摘要： 通過(guò)長(zhǎng)期努力，首次成功地將嵌入有itron規(guī)格的RTOS運(yùn)動(dòng)控制器應(yīng)用到全電動(dòng)注塑機(jī)的控制系統(tǒng)，提出了獨(dú)特的電機(jī)方案和有效的過(guò)程控制算法。本文著重介紹一種嵌入式 RTOS的標(biāo)準(zhǔn)——itron規(guī)格，和在其規(guī)格上開(kāi)發(fā)的TH0030A運(yùn)動(dòng)卡，以及全電動(dòng)注塑機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。 1 引言 1.1 全電動(dòng)注塑機(jī)的發(fā)展及其優(yōu)點(diǎn) 在國(guó)內(nèi)目前注塑機(jī)行業(yè)里，使用液壓傳動(dòng)的居多。對(duì)注塑機(jī)進(jìn)行全電機(jī)化是市場(chǎng)新要求，也是必然趨勢(shì)。采用伺服系統(tǒng)對(duì)注塑機(jī)進(jìn)行全電動(dòng)化，是現(xiàn)在比較流行的做法。但伺服系統(tǒng)，成本高，再加之海關(guān)稅和增值稅，伺服系統(tǒng)的產(chǎn)品將在市場(chǎng)上缺乏價(jià)格的競(jìng)爭(zhēng)力。考慮性價(jià)比和現(xiàn)在的技術(shù)，選擇矢量控制變頻器和帶有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的控制器控制三相交流異步電機(jī)，并采用智能控制算法,對(duì)注塑機(jī)進(jìn)行全電動(dòng)化，是可行方案。 1.2 RTOS應(yīng)用中itron迅速崛起 采用itron[1]規(guī)格編寫(xiě)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(qiáng)、易于調(diào)試、簡(jiǎn)化通訊標(biāo)準(zhǔn)、高度的開(kāi)放性、標(biāo)準(zhǔn)化，是世界上工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，表明了itron有潛力變成嵌入式RTOS的世界標(biāo)準(zhǔn)之一。 圖1 task狀態(tài)轉(zhuǎn)換 圖2 全電動(dòng)注塑機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2 TH0030A運(yùn)動(dòng)控制器及其實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 2.1 TH0030A運(yùn)動(dòng)控制卡（TH0030A－MC）及其RTOS的特征 嵌入了itron RTOS運(yùn)動(dòng)芯片的TH0030A－MC，主要有兩大技術(shù)優(yōu)勢(shì)：采用itron規(guī)格編寫(xiě)的RTOS和功能強(qiáng)大的PCL6045芯片。 2.2.1 采用itron規(guī)格編寫(xiě)的RTOS （1） 新內(nèi)核、可移植性、基本差別 在TH0030A－MC上使用的RTOS不是從Window CE,Windows9X/NT, VxWorks,Linux等系統(tǒng)移植過(guò)來(lái)的，TH0030A－MC的RTOS是使用itron規(guī)格編寫(xiě)，具有全新的內(nèi)核和任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理策略。 通過(guò)平臺(tái)可快速移植和使用方便是itron的最大優(yōu)點(diǎn)。由于嵌入式軟件行業(yè)非常分散，在全世界有50多個(gè)軟件廠家，如果有一個(gè)像itron這樣的標(biāo)準(zhǔn)，就會(huì)使嵌入式軟件產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)者，稍加修改就可以把軟件用于以后的應(yīng)用中，而無(wú)須考慮他們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(lái)自內(nèi)核程序庫(kù)的調(diào)用功能；itron RTOS則是規(guī)定使用標(biāo)準(zhǔn)的C格式調(diào)用，并且支持C/C++編程。 （2） 布局省線 TH0030A－MC所有的信號(hào)輸入、輸出量，做在n塊單獨(dú)的小板上，不在主板上。每塊小板控制一個(gè)軸，有幾個(gè)軸需要控制，就添加幾塊小板。每塊小板和主板之間通訊通過(guò)一根arcnet即可，省去了大量連線的麻煩而且高速。另外每塊小板可以根據(jù)需要，被單獨(dú)的安裝在任何位置，而不必考慮它和其它小板、主板之間的關(guān)系。 （3） 多任務(wù) 屬于搶占式操作系統(tǒng)，每個(gè)任務(wù)被分配一定的時(shí)間做處理，并有狀態(tài)表示：“run”、“ready”、“wait”、“suspend”、“wait-suspend”、“dormant”“non-existent”。每個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換見(jiàn)圖1。 在多任務(wù)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(xiàng)任務(wù)被指定一個(gè)優(yōu)先級(jí)，并采用一個(gè)叫做任務(wù)身份證（ID）的號(hào)碼指定作業(yè)。任務(wù)塊（TCB）含有用以管理作業(yè)的信息。Itron RTOS通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用指令按TCB的數(shù)值來(lái)處理設(shè)定和修改。 