基于 PMAC 的时基控制（电子凸轮）原理与应用
李显 汤以范 何法江
（上海工程技术大学 机械学院 201620）
摘要: 本文概要地介绍了 PMAC 的结构原理, 主要讨论了 PMAC 的时基控制的原理与功能，
并给出了实际应用的例子。
关键词：PMAC 时基控制 编码器
The Principle of PMAC’s Time-based control and its Application
LI Xian TANG Yi-Fan HE Fa-Jiang
Abstract: PMAC’s structure and principle were introduced , the principle and function of the
PMAC’s Time-based control were discussed , and practical example was given.
Keywords : PMAC; PMAC Time-based control; Encoder.
1 开放式控制器 PMAC 简介
PMAC ( Programmable Multi-Axis Controller)可编程多轴运动控制器，是美国 Delta Tau
Data System 公司于推出的 PC 机平台上的运动控制器,是一个完全开放的系统。它采用了
Motorola 公司的高性能信号数字处理器 DSP5600 作为 CPU ,是世界上功能最强大的运动控制
器之一。从硅谷计算机硬盘的超高精度的伺服磁道写入，到高级 CNC 机械控制，以及机器
人、硅晶片处理、激光切割等广大领域，最著名的例子是 PMAC 被用来控制哈勃望远镜镜面
的修磨。PMAC 可以控制步进、交直流伺服、直线电机、液压伺服等各类电机，可以接受诸
如增量绝对码盘、光栅尺、激光干涉仪、电位计、旋转变压器等检测元件的反馈功能。另外，
由于作为 CNC 最深层次的 NC 内核的开放，PMAC 允许用户使用诸如 VC++ 、C、C++ 、
VB、Delphi 等多种语言开发程序,极大地方便了用户。
2 PMAC的结构及原理
PMAC外形简易图如下:
图1 PMAC结构框图
J1 : 模拟量输入口, 此接口可接受16路0-5V12位的模拟信号
J2 : 多端口I/O扩展口, 可提供8进8出点供用户使用
J3 : 通用I/O接口, 此接口可提供16进16出输入输出点
J4 : 光缆接口, 用于与具有光缆接口驱动器和I/ O 板使用
J5 : 串行数据接口, 可与上位机进行串口通讯
J6 : 显示器接口
J7 : 手轮编码器接口, 可接收手轮脉冲或编码器信号
J8 : 位置比较相等输出信号接口
J9～J12 : 1～8 号电机的输入输出接口
PMAC 运动控制器提供了运动控制、过程控制、离散控制、内部处理、同主机的交互等
基本功能,伺服控制包括 PID 和速度、加速度前馈控制。它的速度、分辨率、带宽、伺服控制
精度等指标远远优于一般的控制器。它能够对存储在内部的程序进行单独运算，执行运动程
序、PLC 程序进行伺服环更新，并以串口、总线两种方式与主计算机进行通讯。PMAC 本
身就是一台完整的计算机,能够完全独立于操作系统之外处理存储的程序，进行加工。而且它
还可以自动对任务进行优先等级判别，从而进行实时的多任务处理，这使得它在处理时间和
任务切换这两方面大大减轻主机和编程器的负担。即使在主机控制之下,两者之间的通讯也是
一台计算机和另一台计算机之间的通讯，而不是计算机和外部设备的通讯。通过特定设计的
门阵列 ICS(作为 DSP - GATE)，PMAC 实现 CPU 与轴的通信。PMAC 所控制的 8 根轴既
可联动，亦可在各自的坐标系中完成各自独立的完全运动。
3 关于PMAC时基控制(电子凸轮)
PMAC 有许多强大的特性来帮助它所控制的运动与外部事件同步。这些特殊性包括:位置
跟随，通常叫做电子齿轮;时基控制,通常叫做电子凸轮；位置捕捉，在定位操作中很有用处；
位置比较，可用于精确的扫描与测量功能。下面就其中的时基控制功能进行详细的描述。
时基控制是一种与外部轴协调的更复杂的方法，即用输入信号的频率来控制运动和程序
