基于運動控制卡TH0030A-MC和操作系統(tǒng)實現(xiàn)全電動化注塑機的設(shè)計

引言

在國內(nèi)目前的注塑機行業(yè)里，使用液壓傳動的居多。對注塑機進行全電機化是市場新要求，也是必然趨勢。采用伺服系統(tǒng)對注塑機進行全電動化，是現(xiàn)在比較流行的做法。但由于伺服系統(tǒng)成本高，再加之海關(guān)稅和增值稅，使得伺服系統(tǒng)的產(chǎn)品在市場上缺乏價格競爭力?？紤]到性價比和現(xiàn)在的技術(shù)，選擇矢量控制變頻器和帶有實時操作系統(tǒng)的控制器控制三相交流異步電機，并采用智能控制算法，對注塑機進行全電動化，是一種可行的方案。

采用Itron規(guī)格編寫的RTOS與其它RTOS相比較，具有效率高、可靠性好、編程容易、移植性強、易于調(diào)試、簡化通訊標準、高度的開放性、標準化等優(yōu)點，是世界上工業(yè)應用最為廣泛的實時操作系統(tǒng)，這表明Itron有潛力變成嵌入式RTOS的世界標準之一。

TH0030A運動控制器及其實時操作系統(tǒng)

嵌入了Itron RTOS運動芯片的運動控制卡TH0030A-MC，主要有兩大技術(shù)優(yōu)勢：采用Itron規(guī)格編寫的RTOS和功能強大的PCL6045芯片。

采用Itron規(guī)格編寫的RTOS和采用Itron規(guī)格編寫的RTOS具有以下特點。

A） 新內(nèi)核、可移植性ID，TaskConfig指任務的結(jié)構(gòu)

B） 布局省線

TH0030A-MC所有的信號輸入、輸出量，都做在幾塊單獨的小板上，而不在主板上。每塊小板控制一個軸，有幾個軸需要控制，就添加幾塊小板。每塊小板和主板之間的通訊通過一根ARCnet即可實現(xiàn)，省去了大量連線的麻煩，并可保證速度。另外，每塊小板可以根據(jù)需要被單獨地安裝在任何位置，而不必考慮和其它小板及主板之間的關(guān)系。

C） 多任務

Itron RTOS屬于搶占式操作系統(tǒng)，每個任務被分配一定的時間做處理，并有狀態(tài)表示：“run”、“ready”、“wait”、“suspend”、“wait-suspend”、“dormant”“non-existent”。

D） 人機界面

在TH0030A-MC上，應用Itron規(guī)范編寫一個log file的任務，配合VB界面，通過以太網(wǎng)通訊，在程序運行的時候，可以方便地在PC上實時監(jiān)測程序目前執(zhí)行到什么地方。這樣，方便了用戶調(diào)試自己的程序，也利于數(shù)據(jù)的檢測。

E） 實時性

Itron對于實時性的思路是：嵌入式系統(tǒng)在硬件優(yōu)化和軟件效率之間折衷考慮。Itron規(guī)范對應該通過微控制器硬件層次結(jié)構(gòu)標準化的那些特征標志，和應該根據(jù)硬件及其功能性質(zhì)優(yōu)化的那些成份，都做了明確的區(qū)分。影響實時應用中響應時間的那些因素，一般都與作業(yè)轉(zhuǎn)換功能和中斷處理例行程序有關(guān)。Itron規(guī)范規(guī)定，在規(guī)定的高速作業(yè)轉(zhuǎn)換時間上，可以將寄存器換出。也可以在發(fā)生外部中斷時，旁路RTOS啟動運行一個中斷處理程序。

F） 推廣能力

對于把RTOS用在工業(yè)實時控制上，Window CE還不夠成熟，VxWorks價格太昂貴，Linux實時性太差，Itron則沒有它們的缺點，適合推廣。

功能強大的PCL6045芯片

對于TH0030A運動卡，用戶可自己編寫和調(diào)用C語言函數(shù)對PCL6045芯片上的每個寄存器操作。PCL6045芯片可以同時控制四個軸。它可以對編碼器的數(shù)值產(chǎn)生倍頻；可自行計算速度上升或下降的加速度或S曲線；可設(shè)定指令位置、計算機器實際位置、計算偏差位置；可鎖住它們的位置；保存外部中斷狀態(tài)、錯誤中斷狀態(tài)、事件中斷狀態(tài)；可軟件重置寄存器：可重置控制位置寄存器或機器位置寄存器等等。它使得對于多軸的位置或速度控制等，變得輕而易舉。

