基于運動控制卡的伺服控制系統開發研究

2024年1月4日發(作者：嶺上云)

『　基于運動控制卡的伺服控制系統開發研究　一　０麓　項小東．白國振　（上海理工大學機械工程學院，　上海　２０００９３）　ＳＶ—ＰＣＩ運動控制卡構建“ＰＣ＋運動控制卡”型開放式數控平臺，研究其在伺服控制系統中的應用。利用　為工具進行二次開發。通過調用運動控制卡提供的運動函數庫設計伺服控制系統軟件。同時給出編程實　伺服控制系統；ＭＦＣ；運動函數庫　關鍵詞：運動控制　；　中圖分類號：ＴＰ２７３　文獻標識碼：Ａ　文章編號：１００９－９４９２（２０１０）１　１—００２０—０３　１引言　隨著我國工業的飛速發展。生產領域的自動化程度也　越來越高．日益增長的新型制造技術要求數控系統靈活適　小慣量三相伺服電機。上位控制單元由ＰＣ機和運動控制　卡一起組成，ＰＣ機主要負責信息流和數據流的管理。控制　卡插在ＰＣ機主板上的ＰＣＩ插槽內。運動控制卡的連接板　與驅動器相連，驅動器控制模式采用編碼器速度控制，驅　應多種自動化解決方案…。傳統的數字運動控制裝置一　般直接采用微機或單片機來實現位置控制，外圍電路復　動器接收到運動控制卡發出的脈沖信號，通過內部電路控　制電機運轉，并接收電機上的編碼器反饋信號調整對電機　的控制，如此構成一個半閉環的伺服控制系統。控制系統　的構成如圖１所示。　雜，計算速度慢。近年來，運動控制系統的速度和精度愈　來愈高，使得傳統的運動控制系統難以取得滿意的控制效　果　。　ＤＳＰ（數字信號處理器）具有運算速度快的特點，支　持復雜的運動算法．可以滿足高精度運動控制的要求＿３］。　因此。以ＤＳＰ為核心的多軸運動控制卡越來越廣泛地應用　在運動控制系統中。將多軸運動控制卡插在工控機的ＩＳＡ　２．２運動控制卡主要功能　運動控制卡負責系統的實時控制。數字式運動控制卡　以ＤＳＰ芯片為核心。采用目前流行的ＦＰＧＡ設計結構，用　于控制步進電機和數字伺服電機，實現直線、圓弧插補和　或ＰＣＩ擴展槽上，就可以組成高精度運動控制系統。位置　反饋信號的采集、閉環控制計算及控制量的輸出均由運動　控制卡完成，極大地提高了運算速度和控制響應速度，將　工控機的資源從繁瑣的數據采集和計算中解放出來．從而　可以更好地實施整個控制系統的管理。本文主要采用ＰＣ＋　運動控制卡的方式研究伺服控制系統，利用ＶｉｓｕａｌＣ＋＋語　言開發運動控制系統的軟件。　樣條函數等運動控制功能。運動控制卡作為電機的上位單　２控制系統硬件組成　２．１硬件設備的組成　數控系統的硬件主要由以下幾個部分構成：ＰＣ機、運　動控制卡、伺服驅動器和伺服電機。系統選用的ＰＣ機為　研華的工控機．性能穩定。運動控制卡為固高公司的ＧＥ一　４００一ＳＶ—ＰＣＩ四軸運動控制卡。伺服驅動器和伺服電機采　用的是步科ＥＤ一４３０伺服驅動器＋６０Ｓ一００４０—３０ＸＸＸ一４ＬＧ　收稿日期：２０１０—０５—３１　圖１　控制系統構成　［二］　Ⅱ　

工業自　元，與計算機構成主從式控制結構。計算機主要完成人機　交互界面的管理、控制系統的檢測。計算機通過接口向運　動控制卡發出運動控制指令．包括脈沖和方向信號的輸　出、原點和限位開關等信號的檢測等．并通過該接口獲取　運動控制器的當前狀態和相關控制參數。運動控制器實現　軌跡規劃、位置控制、主機命令處理和控制器Ｉ／Ｏ管理。　運動控制器與伺服驅動系統通過轉接板連接．并通過編碼　器接口，獲得運動位置反饋信息，通過４路脈沖輸出接口　控制伺服電機實現系統要求的運動［４１。