基于运动控制卡的伺服控制系统开发研究

2024年1月4日发(作者：岭上云)

『　基于运动控制卡的伺服控制系统开发研究　一　０麓　项小东．白国振　（上海理工大学机械工程学院，　上海　２０００９３）　ＳＶ—ＰＣＩ运动控制卡构建“ＰＣ＋运动控制卡”型开放式数控平台，研究其在伺服控制系统中的应用。利用　为工具进行二次开发。通过调用运动控制卡提供的运动函数库设计伺服控制系统软件。同时给出编程实　伺服控制系统；ＭＦＣ；运动函数库　关键词：运动控制　；　中图分类号：ＴＰ２７３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９－９４９２（２０１０）１　１—００２０—０３　１引言　随着我国工业的飞速发展。生产领域的自动化程度也　越来越高．日益增长的新型制造技术要求数控系统灵活适　小惯量三相伺服电机。上位控制单元由ＰＣ机和运动控制　卡一起组成，ＰＣ机主要负责信息流和数据流的管理。控制　卡插在ＰＣ机主板上的ＰＣＩ插槽内。运动控制卡的连接板　与驱动器相连，驱动器控制模式采用编码器速度控制，驱　应多种自动化解决方案…。传统的数字运动控制装置一　般直接采用微机或单片机来实现位置控制，外围电路复　动器接收到运动控制卡发出的脉冲信号，通过内部电路控　制电机运转，并接收电机上的编码器反馈信号调整对电机　的控制，如此构成一个半闭环的伺服控制系统。控制系统　的构成如图１所示。　杂，计算速度慢。近年来，运动控制系统的速度和精度愈　来愈高，使得传统的运动控制系统难以取得满意的控制效　果　。　ＤＳＰ（数字信号处理器）具有运算速度快的特点，支　持复杂的运动算法．可以满足高精度运动控制的要求＿３］。　因此。以ＤＳＰ为核心的多轴运动控制卡越来越广泛地应用　在运动控制系统中。将多轴运动控制卡插在工控机的ＩＳＡ　２．２运动控制卡主要功能　运动控制卡负责系统的实时控制。数字式运动控制卡　以ＤＳＰ芯片为核心。采用目前流行的ＦＰＧＡ设计结构，用　于控制步进电机和数字伺服电机，实现直线、圆弧插补和　或ＰＣＩ扩展槽上，就可以组成高精度运动控制系统。位置　反馈信号的采集、闭环控制计算及控制量的输出均由运动　控制卡完成，极大地提高了运算速度和控制响应速度，将　工控机的资源从繁琐的数据采集和计算中解放出来．从而　可以更好地实施整个控制系统的管理。本文主要采用ＰＣ＋　运动控制卡的方式研究伺服控制系统，利用ＶｉｓｕａｌＣ＋＋语　言开发运动控制系统的软件。　样条函数等运动控制功能。运动控制卡作为电机的上位单　２控制系统硬件组成　２．１硬件设备的组成　数控系统的硬件主要由以下几个部分构成：ＰＣ机、运　动控制卡、伺服驱动器和伺服电机。系统选用的ＰＣ机为　研华的工控机．性能稳定。运动控制卡为固高公司的ＧＥ一　４００一ＳＶ—ＰＣＩ四轴运动控制卡。伺服驱动器和伺服电机采　用的是步科ＥＤ一４３０伺服驱动器＋６０Ｓ一００４０—３０ＸＸＸ一４ＬＧ　收稿日期：２０１０—０５—３１　图１　控制系统构成　［二］　Ⅱ　

