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1、1.PMAC卡-简介和预备知识PMAC卡是功能非常强大的运动控制卡，但是网上PMAC的教程很少，仅有的几个教程还是官网培训教程，罗列概念和记流水账，最不喜欢这样的教程。自己学习PMAC卡的时候走了许多弯路，刚好找完工作就写一下PMAC的相关教程，看完整个系列的教程，相信对于PMAC的使用是没有问题的，主要分为以下几个模块：1. 简介和预备知识2. PMAC硬件3. PMAC下位机编程4. PMAC上位机编程PMAC简介PMAC基本上算是自动控制行业中功能最强大的运动控制卡了，虽然价格不菲，但是使用及其方便，功能也极其强大，怎么强大自己去搜啦，这是官网链接。PMAC是一系列控制卡的简称，常用的有
2、PMAC1、PMAC2、Turbo PMAC1、 Turbo PMAC2、UMAC、Clipper等，基本功能和使用方法是一样的，这里我使用的是Turbo PMAC1控制卡。在国内PMAC有多家代理，笔者固定联系的是苏州均信，维修的话有北京泰道公司，北京泰道公司的官方QQ群号为190220668 ，在群里面可以提问，有各路大神和官方人员解答疑问，群共享里面也有许多资料供学习。运动控制基础“工欲善其事，必先利其器”，在本文中还是先说一下运动控制相关理论，这里只是一些基本概念，深入了解还是要自行查看相关资料。定义：在复杂条件下将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，实现机械运动精确的位置控
3、制、速度控制、加速度(转矩)的控制。最简单的运动控制系统我们考虑一个最简单的控制卡-驱动器-电机反馈运动控制系统控制器：根据要求的参考输入信号（如位移、速度、力等），产生相应的控制信号，这里对应PMAC控制卡。执行机构：根据运动控制器发出的控制信号，产生操作量，作用在被控对象上，带动被控对象产生相应的运动。运动控制中执行机构通常由电机及其驱动器组成的，其中驱动器提供电机功率，使得电机做旋转或直线运动。被控对象：将被操纵的机器设备称为被控对象。这里对应常用旋转电机运动模组或直线电机模组。传感器(反馈检测装置)：对被控对象的过程实际信号（如实际位移、实际速度、实际力等）进行检测、转换为电信号，经整
4、形、放大提供给控制器，从而对被控对象构成闭环负反馈控制。常用的传感器有光电编码器、光栅尺、测速发电机和张力/压力控制器等。如上图，可以看到运动控制系统有反馈检测装置，就拿这里的运动控制系统来说，不使用反馈控制的运动控制系统就叫开环系统，反馈控制的是通过编码器采集的信号来反馈的运动控制系统就叫半闭环控制系统(因为此时的被控对象的信号是间接的方式得到的)，反馈控制的是通过光栅尺采集的信号来反馈的运动控制系统就叫全闭环控制系统。三环控制关于三环控制，有一篇比较通俗的文章(原文链接)，这里截取一段，稍作修改如下：运动伺服一般都是三环控制系统，从内到外依次是电流环、速度环、位置环，这三环一起构成一个完整
5、的运动控制系统。1、电流环：电流环的输入是速度环PID 调节后的输出，我们称为“电流环给定”，然后电流环的这个给定和“电流环的反馈”值进行比较后的差值在电流环内做PID 调节输出给电机，“电流环的输出”就是电机的每相的相电流，“电流环的反馈”不是编码器的反馈而是在驱动器内部安装在每相的霍尔元件（磁场感应变为电流电压信号）反馈给电流环的。2、速度环：速度环的输入就是位置环PID 调节后的输出以及位置设定的前馈值，我们称为“速度设定”，这个“速度设定”和“速度环反馈”值进行比较后的差值在速度环做PID 调节后输出就是上面讲到的“电流环的给定”。速度环的反馈来自于编码器(光栅尺)的反馈后的值经过“速