控制卡結構及與端　子板連接如圖２所示。　圖２　控制卡結構及與端子板連接圖　３控制系統軟件設計　３．１運動控制函數庫　運動控制卡在軟件方面提供了豐富的運動控制函數　庫，以滿足應用中的各種要求。用戶只需根據控制系統的　圖３　系統程序設計流程　３．２．１初始化運動控制卡　控制系統執行程序的第一步就是初始化運動控制卡．　主要用到的控制函數見表１。　具體要求編制相應的人機界面，并且調用控制卡運動函　數庫中的指令函數，就可以開發出滿足要求的多軸運動　控制系統。運動函數庫為單軸及多軸的步進和伺服控制　提供了許多運動函數比如單軸運動、多軸獨立運動和多　軸插補運動等等。另外，為了配合運動控制系統的開發，　還提供了一些輔助函數，如中斷處理、編碼器反饋、間　ＧＴ＿表１　控制函數名稱及功能　甬數　Ｏｐｅｎ（）　打開運動控制器　功能說明　隙補償等［ｓ　Ｊ　運動控制器提供運動函數庫和Ｗｉｎｄｏｗｓ動態連接庫　．　將這些控制函數與數控系統所需的數據處理、界面顯示和　ＧＴ　Ｒｅｓｅｔ（）　Ｃ１１＿ＬｍｔＳｎｓ　（）　復位運動控制器　設置運動控制器各軸限位開關觸發電平　ＧＴ　ＨｏｍｅＳｎｓ（）　設置運動控制器各軸Ｈｏｍｅ信號觸發沿　ＧＴ　ＥｎｃＳｎｓ　ｆ）　用戶接口等應用程序模塊集成在一起，可建造符合特定應　用要求的數控系統。文中在Ｗｉｎｄｏｗｓ系統下，利用Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋６．０的ＭＦＣ以面向對象的方式進行編程。控制卡在　Ｗｉｎｄｏｗｓ下的動態庫包括頭文件ｇｅｓ．ｈ、ｇｅｓ．１ｉｂ、和ｇｅｓ．ｄｌｌ。　設置運動控制器各軸編碼器計數方向　ＧＴＡｘｉｓＯｎ（）　使能指定控制軸　設置指定控制軸的脈沖輸出方式為“脈沖／方向”方式　將指定控制軸設置為閉環控制模式　ＧＴＳｔｅｐＤｉｒ（）　＿ＧＴＣｌｏｓｅＬｐ（）　在ＶＣ＋＋環境下．選擇“Ｐｒｏｊｅｅｔ”菜單下的”Ｓｅｔｔｉｎｇｓ…”　菜單項，切換到“Ｌｉｎｋ”標簽頁．在“Ｏｂｊｅｃｔ／ｌｉｂｒａｒｙ　ｍｏｄ—　ｕｌｅｓ”欄中輸入ｇｅｓ．１ｉｂ，用戶就可以在Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋中調用函　對于ＰＣＩ總線的運動控制器，調用指令ＧＴ　Ｏｐｅｎ時不　必指定運動控制器的基地址。調用指令ＧＴ＿Ｒｅｓｅｔ將使運　動控制器的所有寄存器恢復到默認狀態。一般在打開運動　控制器之后調用該指令。　３．２．２運動控制　數庫中的任何函數．開始編寫應用程序。　３．２程序設計　運動控制卡通過接收ＰＣ機發出的操作命令，實時控　制伺服驅動器。整個控制系統的工作過程可分為以下幾個　部分：啟動運動控制卡并初始化、設置運動差數、執行運　動程序、關閉運動控制卡。控制系統程序設計流程如圖３。　該運動控制卡可實現點位運動和連續軌跡運動。點位　運動可以進行位置控制或速度控制。在位置控制模式下提　供了２種加減速方式：梯形曲線加減速和Ｓ曲線加減速。　［二］　Ⅱ　

