運動控制器PSO位置同步輸出(一):硬件平臺與PSO指令簡介

本節(jié)內(nèi)容主要包括以下幾個部分，支持PSO功能的硬件、PSO技術(shù)的特點、在運動控制器上使用哪些命令實現(xiàn) PSO功能、PSO使用的案例說明。 看完本節(jié)內(nèi)容，相信大家就能了解PSO的使用方法，下節(jié)我們將深入講解。

硬件平臺環(huán)境搭建視頻演示：https://v.youku.com/v_show/id_XNTg4NzYxODU1Ng==.html

一.硬件說明

硬件選型的首要要求是支持PSO功能，再分析PSO的應(yīng)用場合和軸數(shù)等選擇具體的型號。

本例以ZMC406總線運動控 制器和ZMC460N雙總線運動控制器為例展開介紹，PSO所用的指令名也被稱為硬件比較輸出，故下文也會用硬件比較輸出代替PSO。

（一）ZMC406總線控制器

ZMC406總線控制器是正運動技術(shù)推出的新一代網(wǎng)絡(luò)6軸運動控制器（可通過擴展模塊來擴展軸，支持多達32軸），自帶六個脈沖軸接口包含差分脈沖輸出和差分編碼器輸入），支持脈沖驅(qū)動器和EtherCAT總線驅(qū)動器混合使用。

脈沖輸出頻率最大可達10MHZ，EtherCAT總線的通訊周期最快可達250微秒。

支持4路PSO輸出，輸出口非獨立，不能四路同時輸出，每個系統(tǒng)周期比較輸出一次，即每個系統(tǒng)周期只能輸出一路比較信號。

（二）ZMC460N雙總線控制器

ZMC460N雙總線控制器相比ZMC406所帶的資源更多，是正運動技術(shù)推出的新一代網(wǎng)絡(luò)60軸運動控制器（支持EtherCAT總線軸+RTEX總線軸+脈沖軸混合使用），自帶六個脈沖軸接口（包含差分脈沖輸出和差分編碼器輸入），通用輸出口支持配置為單端脈沖輸出，通用輸入口支持配置成單端編碼器輸入。

脈沖輸出頻率最大可達10MHZ，EtherCAT總線的通訊周期最快可達250微秒。

支持12路PSO輸出，輸出口獨立，支持12路同時輸出，每個系統(tǒng)周期可比較輸出多次，應(yīng)用場景更為豐富。

這兩款控制器同屬高系列，功能強大，能滿足多種場合的需求，支持直線插補、連續(xù)插補、任意圓弧插補、空間圓弧、螺旋插補、電子凸輪、電子齒輪、位置鎖存、同步跟隨、虛擬軸設(shè)置、硬件比較輸出、硬件定時器、運動中精準(zhǔn)輸出等功能；采用優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議可以實現(xiàn)實時的運動控制。

應(yīng)用程序可以使用正運動自主研發(fā)的ZDevelop軟件開發(fā)，或VC、VB、VS、C++Builder、C#等上位機軟件來開發(fā)。上位機開發(fā)調(diào)試時可以把ZDevelop軟件同時連接到控制器，程序運行時需要動態(tài)庫“zmotion.dll”。

下文以ZDevelop軟件開發(fā)為例。

控制器的基本參數(shù)說明如下表：

⊙PSO硬件比較輸出功能使用的是高速IO口，響應(yīng)頻率為1MHz，響應(yīng)速度可以精確到微秒級別。

用戶可以使用ZDevelop軟件連接控制器，在ZDevelop軟件的在線命令欄發(fā)送“?*max”打印查看更多控制器規(guī)格參數(shù)，“?*set”查看打印指令參數(shù)值，?*port打印通訊通道。

