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在數(shù)控自動控制領域中, 所謂運動控制就是對機床機械裝置運動部件的位置、速度、加速度等參數(shù)進行實時的控制管理,使其按照預期的運動軌跡和規(guī)定的運動參數(shù)進行運動。Linux 是一個遵循POSIX (Portable Operating System Interface)標準的多用戶多任務且具有先進的網(wǎng)絡特性開源操作系統(tǒng), 可以方便的進行自主知識產(chǎn)權的軟件開發(fā)。因此基于Linux操作系統(tǒng)的加工點控制（MPC）5200 運動控制器, 其由系統(tǒng)提供的模塊化機制很容易實現(xiàn)運動控制器上相關的文件系統(tǒng)管理、內(nèi)存管理及實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的底層加工程序。但Linux 不是一個“硬”實時操作系統(tǒng), 其內(nèi)核為非搶占式的( no - preemptive) ,實時任務不能夠得到保證, 而運動控制器本身是綜合性很強的技術, 具有明顯的實時控制、實時交互和實時監(jiān)測特性。因此本文研究了RTAI(Real - time Application Interface) 的實現(xiàn)原理, 提出了基于加工點控制（MPC）5200 的運動控制器, 它加載了RTAI 實時內(nèi)核, 并采用串行總線的軟連接方式, 使得運動控制器可以和上位機分離,其易于實現(xiàn)分布式的高性能控制, 降低成本, 并且大大提高了運動控制器的可靠性、實時性、開放性、集成性和配置性。

1 實時Linux 的實現(xiàn)

到目前為止, 全球在Linux 平臺下開發(fā)的具有硬實時功能的系統(tǒng)主要有兩個:RTLinux 和RTAI 。RTLinux 最早是美國
新墨西哥理工學院的一個研究項目, 它是由Victor Yodaiken 提出設計思想, 由Michael Barabanov 實現(xiàn)的硬實時操作系統(tǒng)。RTAI( Real Time Application Interface) 是由意大利米蘭理工學院航天工程系發(fā)起開發(fā)的一個遵循GNU 的開源項目, RTAI 已經(jīng)支持I386, PowerPC, ARM, MIPS 和M68k- nommu 等處理器,是目前支持處理器最多的linux 實時解決方案之一。

RTAI 的實現(xiàn)機制與RTLinux 非常相似, 唯一不同的是RTAI 在Linux 上定義了一個實時硬件抽象層RTHAL (Realtime
Hardware Abstraction Layer) , 并針對RTAI 開發(fā)了LXRT(Linux - RT) , 讓RTAI 可以調(diào)用Linux 本身的系統(tǒng)調(diào)用功能。
RTAI 修改了linux/arch/ i386 中與體系結構相關的代碼而形成了RTHAL 層, RTHAL 的作用是使RTAI 能夠在實時任務需要
運行的任何時刻中斷Linux. 引入RTAI 后,Linux 的功能沒有改變,但是作為優(yōu)先級最低的任務運行,并且只有在沒有實時任務的時候它才能執(zhí)行。這樣做的好處在于將直接修改linux 核心的代碼減到最小, 這使得將RTAI 移植到linux 內(nèi)核的工作量減至最低。RTAI 實現(xiàn)的主要模塊有RTAI 模塊、SCHED 模塊、FIFO 模塊、SHM模塊、LXRT 模塊,它們能動態(tài)裝入和卸載。用戶自己的實時任務是在RTAI 裝入后再載入。可以通過編輯/etc/rc.sysinit 文件, 在系統(tǒng)啟動時將RTAI 模塊和用戶實時模塊加載到Linux 內(nèi)核中, 當實時模塊加入到內(nèi)核后, 實時模塊中創(chuàng)建的線程和函數(shù)就可以訪問系統(tǒng)的底層資源。