的执行速率。时基控制在整个坐标系中进行，每一次必须指定哪一个编码器寄存器接收输入
频率，以及输入频率与程序执行速度间的关系。这不仅使运动速度与输入频率成比例（频率
始终在接近零），而且保持所有位置的同步。
PMAC的运动语言把位置轨迹表示成时间的函数。无论运动是由时间直接决定,还是通过速度，
最终轨迹都是被定义成位置与时间之间的函数。这对于大多数的应用是好的，但是，在一些
应用中，有时需要PMAC的轴从动于不在PMAC 控制下的一根外部轴(或者有时是在PMAC
控制下的另外一个坐标系的独立轴) 。在这些应用中，更希望把PMAC 有轨迹定义成主位置
的函数而不是时间。PMAC 完成这一功能的方法是使“时间”同主轴通过的距离成比例,而不是
通过语言表达成“时间”的函数,这是通过定义一个从主轴位置传感器得到的“实时输入频率”来
完成的。它的单位是步/ ms。
时基控制通过从上一个伺服周期以来的每个指令位置更新来工作，而伺服周期的实际时
间并没有改变，伺服环的动态性能也没有改变。仅仅是指令轨迹的速率随外部频率而变化，
而由于坐标系内所有轨迹一起变化，所以空间的路径并没有改变。
4 时基控制的应用实例
我们以车床上加工多线螺纹为例介绍 PMAC 卡如何利用一个外部时基进行复杂的精确
从动。PMAC 将它的切削轴从动于主轴编码器，使得刀具速度跟踪主轴速度，从而得到恒定
的螺距，这可以在时基控制下完成。为主轴定义一个“实时”速度，并以此设置时基常数。在
假设主轴运行于实时速度的前提下对从动轴编写程序时基控制将会自动主轴速度的变化。
我们加工一个 5 螺距（每英寸 5 线）螺杆。假设主轴速度为 50rps.因此切削速度为 50
（rev/sec）/5（rev/in）＝10in/sec.为了使刀具与每道螺纹配准（50rev/sec<=>20msec/rev）每个
循环的程序时间必须精确地为 20msec/rev 的倍数。
图 2 控制原理图
基本设定和程序编写如下：
设定和定义：
&1 ；在坐标系统 1 中定义轴
＃1-＞1000X ；电机 1 在 X 轴方向以 1000cts 径向切削
＃2-＞10000X ；电机 2 在 X 轴方向以 10000cts 切削
主轴编码器为 1024 线/rev 或 4096cts/rev.在实时速度为 3000rpm(50rps)时，编码器频率为
131,072/＝640
WY:1833,640 ；设置时基常数（在地址 1833）
1193＝1183 ； 通知坐标系统 1 用此地址作为时基来源
运动程序如下：
OPEN PROG 77 CLEAR ；准备进入程序缓存
P100= ；X（径向）与毛 距离
P101=P100 ；切削起始位置
RAPID X() Z2 ；快速运动到起始位置
WHILE(P101<) ；循环直到深度为 英寸
P101=P101+ ； 增加深切
TM100 ；100msec“切如”时间
X(P101) ；进入毛 的轴半径（“切入）
TM(24*1000/10) ；以 10in/sec 运动 24 英寸
Z26 ；制造 24 英寸螺纹（26-2）
TM60 ；60msec 退刀时间
X() ；刚好退到毛 外
TM(24*1000/30) ；以 30in/sec 运动 24 英寸
Z20 ；从下一个螺纹反向运动
；循环中运动的总时间为
；100+2400+60+800＝3360msec
；正好是 20msec 的倍数或主轴转一圈
ENDWHILE ；结束循环
RAPID X0 Z0 ；返回初始位置
CLOSE
5 结束语
本文分析了开放式控制卡PMAC的时基控制原理，从中可以知道PMAC时基控制技术很
好的解决了从动坐标系与主动坐标系的良好的同步问题。这一功能可广泛地应用于机械制造、
自动控制等领域, 它可以使两个不同的事件达到精确的同步运行。
参考文献：
[1] 黎凌霄，吕强中. 基于 PC 柔性和开放性的可编程多轴控制器 [J ]. 机械工程师, 2002 ,(5):6.
[2] PMAC 四轴卡软件、硬件手册，版本
[3] PMAC 附件软、硬件手册， 版本
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