1.下圖為ZMC406總線控制器的參考架構(gòu)：

ZMC406總線控制器的常用接口說明如下表：

2.下圖為ZMC460N雙總線控制器的參考架構(gòu)：

ZMC460N雙總線控制器的常用接口說明如下表：

⊙均可通過CAN總線或EtherCAT總線擴展IO資源和軸資源。

硬件平臺與PSO指令視頻演示：https://live.csdn.net/v/225116

二.PSO的技術(shù)介紹

PSO(position synchronized output)即位置同步輸出，本質(zhì)是通過采集實時的編碼器反饋位置(無編碼器可使用輸出的脈沖位置)與比較模式設(shè)定的位置進行比較，控制OP高速同步輸出信號，PSO示意圖如下。

PSO一般與激光器 (或點膠噴射閥等設(shè)備) 同步輸出信號進行相位同步，在運動軌跡的所有階段以恒定的空間(或者恒定時間)間隔觸發(fā)輸出開關(guān)，包括加速、減速和勻速段，從而實現(xiàn)脈沖能量均勻地作用在被加工物體上。

⊙PSO功能的特點就是能高速且穩(wěn)定的輸出信號 ， 因為輸出精度足夠高，所以能夠在整個運動軌跡中以固定的距離觸發(fā)輸出信號而不用考慮總體速度。

即在直線部分以很快的速度運動，而在圓角部分減速的同時也能保證輸出間距恒定，通常圓角加工部分在整個加工過程中占有比較小的部分，這樣在保證加工效果的同時，就可以最大限度地提高產(chǎn)能。

三.PSO相關(guān)指令介紹

實現(xiàn)PSO功能（即硬件比較輸出）功能使用的命令主要有“HW_PSWITCH2”、“MOVE_HWPSWITCH2”、“HW_TIMER”等，前兩個指令主要用于設(shè)定觸發(fā)比較輸出的距離，最后的命令是硬件定時，可配合前者使用精準(zhǔn)控制輸出脈沖的寬度。

1 .HW_PSWITCH 2 -- 硬件位置比較輸出

（1）指令說明

通過設(shè)置比較條件，控制OP口連續(xù)高速輸出信號，控制器必須使用支持硬件比較輸出的輸出口，例如ZMC406可以使用OUT0/1/2/3口，ZMC460的OUT0-11均可使用。

支持比較脈沖軸的位置、編碼器的反饋位置和總線軸的位置。選用何種位置信息比較，與設(shè)置的ATYPE軸類型有關(guān)，比較的主軸帶編碼器輸入時，自動使用編碼器位置來觸發(fā)，不帶編碼器的場合便比較脈沖輸出。

可以使用“MOVEOP_DELAY”參數(shù)來調(diào)整輸出準(zhǔn)確時刻。

（2）注意事項

一般控制器每個系統(tǒng)周期內(nèi)只能比較一次，系統(tǒng)周期通過“SERVO_PERIOD”查詢，此時當(dāng)系統(tǒng)周期過大時，而比較輸出脈沖寬度小于系統(tǒng)周期時將會導(dǎo)致輸出異常。部分控制器如ZMC460N、ZMC504SCAN等，每個系統(tǒng)周期支持比較多次，即支持多個比較輸出口在同一周期輸出比較信號。

⊙“HW_PSWITCH2”與“MOVE_OP”精準(zhǔn)使用同樣的硬件資源，不建議在同一個通道同時使用，可以在不同的通道同時使用。

調(diào)用TABLE位置數(shù)據(jù)時，在所有比較點完成前不要修改TABLE。

使用脈沖型電機時只有ATYPE為4時才是比較反饋位置(MPOS)，默認(rèn)出廠的ATYPE為1或7比較的是命令位置(DPOS)。

（3）指令語法

HW_PSWITCH2(mode, [...])