2 運動控制器系統(tǒng)設計
運動控制器微處理器采用的是摩托羅拉公司于2003 年下半年推出的新型的具有廣泛發(fā)展前景的PowerPC MPC5200, 其
內(nèi)部采用了雙處理器結構, 有一個專門負責通信的協(xié)處理器,體現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信的專業(yè)構架, 并通過雙端口內(nèi)存( 這是種極快的數(shù)據(jù)交換方式) 與主處理器通信, 從而使主處理器負擔大幅度下降。其芯片內(nèi)部含有豐富的實用型外設。基于PowerPC 內(nèi)核的MPC5200 是一顆低功耗、處理速度達760MIPS 的嵌入式處理器。它支持以太網(wǎng)、USB、PCI、ATA、I2S、I2C、SPI、串行接口、J1850 和控制區(qū)域網(wǎng)(CAN)。同時, 它還支持DDR 存儲器, 并集
成了一個雙精度的浮點單元(FPU)。如圖1。

由于MPC5200 微控制器內(nèi)部集成可編程串行控制器( PSC, Programmable Serial Controller) , 所以可以通過PSC 控制
器來實現(xiàn)串行通信的優(yōu)化, 并可以根據(jù)需求配置USB、RS232、CAN 等串行通信接口, 從而使得可以根據(jù)外界接口的要求進行標準化配置。同時MPC5200 提供了8 個通用定時器資源( GPT0～GPT7) , 所有的定時器都可以配置成以下任意模式: 內(nèi)部定時器、外部計數(shù)器、比較輸出和PWM, 除第一種模式以外,每個定時器都有一個I/O 口與之對應。MPC5200 控制一臺電機需要占用兩個定時器資源, 其中一個設置為PWM輸出, 采用定脈寬調(diào)頻的方式通過高速光耦隔離輸出, 驅動電機驅動器; 另一個設置為內(nèi)部定時器, 用于控制運動控制器輸出的脈沖個數(shù)。MPC5200 最多可以控制4 臺步進電機或伺服電機。

由此可見, MPC5200 運動控制器是一款非常適合于工業(yè)控制領域應用的運動控制器, 開放化的特點使其能夠應用于多種
機械設備上, 通過CAN 總線互連組建的現(xiàn)場總線運動控制系統(tǒng)是一種全新的分布式控制系統(tǒng)。因此Mpc5200 運動控制器完全可以滿足現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)高速化、智能化、網(wǎng)絡化、集成化、開放化的需求。

本設計采用串行通信的方式和上位機進行軟連接通信, 從而容易通過串行接口構建分布式的數(shù)控系統(tǒng), 其可根據(jù)上位機
的通信要求, 在串行通信配置開關中采用跳線或者選擇開關的形式進行設置, 在開機初始化時由MPC5200 根據(jù)對應的開關狀態(tài), 初始化USB 或者RS232 串行通信接口, 并裝入EEPROMPCF8582C 中具體的串行通信協(xié)議。

為滿足高速運動控制的要求, 從MPC5200 中通用定時器GPT0, GPT2 端口輸出的PWM 脈沖以及負責方向的GPT1, GPT3 輸出, 通過NEC 公司的高速光耦6N136 進行隔離, 其最高速度可以達到2Mbit, 隔離后輸入電機驅動器中
驅動坐標軸電機。

為滿足坐標軸電機運動位置信號采集, 選用Intel 82C54 計數(shù)器對坐標軸電機的光電碼盤的反饋脈沖進行計數(shù), 并通過系
統(tǒng)總線輸入到微控制器中, 82C54 的計數(shù)頻率可高達12MHz。片內(nèi)包含3 個獨立的16 位計數(shù)通道, 每個計數(shù)通道有6 種工作方式, 可由程序設置和改變。