自動化　梯形曲線加減速允許在運動過程當中隨時修改目標位置和　目標速度；Ｓ曲線加減速允許在運動過程當中隨時修改目　標位置。在加速度相等的情況下梯形曲線具有較短的加減　ＣＳｔｒｉｎｇ　ｓｔｒ，　ＵＩＮＴ　ｈｉＤ　１＝ＧｅｔＣｈｅｃｋｅｄＲａｄｉｏＢｕｔｔｏｎ（ＩＤＣ—ＲＡ．　ＤＩＯ１，ＩＤＣＲＡＤＩＯ３）；　—速時問，而Ｓ曲線的運動比較平滑。應當針對具體應用場　合選擇相應的加減速模式。在速度控制模式下，運動控制　器按照所設定的加速度加速或減速到目標速度．在運動過　ＣｅｔＤｌｇｌｔｅｍＴｅｘｔ（ｎＩＤ１，ｓｔｒ）；　ｉｆ（ｓｔｒ＝：　）　ＭｅｓｓａｇｅＢｏｘ（“請選擇運動圖像”）；　ｅｌｓｅ　ｉｆ（８ｔｒ＝－－“正三角形”）　程當中可以隨時修改目標速度。運動控制器可以實現直線　插補、圓弧捕補，通過前瞻預處理能夠實現小線段高速平　滑的連續軌跡運動。　｛　ｄｏｕｂｌｅ　ａ＝５０；　ａ＝ａ　ｍｅｓｍｍｍ；　為了方便地實現多段連續軌跡運動．運動控制器提供　一個大小為８ｋ字的緩沖區　用戶可先將部分軌跡描述或　ＧＴ＿ＢｕｆｌＯＢｉｔ（１，１）；　ＧＴＬｎＸＹＧ０（０，０）；　＿參數指令存放在該緩沖區中（以緩沖區滿為限），然后發　出執行指令。在運動控制器執行緩沖區內軌跡描述指令的　同時，用戶可繼續向這個緩沖區內下載軌跡描述或參數指　令。運動控制器規定，打開并清空緩沖區后，必須緊接定　Ｇ　ｒ－ＬｎＸＹ（ａ，０）；　ＧＴ＿ＬｎＸＹ（ａ／２，０．８６６　ａ）；　ＬｎＸＹ（０，０）；　ＧＴ位運動起點位置指令。　３．２．３狀態檢測　ｌ　ＧＴＢｕｆＩＯＢｉｔ（１，０）；　＿用戶可以從運動控制器提供的狀態寄存器讀取控制軸　狀態、連續軌跡運動狀態和指令狀態。調用指令　正方形與圓形的編程過程與上述過程類似。運動顯示　模塊經編譯無誤后生成可執行文件，執行后如圖４所示，　ＧＴ　ＧｅｔＣｒｄＳｔｓ讀取連續軌跡運動狀態寄存器．連續軌跡運　動狀態寄存器的ｂｉｔ０指示連續軌跡運動狀態。調用指令　ＧＴ＿與硬件連接后可以實現預先設定的各種運動模式。可以顯　示各軸的事實坐標。達到了預期的效果。　ＧｅｔＭｏｄｅ查詢運動控制器控制軸的工作模式。通過調　用ＧＴ　ＧｅｔＡｔｌＰｏｓ獲得當前軸的實際位置。　４開發編程實例　現以ＸＹ兩軸運動實現延三角形、正方形以及圓等指　定圖形的軌跡運動為例介紹開發過程。首先在Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋　下利用ＭＦＣ創建一個基于對話框的工程。將ｇｅｓ．ｈ、ｇｅｓ．１ｉｂ　添加進工程，在編程時．頭文件阜要包含ｇｅｓ．ｈ。然后在對　話框中添加相應的按鈕和編輯框　。　首先進行控制卡和各軸的初始化，對相應的按鈕添加　消息響應函數，主要應用到如下代碼：　ＧＴ＿Ｏｐｅｎ　０：／／打開運動控制卡設備　ＧＴ＿Ｒｅｓｅｔ　０；／／復位運動控制卡　ＧＴ　ＬｍｔｓＯｆｆ　０：／／關閉當前軸限位開關　ＧＴ＿ＣｔｒｌＭｏｄｅ　０；／／設置輸出模擬量為Ｏ，脈沖量為１　ＧＴ＿ＣｌｏｓｅＬｐ　０：／／設置為閉環控制　ＡｘｉｓＯｎ　０：／／使當前軸處于工作狀態　—ＧＴ　ＣｌｒＳｔｓ　０：／／清除前軸狀態　ＧＴ＿圖４　應用程序　啟動和停止按鈕分別添加代碼ＧＴＳｔｒｔＬｉｓｔ（　），　ＧＴ＿ＭｖＸＹ（）；和ＧＴ＿ＥＳｔｐＭｔｎ（）。在ＸＹ軸實時坐標　５結束語　本文以運動控制卡為核心構建數控系統硬件平臺。結　合ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ軟件平臺．利用ＶｉｓｕａｌＣ＋＋語言作為開發工　顯示中加入坐標映射函數ＧＴ＿ＭａｐＡｘｉｓ（），可以顯示出當　前軸的坐標位置。　沿圖像軌跡運動示例的主要程序如下：　ｉｆ（ｓｔｒ＝＝“取消示例”）　具，介紹了二次開發的全過程并給出了編程實例，完成人　機交互界面的管理和控制系統的實時監控。試驗證明　｛　“ＰＣ＋運動控制卡”方案控制伺服電機集成度高，可靠性　（下轉第９２頁）