TH0030A運動卡的應用

在注塑機這個行業(yè)里，控制對象要求高精密（射膠部分）、高響應（保壓部分）、安全可靠（鎖模部分），故選擇TH0030A運動卡。控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 全電動注塑機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

上位控制器有三大主要功能：設(shè)定控制參數(shù)和目標；顯示控制結(jié)果；協(xié)調(diào)機器各環(huán)節(jié)的動作順序。運動控制器的主要功能是在上位控制器的協(xié)調(diào)下，完成過程控制，如壓力、位置以及速度的控制，并把控制的結(jié)果和相關(guān)狀態(tài)傳遞給上位控制器。具體地，就是實現(xiàn)射膠電機、溶膠電機、開鎖模電機和頂出電機的控制。

控制流程可以描述為：由上位控制器發(fā)出指令要實現(xiàn)何種控制（例如射膠的速度或壓力控制），運動控制器將根據(jù)接受到的指令和實際狀況，給出控制調(diào)節(jié)信號至變頻器，變頻器驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，電機通過永磁皮帶與滾珠絲杠相連，將圓周運動轉(zhuǎn)換成直線運動，從而實現(xiàn)速度、壓力或位置的控制。

軟件程序的基本設(shè)計思路如圖2所示， 全電注塑機的硬件控制原理框圖如圖3所示。

圖2 任務流程圖

在TH0030A-MC上使用的RTOS不是從Window CE、Windows9X/NT、VxWorks、Linux等系統(tǒng)移植過來的，它使用Itron規(guī)格編寫，具有全新的內(nèi)核和任務調(diào)度、內(nèi)存管理策略。

通過平臺可快速移植和使用方便是Itron的最大優(yōu)點。由于嵌入式軟件行業(yè)非常分散，在全世界有50多個軟件廠家，如果有一個像Itron這樣的標準，嵌入式軟件產(chǎn)品只要被稍加修改就可用于以后的應用中，而無須考慮開發(fā)者使用的是什么樣的微處理器。

Itron RTOS與其它RTOS之間的基本差別在于，其它RTOS用軟件中斷來自內(nèi)核程序庫的調(diào)用功能；Itron RTOS則使用標準的C格式調(diào)用，并且支持C/C++編程。

在多任務中的諸多程序是并行執(zhí)行的，采用優(yōu)先權(quán)調(diào)度方式。每項任務被指定一個優(yōu)先級，并采用一個叫做任務身份證（ID）的號碼指定作業(yè)。任務塊（TCB）含有用以管理作業(yè)的信息。Itron RTOS通過系統(tǒng)調(diào)用指令按TCB的數(shù)值來處理設(shè)定和修改。

與其它RTOS不同的是，Itron RTOS可通過C語言函數(shù)對任務進行操作，如：cre_tsk（ID_Task， &TaskConfig）創(chuàng)建一個任務；sta_tsk（ID_Task，0）啟動一個任務；slp_tsk（）休眠一個任務；ter_tsk（ID_Task）中止一個任務等。另外，這些函數(shù)的調(diào)用可以放在程序的任何地方，可以在需要的時候調(diào)用。（ID_Task指任務的

圖3 全電注塑機控制理框圖

結(jié)語

Itron規(guī)格在國內(nèi)目前鮮為人知，但其豐富的功能、優(yōu)越的性能，及其開放性的政策，使其有潛力變成嵌入式RTOS的世界標準之一。另外，注塑機行業(yè)全電機化是必然趨勢，用變頻技術(shù)實現(xiàn)是可行的?；讵毜降囊娊夂痛竽懙脑O(shè)想，使用特制誘導電機、嵌入式運動控制卡、自主開發(fā)的控制算法，本文成功開發(fā)了低成本、高性能的誘導全電動注塑機。機器的電氣成本同比降低了50%左右，控制性能比油壓注塑機有大幅度的提高，不遜于國內(nèi)廠家開發(fā)的通常概念的永磁全電動注塑機，在穩(wěn)定性和壽命方面更有其優(yōu)勢。

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