工业自　元，与计算机构成主从式控制结构。计算机主要完成人机　交互界面的管理、控制系统的检测。计算机通过接口向运　动控制卡发出运动控制指令．包括脉冲和方向信号的输　出、原点和限位开关等信号的检测等．并通过该接口获取　运动控制器的当前状态和相关控制参数。运动控制器实现　轨迹规划、位置控制、主机命令处理和控制器Ｉ／Ｏ管理。　运动控制器与伺服驱动系统通过转接板连接．并通过编码　器接口，获得运动位置反馈信息，通过４路脉冲输出接口　控制伺服电机实现系统要求的运动［４１。控制卡结构及与端　子板连接如图２所示。　图２　控制卡结构及与端子板连接图　３控制系统软件设计　３．１运动控制函数库　运动控制卡在软件方面提供了丰富的运动控制函数　库，以满足应用中的各种要求。用户只需根据控制系统的　图３　系统程序设计流程　３．２．１初始化运动控制卡　控制系统执行程序的第一步就是初始化运动控制卡．　主要用到的控制函数见表１。　具体要求编制相应的人机界面，并且调用控制卡运动函　数库中的指令函数，就可以开发出满足要求的多轴运动　控制系统。运动函数库为单轴及多轴的步进和伺服控制　提供了许多运动函数比如单轴运动、多轴独立运动和多　轴插补运动等等。另外，为了配合运动控制系统的开发，　还提供了一些辅助函数，如中断处理、编码器反馈、间　ＧＴ＿表１　控制函数名称及功能　甬数　Ｏｐｅｎ（）　打开运动控制器　功能说明　隙补偿等［ｓ　Ｊ　运动控制器提供运动函数库和Ｗｉｎｄｏｗｓ动态连接库　．　将这些控制函数与数控系统所需的数据处理、界面显示和　ＧＴ　Ｒｅｓｅｔ（）　Ｃ１１＿ＬｍｔＳｎｓ　（）　复位运动控制器　设置运动控制器各轴限位开关触发电平　ＧＴ　ＨｏｍｅＳｎｓ（）　设置运动控制器各轴Ｈｏｍｅ信号触发沿　ＧＴ　ＥｎｃＳｎｓ　ｆ）　用户接口等应用程序模块集成在一起，可建造符合特定应　用要求的数控系统。文中在Ｗｉｎｄｏｗｓ系统下，利用Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋６．０的ＭＦＣ以面向对象的方式进行编程。控制卡在　Ｗｉｎｄｏｗｓ下的动态库包括头文件ｇｅｓ．ｈ、ｇｅｓ．１ｉｂ、和ｇｅｓ．ｄｌｌ。　设置运动控制器各轴编码器计数方向　ＧＴＡｘｉｓＯｎ（）　使能指定控制轴　设置指定控制轴的脉冲输出方式为“脉冲／方向”方式　将指定控制轴设置为闭环控制模式　ＧＴＳｔｅｐＤｉｒ（）　＿ＧＴＣｌｏｓｅＬｐ（）　在ＶＣ＋＋环境下．选择“Ｐｒｏｊｅｅｔ”菜单下的”Ｓｅｔｔｉｎｇｓ…”　菜单项，切换到“Ｌｉｎｋ”标签页．在“Ｏｂｊｅｃｔ／ｌｉｂｒａｒｙ　ｍｏｄ—　ｕｌｅｓ”栏中输入ｇｅｓ．１ｉｂ，用户就可以在Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋中调用函　对于ＰＣＩ总线的运动控制器，调用指令ＧＴ　Ｏｐｅｎ时不　必指定运动控制器的基地址。调用指令ＧＴ＿Ｒｅｓｅｔ将使运　动控制器的所有寄存器恢复到默认状态。一般在打开运动　控制器之后调用该指令。　３．２．２运动控制　数库中的任何函数．开始编写应用程序。　３．２程序设计　运动控制卡通过接收ＰＣ机发出的操作命令，实时控　制伺服驱动器。整个控制系统的工作过程可分为以下几个　部分：启动运动控制卡并初始化、设置运动差数、执行运　动程序、关闭运动控制卡。控制系统程序设计流程如图３。　该运动控制卡可实现点位运动和连续轨迹运动。点位　运动可以进行位置控制或速度控制。在位置控制模式下提　供了２种加减速方式：梯形曲线加减速和Ｓ曲线加减速。　［二］　Ⅱ　