mode模式不同，后面需要填寫的參數(shù)也不同，詳情需參考Basic手冊的語法說明。

舉兩個簡單且典型的模式展開描述。

A.Mode=1：單軸比較

HW_PSWITCH2( mode,opnum,opstate,tablestart,tableend[,direction])

mode：1-啟動比較器

opnum：對應(yīng)的輸出口

opstate：第一個比較點的輸出狀態(tài)

tablestart：第一個比較點絕對坐標(biāo)所在TABLE編號

tableend：最后一個比較點絕對坐標(biāo)所在TABLE編號

direction：第一個點判斷方向，0坐標(biāo)負(fù)向，1坐標(biāo)正向，-1不使用方向

此模式較為簡單，需要借助TABLE寄存器，把需要比較輸出的位置坐標(biāo)先存儲到TABLE寄存器，然后PSO控制OP口每到達一個比較點的位置便反轉(zhuǎn)一次，直到全部坐標(biāo)點比較完成。示意圖如下，P表示比較點，展示六個比較點的OP輸出情況。

B.Mode=2：清除比較點

HW_PSWITCH2(2)

mode：2-停止并刪除沒完成的比較點

⊙使用前需要調(diào)用此模式，清除可能沒有比較完成的數(shù)據(jù)。使用過程中也可以發(fā)送此命令，停止比較。

Mode=6：矢量比較方式，周期模式，與HW_TIMER一起使用

HW_PSWITCH2( mode, opnum, opstate, vectstart, repes, cycledis)

mode：6-啟動比較器

opnum：對應(yīng)的輸出口

opstate：第一個比較點的輸出狀態(tài)

vectstart：比較點VECTOR_MOVED當(dāng)前運動距離

repes：重復(fù)周期，一個周期只比較一次

cycledis：周期距離，每隔這個距離輸出一次

此模式相對復(fù)雜一些，比較輸出的數(shù)據(jù)不參考TABLE，只需指定第一個觸發(fā)點的“VECTOR_MOVED”，比較周期的次數(shù)，每次輸出觸發(fā)的距離，“HW_TIMER”控制每到達一個周期觸發(fā)位置輸出的脈沖寬度和次數(shù)，參數(shù)設(shè)置可參考下方示意圖，紅色參數(shù)為HW_PSWITCH2指令的參數(shù)，橙色參數(shù)為HW_TIMER指令的參數(shù)。

此模式涉及的距離坐標(biāo)均為矢量坐標(biāo)，可用于單軸運動或插補運動模式下比較輸出。

例一： mode=1，單軸模式，比較TABLE的位置點。

BASE(0)
ATYPE=0
UNITS=10000/10
SPEED=100
ACCEL=1000
DECEL=1000
SRAMP=100
DPOS=0
MPOS=0
OP(0,OFF)
TABLE(0,50,100,150,200) '比較點坐標(biāo)設(shè)置
HW_PSWITCH2(2) '停止并刪除沒有完成的比較點
HW_PSWITCH2(1, 0, 1, 0, 3,1) '比較4個點，操作輸出口0
TRIGGER '觸發(fā)示波器
MOVE(300)
END

示波器采樣波形如下： 到達TABLE的四個坐標(biāo)點50,100,150,200，OP反轉(zhuǎn)。

例二： mode=6，周期模式，結(jié)合HW_TIMER使用。

RAPIDSTOP(2)
WAIT IDLE(0)
BASE(0)
ATYPE=1
UNITS=10000/10
SPEED=100
ACCEL=1000
DECEL=1000
SRAMP=100
DPOS=0
MPOS=0
OP(0,OFF)
TRIGGER
VECTOR_MOVED=0 '設(shè)置矢量起始位置為0，方便觀察
HW_PSWITCH2(2) '停止并刪除沒有完成的比較點
HW_PSWITCH2(6,0,1,100,4,50) '位置100開始比較，比較4次周期距離50，輸出有效時間由HW_TIMER指令確定
HW_TIMER(2,100000,50000,2,off,0) '輸出變?yōu)閛n后50ms變?yōu)閛ff
MOVE(400)
END

示波器波形如下：

輸出口為OP(0)，第一次比較輸出的狀態(tài)為ON，第一個輸出點的矢量坐標(biāo)為100，比較4次，間隔50的距離觸發(fā)一次。

每次觸發(fā)之后輸出OP的時間由HW_TIMER指令設(shè)置，HW_TIMER參數(shù)確定每次輸出脈沖的周期為100 ms，有效寬度為50ms，每個比較位置連續(xù)觸發(fā)2次。

