PMAC控制板在转台控制系统中的应用

分享到：

1. 引言

由于各种民用、军用飞行器技术的快速发展，当今世界各国都十分重视半实物仿真技术的研究和应用,而飞行模拟转台是半实物仿真的重要设备之一。通常，飞行模拟转台提供模拟飞行器飞行姿态角和为被试件提供测试条件的功能，以便验证全数字仿真的实验结果并进一步优化或改良飞行器设计方案。而对于转台这样一个典型的自动控制系统来讲，控制器扮演重要角色，其优劣直接决定飞行仿真实验的成败和效果。因此，寻求简单易用且可靠的控制器成为转台设计的一个重要方面。

2. 使用PMAC控制器

随着自动控制理论和数字计算机及其应用技术的不断发展，使以计算机为基础控制技术迅猛发展，被控对象规模更大，控制过程和规律也更加复杂和精密，控制方法也更加灵活多样。在转台的控制系统中，除了用来产生输入信号的仿真机之外，计算机还扮演了控制器的角色。在这里，计算机可以是单片机、工控机或者是PC等。根据控制器的不同形式，计算机控制系统分为集中式，分布式，集散式三种类型，其中集散式控制器又分为PC机与单片机，PC机与PC机，PC机与嵌入式控制器三种形式。

在控制系统中使用PMAC，采用的就是PC机与嵌入式控制
器组合这种形式。

2.1问题的提出

转台的控制系统通常采用上、下位机的形式。如图1所示，常见的控制器一般位于下位机，由其给出具体控制算法，并由下位机总线上的各个分立器件（如放大器，DA、AD转换装置等）来完成输出控制信号和采集被控对象位置/速度等信息的功能，同时通过网卡等通信设备与上位机交换信息。这里，控制器的功能由一个各部分相对独立的系统来完成，使系统设计、控制算法实现和数据采集都较为复杂;加上各个设备之间可能存在的干扰，整个系统的安装调试需要花费较多的精力才能完成。这样看来，如果整个下位机（包括提到的各种功能）能够由一个独立的通用部件完成，系统设计和调试所面对的困难就要小得多。PMAC控制器正好可以达成这一目的。

2.2 PMAC简介

PMAC的全称是Programmable Multi Axis Controller，由美国Delta Tau公司设计生产。PMAC系列包含适用多种总线平台的板卡以及适于独立使用的组件。PMAC基于DSP（数字信号处理器），是一种通用的运动控制器，但更适用于数控机床等轴运动设备。它可以控制2 – 32根轴的运动（18块PMAC级联可以控制128根轴），同时包含多路数字I/O和DA/AD装置;可以自动生成各种控制曲线的轨迹，并允许用户方便的生成自己的控制代码。由于DSP的强大功能，PMAC甚至集成了典型的控制算法（也可以由用户提供自己的控制算法），并提供高精度的计算能力。用于PC的PMAC提供ISA/PCI总线或串口的通信方式，并提供了一组编程接口供高级用户进行二次开发。

PMAC非常适合于对轴运动进行控制。因此，只要满足指标要求，飞行模拟转台也可以采用PMAC作为控制器。这样，整个下位机物理结构可以大大简化，系统设计和调试过程也变得相对简单。

图2是PMAC本身提供的前馈滤波+PID控制算法的框图，其中的各个参数都可以调节，以满足不同需要。

图2：PMAC的PID框图
3. 系统构成方法

3.1 由PMAC构成上下位机系统

简化的逻辑框图如图3所示。

图中，PMAC控制卡通过标准总线与上位机相联，码盘等测速或测角机构通过PMAC上的DD接口传递位置、速度等信息，经PMAC处理，并按上位机给出的控制要求通过PMAC上的DA接口输出合适的电平信号控制转台上的电机运动，从而构成控制闭环。

另外，PMAC通过总线向上位机交换报告转台位置、运行安全等信息，并从上位机获得程序运行所需要的命令，如程序开始、结束和系统复位等。

由于PMAC自身的特性，使诸如码盘信号换算、行程限位等功能可以很方便的实现，且PMAC的可编程特性使系统经由很强的扩展能力，整个系统构成要比普通的上下位机系统显得简单实用。而PMAC的使用也使系统更具通用性，只需作少量调整即可应用于其他设备。

3.2软件环境的选择

过去用于转台控制的上下位机软件系统普遍采用DOS作为操作系统。这一方面是受当时的条件限制，另一方面也是由于DOS的开放性，程序可以直接对硬件进行操作，且一般认为DOS的实时性较好。缺点是控制软件的图形界面不容易通过编程的方式生成，控制和通信程序中揉杂大量用于生成用户界面的代码，调试和维护比较困难，而且直接直接对硬件操作使得程序通用性较差。随着计算机软/硬件及其应用技术的发展，一方面计算机硬件的价格显著降低，软件产品极大丰富，另一方面使用者对程序界面的要求也逐渐提高，越来越多的控制系统软件开始采用Windows作为操作系统。对于PMAC而言，它同时提供了基于DOS和Windows的配置程序、二次开发工具以及例程。稳定性方面，Windows作为控制系统上位机的操作系统已经是流行的做法，说明它可以满足一般要求;而实时性更是一个相对概念，对于转台控制系统而言，只要你有足够快的硬件设备和不太差的控制/通信程序，毫秒级的时间精度不难达到。

这样，如果采用PMAC作控制器，我们可以选用Windows作为上位机的操作系统;而PMAC运行一般并不需人为干预，结果合适配置，上电后会按既定的方式执行程序。PMAC通过驱动程序+开发库的方式提供与OS的接口，Windows下常见的开发工具都可以使用。

4. PMAC相关的程序设计

作为一款成熟的工业产品，PMAC不仅提供了快速稳定的硬件平台，也提供了一套完整的二次开发接口供高级用户使用。PMAC用于数控机床等的控制时，可以由用户编写程序在相应的坐标系内对各个轴的运动轨迹进行方便的控制，并方便地取得各个轴的速度、加速度、位置等信息。

4.1 PMAC的基本运行方式

在PMAC和PC构成的系统中，相对于PMAC，PC机一侧一般称为主机（Host）。

PMAC上的DSP芯片起到C
PU的作用，通过DSP Gate控制程序的运行。用于PC的PMAC的启动过程和普通的板卡没有太大的区别：主机上电后，PMAC默认通过PCI或ISA总线（取决于PMAC的种类）与主机通信，随后PMAC开始自检过程（这一点上很象一台计算机），如果PMAC自检没有问题，则从板上自带的EPROM内读取变量初始设置等配置信息;如果有活动的PLC程序且PLC程序可以运行，则PLC程序也会开始在后台运行。PMAC启动完成后，则可以接收来自主机总线或端口（串行口）的指令，进行进一步的动作。