6、度运算器”得到的。3、位置环：位置环的输入就是外部的脉冲（如在控制卡中输入的待运动位置指令），外部的脉冲经过平滑滤波处理和电子齿轮计算后作为“位置环的设定”，设定和来自编码器反馈的脉冲信号经过偏差计数器的计算后的数值在经过位置环的PID 调节后输出和位置给定的前馈信号的合值就构成了上面讲的速度环的给定。位置环的反馈也来自于编码器(光栅尺)。在上图中，我标出了三环控制和运动控制系统基本组成的对应关系，可以看到三环控制是把控制器、执行结构、被控对象和反馈检测细化了，上图中是一种常用的伺服电机驱动模式速度控制模式(即电机驱动器包括速度环和电流环)，其他的伺服电机驱动模式包括位置控制模式、力矩控制模式
7、等等。还需要注意的是在每一环的控制中，我们引入了PID控制的概念。PID控制PID是在工业控制中经典的控制算法，现在仍然被普遍的采用。当我们知道被控对象目标控制值，和当前被控对象实际测量值，那么就可以计算出实际控制差值，这就是反馈，那么拿到这个反馈要如何处理得到输出信号给被控对象使得被控对象的实际测量值越来越接近目标控制值呢？这时候就要有一种计算输出信号的算法，这里就该PID工作了。PID详细名称为：比例-积分-微分控制方式，是一种误差控制算法，综合作用可以使系统更加准确稳定的达到控制的期望。关于PID算法的原理和调节策略通俗讲解参见这篇文章。如果想深入研究，参见这篇文章，英文好的好的话也可以
8、参见wiki。在使用PMAC完成运动控制的时候，调整PID是必不可少的一个环节，一定要对PID原理有基本了解和知道PID的调节步骤。2.PMAC硬件-一个运动控制系统的实例运动控制系统的构成有很多方式，你可以使用嵌入式系统、专用运动控制PLC、工控机+运动控制卡、专用数控装置等等。PMAC控制一般采用的都是工控机+运动控制卡（IPC）的方式，这样有搭建系统比较灵活，可扩展性强等优点。下面是一个完整的PMAC运动控制系统硬件组成和接线及信号传输示意图。整个运动控制系统按信号流通顺序，由PC-PMAC卡-PMAC卡转接板-电机驱动器-电机(编码器)-运动模组(限位传感器)构成。图中红色线为信号传输
9、示意图。对于一个控制系统来说，都有驱动电路和控制电路两路电。图中，驱动电路主要用于给驱动器供电，处理后输出电机驱动电以供电机正常工作，这里不同的驱动器要求不一样(220V或380V),这里为了简单使用220V。图中，控制电路主要控制整个系统：1.交流接触器控制主驱动回路的通断（可采用直流接触器24V或交流接触器220V，这里用220V）2.电机驱动器控制电路供电（不同的驱动器要求不一样，直流24V或交流220V，这里为了简单使用220V）3.转接板供电（转接板是将PMAC的信号分流，可使用官方转接板或自行设计的转接板，220V变压后输出15V给转接板供电）4.图中的限位传感器供电，220V变压
10、后输出24V给转接板供电。(这里只是示意，实际中信号线和供电线都是从转接板走线)下图是更加形象的说明整个系统的构成：图中的正负限位起保护作用，零限位用于编码器+滚阻丝杠模组回零时找到原点(因为编码器一般是增量编码器、不知道自己的当前位置)，如果是光栅尺反馈也可以使用标记原点来回零。注意图中的运动模组，这里使用的是伺服电机+编码器+滚珠丝杠模组，构成半闭环系统，也可以使用直线电机+光栅尺(或伺服电机+编码器+滚珠丝杠模组+光栅尺)构成全闭环系统。如果是滚珠丝杠模组，需要了解导程这个概念，即丝杠转动一周模组前进的距离，常见导程为10mm,20mm。如果是使用光栅尺作反馈，需要了解光栅尺分辨率这个概
11、念。光栅尺的分辨率，是指光栅尺可读取并输出的最小长度变化，对应的参数有：每毫米光栅刻线数、脉冲数、细分等。目前国内光栅尺分辨率一般有5m、1m、0.5m、0.2m、0.1m。以每毫米50线光栅为例，经过4细分，就能得到很简单的5m的分辨率，至于高分辨率的光栅尺，就必须采用电子细分技术。再说整个模组的定位精度和重复定位精度，简单来说定位精度就是在一次定位测量中运动测量结果和实际目标指令距离的偏差范围，重复定位精度就是在多次定位测量中运动测量结果相互之间的偏差范围。整个模组的定位精度和重复定位精度是我们在设计一个运动控制系统时必须考虑的因素，这个受诸多因素的影响，必须认真考虑。如光学部分、机械部分