與其它RTOS不同的是，Itron RTOS可通過(guò)C語(yǔ)言函數(shù)對(duì)任務(wù)進(jìn)行操作，如下：cre_tsk（ID_Task,&TaskConfig）創(chuàng)造一個(gè)任務(wù)；sta_tsk（ID_Task,0）啟動(dòng)一個(gè)任務(wù)；slp_tsk（）休眠一個(gè)任務(wù);ter_tsk（ID_Task）中止一個(gè)任務(wù)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(shí)候調(diào)用。（其中，ID_Task：任務(wù)的ID；TaskConfig：任務(wù)的結(jié)構(gòu)） （4） 人機(jī)界面 圖3 task流程圖 圖4 全電注塑機(jī)控制原理框圖 在TH0030A－MC上，應(yīng)用itron規(guī)范編寫(xiě)一個(gè)log file的task，配合VB界面，通過(guò)Ethernet通訊，在程序運(yùn)行的時(shí)候，可以方便地在PC上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)。 （5） 實(shí)時(shí)性 itron對(duì)于實(shí)時(shí)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。1）itron規(guī)范對(duì)應(yīng)該通過(guò)微控制器硬件層次結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化的那些特征標(biāo)志，和應(yīng)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。2）影響實(shí)時(shí)應(yīng)用中響應(yīng)時(shí)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(shí)間上，可以將寄存器換出。也可以在發(fā)生外部中斷時(shí)，旁路RTOS以啟動(dòng)運(yùn)行一個(gè)中斷處理程序。 （6） 推廣能力 對(duì)于把RTOS用在工業(yè)實(shí)時(shí)控制上，Window CE是最近一兩年的事，還不夠成熟；VxWorks價(jià)格太昂貴；Linux實(shí)時(shí)性太差。Itron則沒(méi)有它們的缺點(diǎn)，適合推廣。 2.2.2 功能強(qiáng)大的PCL6045芯片 對(duì)于TH0030運(yùn)動(dòng)卡，用戶可自己編寫(xiě)和調(diào)用C語(yǔ)言函數(shù)對(duì)PCL6045芯片上的每個(gè)寄存器操作。該P(yáng)CL6045芯片可以同時(shí)控制四個(gè)軸。它可以對(duì)編碼器的數(shù)值產(chǎn)生倍頻；可自行計(jì)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(jì)算機(jī)器實(shí)際位置、計(jì)算偏差位置；可鎖住它們的位置；保存外部中斷狀態(tài)、錯(cuò)誤中斷狀態(tài)、事件中斷狀態(tài)；可軟件reset寄存器：可reset控制位置寄存器或機(jī)器位置寄存器等等。它使得對(duì)于多軸的位置或速度控制等，變得輕而易舉。 3 TH0030A運(yùn)動(dòng)卡的應(yīng)用 在注塑機(jī)這個(gè)行業(yè)里，控制對(duì)象要求高精密（射膠部分）、高響應(yīng)（保壓部分）、安全可靠（鎖模部分），故選擇TH0030A運(yùn)動(dòng)卡?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。 上位控制器有三大主要功能：設(shè)定控制參數(shù)和目標(biāo)；顯示控制結(jié)果；協(xié)調(diào)機(jī)器各環(huán)節(jié)的動(dòng)作順序。 運(yùn)動(dòng)控制器-主要功能是在上位控制器的協(xié)調(diào)下，完成過(guò)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(shí)現(xiàn)射膠電機(jī)、溶膠電機(jī)、開(kāi)鎖模電機(jī)和頂出電機(jī)的控制。 控制流程可以描述為：由上位控制器指令要實(shí)現(xiàn)何種控制（例如射膠的速度或壓力控制），運(yùn)動(dòng)控制器將根據(jù)接受到的指令和實(shí)際狀況，給出控制調(diào)節(jié)信號(hào)至變頻器；變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)通過(guò)永磁皮帶與滾珠絲杠相連，將圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)速度、壓力或位置的控制。 （1） 程序基本設(shè)計(jì)思路（軟件）,見(jiàn)圖3。 （2） 全電注塑機(jī)控制原理框圖（硬件）,見(jiàn)圖4。 4 結(jié)束語(yǔ) itron規(guī)格在國(guó)內(nèi)目前鮮為人知，但其豐富的功能、優(yōu)越的性能，及其開(kāi)放性的政策，使得itron規(guī)格有潛力變成嵌入式RTOS的世界標(biāo)準(zhǔn)之一。另外，注塑機(jī)行業(yè)全電機(jī)化是必然趨勢(shì)，用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)是可行的?；讵?dú)到的見(jiàn)解和大膽的設(shè)想，使用特制誘導(dǎo)電機(jī)、嵌入式運(yùn)動(dòng)控制卡、自主開(kāi)發(fā)的控制算法，我們開(kāi)發(fā)成功了低成本、高性能的誘導(dǎo)全電動(dòng)注塑機(jī)。使機(jī)器的電氣成本同比降低50%左右，機(jī)器的控制性能比油壓注塑機(jī)有大幅度的提高，而不遜于國(guó)內(nèi)廠家開(kāi)發(fā)的通常概念的永磁全電動(dòng)注塑機(jī)，在穩(wěn)定性和壽命方面更有其優(yōu)勢(shì)。