YT模式下波形：

其他條件不變，將單軸運動改為MOVE(200,300)兩軸插補，波形如下，根據(jù)兩軸的合成矢量位置VECTOR_MOVED進行比較。

程序如下：

RAPIDSTOP(2)
WAIT IDLE(0)
BASE(0)
ATYPE=1
UNITS=10000/10
SPEED=100
ACCEL=1000
DECEL=1000
SRAMP=100
DPOS=0
MPOS=0
OP(0,OFF)
TRIGGER
VECTOR_MOVED=0 '設(shè)置矢量起始位置為0，方便觀察
HW_PSWITCH2(2) '停止并刪除沒有完成的比較點
HW_PSWITCH2(6,0,1,100,4,50) '位置100開始比較，比較4次周期距離50，輸出有效時間由HW_TIMER指令確定
HW_TIMER(2,100000,50000,2,off,0) '輸出變?yōu)閛n后50ms變?yōu)閛ff
MOVE(200,300) '兩軸直線插補
END

XYZ模式下輸出波形如下：

2.HW_TIMER -- 硬件定時

（1） 指令說明

硬件定時器，用于硬件比較輸出后一段時間后還原電平?！?HW_TIMER”只有1個，每次調(diào)用會強制停止之前的調(diào)用。

OP和MOVE_OP操作會關(guān)閉正在進行的HW_TIMER脈沖，這樣可以使用HW_TIMER來實現(xiàn)類似PWM的功能，OP輸出打開脈沖輸出，下一個OP輸出關(guān)閉脈沖輸出，當(dāng)使用MOVE_OP精準(zhǔn)輸出時，可以實現(xiàn)精準(zhǔn)的PWM輸出無限脈沖功能。

使用“?*HW_TIMER”可以看到還有多少脈沖剩余。

（2）注意事項

每個周期輸出一次信號，指令的周期時間的設(shè)置一定要大于系統(tǒng)周期，否則輸出異常。 輸出口需要指定支持PSO功能的OP口。

（3）指令語法

HW_TIMER(mode, cyclonetime, optime, reptimes, opstate, opnum )

mode：0停止，2-啟動

cyclonetime：周期時間，us單位

optime：有效時間，us單位

reptimes：重復(fù)次數(shù)，啟動模式，reptimes =0時，軟關(guān)閉HW_TIMER，原來的脈沖沒有完成的，會繼續(xù)輸出完成

opstate：輸出缺省狀態(tài)，輸出口變?yōu)榉谴藸顟B(tài)后開始計時

opnum：輸出口編號，必須能硬件比較輸出的口

參數(shù)設(shè)置可參考下方示意圖，此指令的效果是固定時間周期輸出。

例子：

RAPIDSTOP(2)
WAIT IDLE(0)
BASE(0)
ATYPE=1
UNITS=100
SPEED=100
ACCEL=100
DECEL=100
DPOS=0
TRIGGER
DELAY(100)
OP(0, OFF)
HW_TIMER(2, 10000, 5000, 30, OFF, 0) '輸出口0變?yōu)镺N后，硬件定時器觸發(fā)開始計時，周期為10ms，5ms 后切換為OFF，重復(fù)30次結(jié)束
OP(0, ON) '觸發(fā)定時

END

示波器采樣OP(0)波形如下： 采樣周期設(shè)置為1ms，表示橫軸時間的單位為1ms，延時100ms之后開始觸發(fā)OP高速輸出，指令作用的總時間為“10000us*30”。 第三個參數(shù)調(diào)整輸出脈沖的寬度。

