　歸納起來，軸共有五類屬性哺哼，40多個參數(shù)佩抹。限于篇幅的原因，只列出軸類屬性參數(shù)分類如表1所示：

　　表1 軸屬性參數(shù)分類表

　　軸的操作是運動控制的核心虽柜，運動控制系統(tǒng)的庫函數(shù)主要由軸操作函數(shù)構(gòu)成飒晴，這些操作函數(shù)由軸的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖中抽取（后文敘述）财偶，在類結(jié)構(gòu)中它們表現(xiàn)為對軸屬性參數(shù)的修改與刷新拙位。軸的操作可為分四類，共16個函數(shù)课枉，其類別如表2所示：

　　表2 軸操作函數(shù)

　　在運動控制系統(tǒng)中属胖，除軸類外，還有邏輯控制器杆赃、傳感器等類莲疤，由這些類可以構(gòu)成最終的控制對象操作器類，其類關(guān)聯(lián)如圖1所示：

　　操作器可以由多個軸宣忧、傳感器和一個邏輯控制器實例組成砍机，操作器控制實際成為軸和邏輯控制器的控制。

2.軸的行為模型

　　PLCopen組織的技術(shù)委員會遵照開放式性原則锤扣，定義了8種軸的狀態(tài)铭莱，即不可用態(tài)、靜止態(tài)遣妥、停止過程態(tài)尉尾、出錯停止態(tài)、返回參考點態(tài)燥透、連續(xù)運動態(tài)、同步運動態(tài)辨图、離散運動態(tài)班套。其中連續(xù)運動態(tài)指速度和力矩控制模式肢藐，不涉及位置要求，離散運動態(tài)指有軌跡與位置要求的運動吱韭，如直線吆豹、圓弧運動;同步運動態(tài)指電子齒輪和電子凸輪運動模式。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2所示：

　　軸狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖是規(guī)劃和評價運動控制函數(shù)的重要工具理盆。例如痘煤，能否從連續(xù)運動態(tài)直接向離散運動態(tài)轉(zhuǎn)移，中間是否要插入一個停止過程態(tài)猿规，這個控制函數(shù)的設(shè)立對其它軸狀態(tài)有何影響衷快，都可以使用軸狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，從狀態(tài)轉(zhuǎn)移么缴、激發(fā)事件贬市、轉(zhuǎn)移條件和引發(fā)事件進行規(guī)劃和評價。

3.軸功能模型

　　軸的功能模型主要是數(shù)據(jù)流圖犁式。數(shù)據(jù)流圖由接口劈警，數(shù)據(jù)加工和數(shù)據(jù)存貯三種元素組成，接口指明數(shù)據(jù)的來源和去向蚌汁，加工指明數(shù)據(jù)的處理算法遵盼，數(shù)據(jù)存貯指明數(shù)據(jù)的存貯緩沖區(qū)。

　　運動控制系統(tǒng)的軸控制運算包括插補運算與伺服運算兩大部分鲸嫁，插補運算給出每一個采樣周期的目標位置刑映，伺服運算實現(xiàn)軸對目標位置的跟蹤。實際執(zhí)行時贪类，必須先進行運動控制命令的譯碼與預(yù)處理胃愉，對高精度的位置控制，還要在插補后進行陷波濾波暑尝，消除某些頻率成份现粗，減少激振因素，如果將速度控制劃歸到插補運算過程中襟雷，則軸控制處理過程包括控制命令譯碼刃滓、插補計算、陷波濾波耸弄、跟蹤控制四部分內(nèi)容咧虎。其數(shù)據(jù)流圖如圖3所示：

　　從軸控制的數(shù)據(jù)流圖可以看出，該數(shù)據(jù)流是串行的计呈。在各個數(shù)據(jù)加工點砰诵，不同的控制策略會選用不同的加工算法，其中插補運算捌显、陷波濾波和跟蹤運算會占用較多的系統(tǒng)資源且時延較長茁彭。在CPU資源配置或分配上总寒，應(yīng)保證這幾個數(shù)據(jù)加工串行工作。

　　另外理肺，其中數(shù)據(jù)存貯的安排涉及到系統(tǒng)性能的發(fā)揮和對應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)摄闸。比如NURBS插補和PID+速度前饋+加速度前饋控制算法中，由于NURBS插補費時較多妹萨，在TMS320F2812DSP上蟹故，PID+速度前饋+加速度前饋的時延約為NURBS插補時延的1/4[5]，采用雙DSP流水線處理模式剃杯，將這個串行過程改為并行過程逾丑，由一片DSP作NURBS插補運算，另一片DSP作PID控制慧男，安排一片雙口RAM作數(shù)據(jù)緩沖姥仍，采樣周期大為縮短。

　　數(shù)據(jù)流圖中的數(shù)據(jù)形式較為簡單比摆，如表4所示：

　　表4 軸控制數(shù)據(jù)流圖的數(shù)據(jù)格式

　　圖中所有的緩沖區(qū)均為先進先出隊列傻牙。

　　圖據(jù)流圖的數(shù)據(jù)加工過程如表5所示：

　　表5 數(shù)據(jù)加工過程

4.軸對象模型應(yīng)用

　　本模型主要應(yīng)用于基于MCU和DSP的運動控制系統(tǒng)設(shè)計。采用多參數(shù)休台、多操作的簡明對象類結(jié)構(gòu)阐泻，有利于控制對象的理解和控制參數(shù)設(shè)置;狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖定義軸的狀態(tài)，及在什么條件下征啦，由何事件激發(fā)使軸由一種狀態(tài)向另一種狀態(tài)轉(zhuǎn)移担急，分析歸納這些激發(fā)事件，是運動控制庫函數(shù)設(shè)計的依據(jù);軸控制過程可以視為一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過程侠坎，從控制命令輸入蚁趁，到控制信號生成，數(shù)據(jù)流圖表達了數(shù)據(jù)的流向與加式实胸，它是確定控制方案他嫡、設(shè)計控制算法的基礎(chǔ)。

5.結(jié)論

　　軸控制是運動控制系統(tǒng)的核心庐完，采用面向?qū)ο蠓椒ǜ质簦⒑喢鞯妮S對象類結(jié)構(gòu)、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖门躯，并引用了結(jié)構(gòu)化分析的數(shù)據(jù)流圖淆党，為運動控制系統(tǒng)設(shè)計的控制參數(shù)設(shè)置，運動控制庫函數(shù)規(guī)劃和控制方案與控制算法的擬定提供了有益的參考讶凉。

　　本文作者創(chuàng)新點：采用面向?qū)ο竽Ｐ筒⒔Y(jié)合結(jié)構(gòu)化模型的數(shù)據(jù)流圖染乌，建立了簡明的軸對象分析模型，為軸狀態(tài)表達懂讯、軸運動控制函數(shù)分析慕匠、函數(shù)操作實現(xiàn)提供了依據(jù)饱须。

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