12、 、电气部分等等。这里有个常见的问题需要强调，整个模组的定位精度和重复定位精度是由实际测量元件和运动元件决定的，如果只是提高编码器、光栅尺等测量元件的精度，对于运动部分(电机、模组)的精度不够，那么整个模组的定位精度和重复定位精度依旧提不上去，举个最简单的例子，现在在100mm处，想运动到100.1mm处，光栅尺、编码器的精度可精确到0.1um，但是电机+模组精度有限，一个脉冲就跑了1mm，那么无论如何也是不能够跑到100.1mm处的啦。经常有人说我的测量精度是够的，为什么不能够到精确运动啊，这个很可能和你的运动部分有关系。3.PMAC硬件-组成和接口及安装拿到一块PMAC卡，首先我们要看一下
13、他的硬件组成(DSP)和提供的各种接口(I/O、串口等)，然后就开始做准备工作(设置跳线)，最后是安装(插槽PCI和转接板)。硬件组成和接口PMAC是基于Motorola DSP的伺服控制卡，不同型号的PMAC可控制的最大轴通道个数不一样，DSP型号也不一样。有专门的伺服芯片来完成编码器反馈计算等工作，PMAC中最容易坏的地方就是这组芯片，实际部署时要做好接地保护和高压保护，一定不要热插拔。我所在实验室用的是Turbo PMAC PCI1，我也是用这个做示例，其他的诸如UMAC、Clipper等系列应该差不多，请自行研究。如下图标出了常用接口：JEXP是安装扩展板卡的扩展口，如常见的增加通道个
14、数(默认为8个通道)的卡等等，这是官网的扩展卡选配链接。JMACH1和JMACH2分别是对应1-4轴及5-8轴的控制信号输出通道，一般和转接板相连。JOPTO是8路输出和8路输入通道口，一般的IO信号输出输出使用它。PMAC有各种和上位机(PC)相连的方式，这里采用PCI接口，不同的型号还有VME、USB等方式。其他接口概不详述，请查阅手册。准备工作在上图中，我标出了跳线的位置，图中包括两种：使用跳线帽(红色)跳线和未跳线。跳线就相当于我们使用的软件设置选项一样，通过设置不同的跳线来配置不同的硬件功能，这是根据使用需求决定的，一般默认跳线是满足通用需求的。常用跳线如下：1.供电跳线一般采用默认
15、如下：E85、E87、E88选择OFF，E89 跳线选择ONE90跳线选择1-2E100跳线选择1-22.电机控制跳线E17A、E17B、E17C、E17D跳线选择OFF（控制伺服电机选择OFF，控制音圈电机/直线电机选择ON）3.中断跳线中断是下位机(PMAC)向上位机通信的机制，这里我们需要通过跳线配置中断触发的通道和变量。查阅硬件手册E54-E65用于设置中断，这里手册有点不清楚，我来解释一下，比如对于E54：可知默认没有跳线，一旦找到跳线，使用跳线帽连接，允许通过EQU8通道来向上位机发送中断请求以完成向上通信，这个中断级别为IR7，级别越高，越先被响应，PMAC用户可使用的有IR5、IR6、IR7三个中断级别，IR1-IR4应该是被PMAC自身保留采用。那么这里EQU8是什么通道呢，再查手册，可以看到EQU8是JEQU接口的一个通道，如下图JEQU这里可以理解为允许外部触发产生中断，外部触发向上位机通信。另外，这里涉及到后面的知识，查阅PMAC 软件手册，看到即可以在PMAC下位机程序中，通过设置M812或M813的值来模拟外部触发，从而完成下位机编程时向上位机中断请求。这里暂时看不懂不要紧，后面还会讲到，这里是为了连贯，把这些知识放在一起。4.其它设置跳线这里主要是说一下常见需要注意的参数：如E51跳线连接后开机会重置PMAC卡所有参数到初始状态，这一般是