3.MOVE_ HWPSWITCH2 -- 緩沖硬件比較輸出

此命令功能和用法同“HW_PSWITCH2”，區(qū)別是此命令會進運動緩沖區(qū)，在緩沖中執(zhí)行比較。

PSO指令說明視頻鏈接：https://live.csdn.net/v/225117

四.等間距輸出脈沖的例子

采用“HW_PSWITCH2”指令的模式6，結(jié)合“HW_TIMER”控制單個軸高速等距輸出。

RAPIDSTOP(3)
WAIT IDLE(0)
GLOBAL CONST Axis_X = 0 '物理軸軸號定義
GLOBAL CONST Out_Pso0 = 0 'Pso硬件輸出口編號
BASE(Axis_X) '軸參數(shù)初始化
UNITS=1000 '脈沖當(dāng)量 1MM對應(yīng)的脈沖個數(shù)
ATYPE=4 '軸類型 脈沖輸出+編碼器輸入軸
DPOS=0
MPOS=0
SPEED=100
ACCEL=2000
DECEL=0
MERGE=1
OP(Out_Pso0,OFF)
GLOBAL g_cmd
g_cmd = 0
WHILE 1
IF g_cmd = 1 THEN
g_cmd = 0
TRIGGER
Function_Test1()
ENDIF
WEND
'********************************************************************************************
'等距離距離模式生成一個PWM脈沖,脈沖輸出時間可調(diào)。
'lv_WidthTime 脈沖寬度時間us
'lv_Interval 2個脈沖間隔 mm
'lv_StrartPos 觸發(fā)起始位置 mm
'lv_EndPos 結(jié)束位置
'********************************************************************************************
GLOBAL SUB Function_Test1() '在20-120范圍內(nèi)每間隔1mm輸出一個持續(xù)2ms的脈沖
LOCAL lv_WidthTime,lv_Interval,lv_StrartPos,lv_EndPos '定義局部變量
lv_WidthTime = 2000 '脈沖寬度2000us
lv_Interval = 1 '脈沖間隔 1mm
lv_StrartPos = 20 '觸發(fā)起始位置 20mm位置
lv_EndPos = 120 '結(jié)束位置 120MM
OP(Out_Pso0,OFF) '關(guān)閉輸出口
BASE(Axis_X) '選定X軸
ATYPE = 4 '軸類型，比較軸類型帶編碼軸特性時默認(rèn)按編碼器位置比較
SPEED = 100 '速度100mm/s
FORCE_SPEED=60 'SP速度60mm/s
MOVEABS(0) '運動到0位
WAIT IDLE
VECTOR_MOVED = 0 '插補矢量距離清0
LOCAL iTime
iTime =ABS(lv_EndPos - lv_StrartPos) \ lv_Interval '計算比較次數(shù)
TRACE lv_StrartPos,iTime,lv_Interval,lv_WidthTime
HW_PSWITCH2(2) '清空HW比較緩沖區(qū)
HW_PSWITCH2(6,Out_Pso0,ON,lv_StrartPos,iTime,lv_Interval) '從lv_StrartPos觸發(fā)比較間隔lv_Interval比較iTime次
HW_TIMER(2,lv_WidthTime+100,lv_WidthTime,1,OFF,Out_Pso0) 'Out_Pso觸發(fā)變成ON后，打開lv_Width us后關(guān)閉輸出
MOVEABS(50) '單軸運動，速度100
MOVEABSSP(100) 'SP單軸運動，速度60
MOVEABS(150) '單軸運動，速度100
WAIT IDLE '等待運動停止
HW_PSWITCH2(2) '清空HW比較緩沖區(qū)
END SUB

?

五.ZDevelop查看PSO曲線

1.示波器采樣上例波形如下。

三段單軸直線運動，比較范圍為位置20-120，每隔一個單位距離比較一次，共比較100次，中間段由于是等距比較，運動速度較小，故OP反轉(zhuǎn)的速度變慢。OP保持高電平的時間是2ms。

2.XY模式下OP隨運動距離變化的波形如下。

可看出等距比較模式下，比較輸出不受運動速度的影響，輸出始終是均勻的。

視頻演示鏈接：https://live.csdn.net/v/225119

本次，正運動技術(shù)運動控制器PSO位置同步輸出(一):硬件平臺與PSO指令簡介，就分享到這里。

審核編輯：湯梓紅