摘要： 通過長期努力，首次成功地將嵌入有itron規格的RTOS運動控制器應用到全電動注塑機的控制系統，提出了獨特的電機方案和有效的過程控制算法。本文著重介紹一種嵌入式 RTOS的標準——itron規格，和在其規格上開發的TH0030A運動卡，以及全電動注塑機控制系統的實現。 1 引言 1.1 全電動注塑機的發展及其優點 在國內目前注塑機行業里，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。采用伺服系統對注塑機進行全電動化，是現在比較流行的做法。但伺服系統，成本高，再加之海關稅和增值稅，伺服系統的產品將在市場上缺乏價格的競爭力。考慮性價比和現在的技術，選擇矢量控制變頻器和帶有實時操作系統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，是可行方案。 1.2 RTOS應用中itron迅速崛起 采用itron[1]規格編寫的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、易于調試、簡化通訊標準、高度的開放性、標準化，是世界上工業應用最為廣泛的實時操作系統等優點，表明了itron有潛力變成嵌入式RTOS的世界標準之一。 圖1 task狀態轉換 圖2 全電動注塑機控制系統結構 2 TH0030A運動控制器及其實時操作系統 2.1 TH0030A運動控制卡（TH0030A－MC）及其RTOS的特征 嵌入了itron RTOS運動芯片的TH0030A－MC，主要有兩大技術優勢：采用itron規格編寫的RTOS和功能強大的PCL6045芯片。 2.2.1 采用itron規格編寫的RTOS （1） 新內核、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等系統移植過來的，TH0030A－MC的RTOS是使用itron規格編寫，具有全新的內核和任務調度、內存管理策略。 通過平臺可快速移植和使用方便是itron的最大優點。由于嵌入式軟件行業非常分散，在全世界有50多個軟件廠家，如果有一個像itron這樣的標準，就會使嵌入式軟件產品的開發者，稍加修改就可以把軟件用于以后的應用中，而無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用軟件中斷來自內核程序庫的調用功能；itron RTOS則是規定使用標準的C格式調用，并且支持C/C++編程。 （2） 布局省線 TH0030A－MC所有的信號輸入、輸出量，做在n塊單獨的小板上，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通訊通過一根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需要，被單獨的安裝在任何位置，而不必考慮它和其它小板、主板之間的關系。 （3） 多任務 屬于搶占式操作系統，每個任務被分配一定的時間做處理，并有狀態表示：“run”、“ready”、“wait”、“suspend”、“wait-suspend”、“dormant”“non-existent”。每個狀態的轉換見圖1。 在多任務中的諸多程序是并行執行的。采用優先權調度方式。每項任務被指定一個優先級，并采用一個叫做任務身份證（ID）的號碼指定作業。任務塊（TCB）含有用以管理作業的信息。Itron RTOS通過系統調用指令按TCB的數值來處理設定和修改。 與其它RTOS不同的是，Itron RTOS可通過C語言函數對任務進行操作，如下：cre_tsk（ID_Task,&TaskConfig）創造一個任務；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，這些函數的調用可以放在程序的任何地方，可以在需要的時候調用。（其中，ID_Task：任務的ID；TaskConfig：任務的結構） （4） 人機界面 圖3 task流程圖 圖4 全電注塑機控制原理框圖 在TH0030A－MC上，應用itron規范編寫一個log file的task，配合VB界面，通過Ethernet通訊，在程序運行的時候，可以方便地在PC上實時監測程序目前執行到什么地方。這樣，方便了用戶調試自己的程序，也利于數據的檢測。 （5） 實時性 itron對于實時性的思路是：嵌入式系統在硬件優化和軟件效率之間折衷考慮。1）itron規范對應該通過微控制器硬件層次結構標準化的那些特征標志，和應該根據硬件及其功能性質優化的那些成份，都做了明確的區分。2）影響實時應用中響應時間的那些因素，一般都與作業轉換功能和中斷處理例行程序有關。Itron規范規定，在規定的高速作業轉換時間上，可以將寄存器換出。也可以在發生外部中斷時，旁路RTOS以啟動運行一個中斷處理程序。 （6） 推廣能力 對于把RTOS用在工業實時控制上，Window CE是最近一兩年的事，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。 2.2.2 功能強大的PCL6045芯片 對于TH0030運動卡，用戶可自己編寫和調用C語言函數對PCL6045芯片上的每個寄存器操作。該PCL6045芯片可以同時控制四個軸。它可以對編碼器的數值產生倍頻；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、錯誤中斷狀態、事件中斷狀態；可軟件reset寄存器：可reset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。 3 TH0030A運動卡的應用 在注塑機這個行業里，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。控制系統的結構如圖2所示。 上位控制器有三大主要功能：設定控制參數和目標；顯示控制結果；協調機器各環節的動作順序。 運動控制器-主要功能是在上位控制器的協調下，完成過程控制，如壓力、位置以及速度的控制，并把控制的結果和相關狀態傳遞給上位控制器。具體地，就是實現射膠電機、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：由上位控制器指令要實現何種控制（例如射膠的速度或壓力控制），運動控制器將根據接受到的指令和實際狀況，給出控制調節信號至變頻器；變頻器驅動電機旋轉，電機通過永磁皮帶與滾珠絲杠相連，將圓周運動轉換成直線運動，從而實現速度、壓力或位置的控制。 （1） 程序基本設計思路（軟件）,見圖3。 （2） 全電注塑機控制原理框圖（硬件）,見圖4。 4 結束語 itron規格在國內目前鮮為人知，但其豐富的功能、優越的性能，及其開放性的政策，使得itron規格有潛力變成嵌入式RTOS的世界標準之一。另外，注塑機行業全電機化是必然趨勢，用變頻技術實現是可行的。基于獨到的見解和大膽的設想，使用特制誘導電機、嵌入式運動控制卡、自主開發的控制算法，我們開發成功了低成本、高性能的誘導全電動注塑機。使機器的電氣成本同比降低50%左右，機器的控制性能比油壓注塑機有大幅度的提高，而不遜于國內廠家開發的通常概念的永磁全電動注塑機，在穩定性和壽命方面更有其優勢。