3 實時控制的軟件實現(xiàn)
在實時Linux 下, 為了保證數(shù)控系統(tǒng)的實時任務能夠即時響應,所有和實時相關的任務都必須放在內(nèi)核層下,每個任務用
一個獨立的內(nèi)核進程來執(zhí)行, 實時進程是通過調(diào)用RTAI 的rt_task_init( ) 函數(shù)來實現(xiàn)的。而非實時任務則放在用戶層下,
它們在任何時候都不會打斷實時任務的運行, 只有在實時任務結束后才會執(zhí)行。

內(nèi)核層和用戶層之間進程的通訊主要是依靠RTAI 提供的實時FIFO, 通過調(diào)用函數(shù)rtf_create()來創(chuàng)建管道實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳。

運動控制器的實時工作流程如圖3 所示, 分為四個實時任務, 即狀態(tài)檢測任務、插補任務、位置控制任務還有功能控制任務, 四個任務的運行周期都是相同的, 取為8ms, 狀態(tài)檢測任務的運行優(yōu)先級為最高, 即1 級、插補任務的優(yōu)先級為2級、位置控制任務的優(yōu)先級為3 級、功能控制任務的優(yōu)先級為最低4 級。其中, 狀態(tài)檢測任務實現(xiàn)機床運行狀態(tài)的檢測, 并負責從IO 端口讀入各個連接的I/O 設備值, 然后將狀態(tài)寫入狀態(tài)檢測緩沖區(qū)中, 對機床急停、伺服報警、限位信號進行判斷, 并進行相應的處理。插補任務實現(xiàn)從譯碼緩沖區(qū)中順序取得插補數(shù)據(jù), 然后根據(jù)是直線或者圓弧進行插補, 得到理論坐標值。位置控制任務, 先進行誤差分析, 在系統(tǒng)的第一個采樣周期后開始執(zhí)行, 通過電機反饋取得實際位置, 與插補任務輸出的理論位置一起作為誤差分析的輸入?yún)?shù), 在進行誤差分析時系統(tǒng)將調(diào)用誤差計算策略進行誤差計算, 誤差計算策略可以是面向單軸的簡單非耦合算法, 也可以是面向輪廓加工的復雜耦合算法, 計算后得到各軸的綜合誤差值; 之后系統(tǒng)將調(diào)用整定策略整定參數(shù), 整定策略可以簡單的設定成固定參數(shù), 也可以根據(jù)需要實時調(diào)整參數(shù); 最后將綜合誤差與參數(shù)一同輸入到位置控制部分進行計算, 得到具體的脈沖輸出值, 輸出到各個伺服電機。功能控制任務負責實現(xiàn)運動控制器的運行、暫停、進給速度等狀態(tài)設置。

運動控制器軟件的所有實時任務和函數(shù)包含在實時模塊main_program.o 中, 通過編輯/etc/rc.sysinit 文件, 在系統(tǒng)啟動時
加載到Linux 內(nèi)核中, 當實時模塊加入到內(nèi)核中, 實時模塊中創(chuàng)建的線程和函數(shù)就可以訪問系統(tǒng)的底層資源。實時任務模塊的加載和卸載在Linux 中由init_module( )和cleanup_module( )兩個函數(shù)實現(xiàn)的, 同時可以通過這兩個函數(shù)進
行資源的分配和回收, 以及線程和處理函數(shù)的創(chuàng)建。
int init_module(void) { } //加載模塊

由于對不同試體進行的試驗形式不同, 以及試驗機本身標定的需要, 全自動壓力試驗機必須具有在不同數(shù)值上實現(xiàn)恒加荷速度控制的能力以及零速度控制能力(保壓)。針對實際過程中出現(xiàn)的各種不同的情況, 利用模糊參數(shù)自整定PID 控制器進行控制都取得了良好的效果, 都能盡快響應, 超調(diào)小, 抗干擾能力強。這種模糊自適應整定PID 控制結合了PID 控制和模糊控制兩者的優(yōu)點, 對被控對象達到了較好的控制效果, 促進了建材行業(yè)檢測技術的發(fā)展。