自动化　梯形曲线加减速允许在运动过程当中随时修改目标位置和　目标速度；Ｓ曲线加减速允许在运动过程当中随时修改目　标位置。在加速度相等的情况下梯形曲线具有较短的加减　ＣＳｔｒｉｎｇ　ｓｔｒ，　ＵＩＮＴ　ｈｉＤ　１＝ＧｅｔＣｈｅｃｋｅｄＲａｄｉｏＢｕｔｔｏｎ（ＩＤＣ—ＲＡ．　ＤＩＯ１，ＩＤＣＲＡＤＩＯ３）；　—速时问，而Ｓ曲线的运动比较平滑。应当针对具体应用场　合选择相应的加减速模式。在速度控制模式下，运动控制　器按照所设定的加速度加速或减速到目标速度．在运动过　ＣｅｔＤｌｇｌｔｅｍＴｅｘｔ（ｎＩＤ１，ｓｔｒ）；　ｉｆ（ｓｔｒ＝：　）　ＭｅｓｓａｇｅＢｏｘ（“请选择运动图像”）；　ｅｌｓｅ　ｉｆ（８ｔｒ＝－－“正三角形”）　程当中可以随时修改目标速度。运动控制器可以实现直线　插补、圆弧捕补，通过前瞻预处理能够实现小线段高速平　滑的连续轨迹运动。　｛　ｄｏｕｂｌｅ　ａ＝５０；　ａ＝ａ　ｍｅｓｍｍｍ；　为了方便地实现多段连续轨迹运动．运动控制器提供　一个大小为８ｋ字的缓冲区　用户可先将部分轨迹描述或　ＧＴ＿ＢｕｆｌＯＢｉｔ（１，１）；　ＧＴＬｎＸＹＧ０（０，０）；　＿参数指令存放在该缓冲区中（以缓冲区满为限），然后发　出执行指令。在运动控制器执行缓冲区内轨迹描述指令的　同时，用户可继续向这个缓冲区内下载轨迹描述或参数指　令。运动控制器规定，打开并清空缓冲区后，必须紧接定　Ｇ　ｒ－ＬｎＸＹ（ａ，０）；　ＧＴ＿ＬｎＸＹ（ａ／２，０．８６６　ａ）；　ＬｎＸＹ（０，０）；　ＧＴ位运动起点位置指令。　３．２．３状态检测　ｌ　ＧＴＢｕｆＩＯＢｉｔ（１，０）；　＿用户可以从运动控制器提供的状态寄存器读取控制轴　状态、连续轨迹运动状态和指令状态。调用指令　正方形与圆形的编程过程与上述过程类似。运动显示　模块经编译无误后生成可执行文件，执行后如图４所示，　ＧＴ　ＧｅｔＣｒｄＳｔｓ读取连续轨迹运动状态寄存器．连续轨迹运　动状态寄存器的ｂｉｔ０指示连续轨迹运动状态。调用指令　ＧＴ＿与硬件连接后可以实现预先设定的各种运动模式。可以显　示各轴的事实坐标。达到了预期的效果。　ＧｅｔＭｏｄｅ查询运动控制器控制轴的工作模式。通过调　用ＧＴ　ＧｅｔＡｔｌＰｏｓ获得当前轴的实际位置。　４开发编程实例　现以ＸＹ两轴运动实现延三角形、正方形以及圆等指　定图形的轨迹运动为例介绍开发过程。首先在Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋　下利用ＭＦＣ创建一个基于对话框的工程。将ｇｅｓ．ｈ、ｇｅｓ．１ｉｂ　添加进工程，在编程时．头文件阜要包含ｇｅｓ．ｈ。然后在对　话框中添加相应的按钮和编辑框　。　首先进行控制卡和各轴的初始化，对相应的按钮添加　消息响应函数，主要应用到如下代码：　ＧＴ＿Ｏｐｅｎ　０：／／打开运动控制卡设备　ＧＴ＿Ｒｅｓｅｔ　０；／／复位运动控制卡　ＧＴ　ＬｍｔｓＯｆｆ　０：／／关闭当前轴限位开关　ＧＴ＿ＣｔｒｌＭｏｄｅ　０；／／设置输出模拟量为Ｏ，脉冲量为１　ＧＴ＿ＣｌｏｓｅＬｐ　０：／／设置为闭环控制　ＡｘｉｓＯｎ　０：／／使当前轴处于工作状态　—ＧＴ　ＣｌｒＳｔｓ　０：／／清除前轴状态　ＧＴ＿图４　应用程序　启动和停止按钮分别添加代码ＧＴＳｔｒｔＬｉｓｔ（　），　ＧＴ＿ＭｖＸＹ（）；和ＧＴ＿ＥＳｔｐＭｔｎ（）。在ＸＹ轴实时坐标　５结束语　本文以运动控制卡为核心构建数控系统硬件平台。结　合ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ软件平台．利用ＶｉｓｕａｌＣ＋＋语言作为开发工　显示中加入坐标映射函数ＧＴ＿ＭａｐＡｘｉｓ（），可以显示出当　前轴的坐标位置。　沿图像轨迹运动示例的主要程序如下：　ｉｆ（ｓｔｒ＝＝“取消示例”）　具，介绍了二次开发的全过程并给出了编程实例，完成人　机交互界面的管理和控制系统的实时监控。试验证明　｛　“ＰＣ＋运动控制卡”方案控制伺服电机集成度高，可靠性　（下转第９２页）