摘要：以工控pc機為核心，應(yīng)用運動控制卡pci-1240，設(shè)計了一種運動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用microsoftvisualbasic編寫人機界面，調(diào)用控制卡中的運動函數(shù)庫，產(chǎn)生脈沖和方向信號控制電機轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，從而在開環(huán)狀態(tài)下實現(xiàn)對步進電機的控制。該系統(tǒng)在生產(chǎn)實際中得到檢驗，應(yīng)用在大型編織機計算控制系統(tǒng)中，成本低、控制、適應(yīng)性好，取得了顯著的效果。
關(guān)鍵詞運動控制卡；運動控制系統(tǒng)；步進電機；pci-1240
隨著pc（personalcomputer）的發(fā)展和普及，采用“pc+運動控制卡”作為上位控制，將是運動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。該方案可以利用計算機資源，用于運動過程、運動軌跡等比較復(fù)雜且柔性較強的機器和設(shè)備。運動控制卡是基于pc機各種總線的步進電機或數(shù)字式伺服電機的上位控制單元，總線形式多種多樣，通常采用isa總線和pci總線。但由于計算機主板的更新?lián)Q代，isa插槽越來越少，pci總線的運動控制卡逐漸發(fā)展成為目前運動控制系統(tǒng)的主流。包括工業(yè)電腦平臺、運動控制卡和應(yīng)用軟件，通過插入各種功能卡和編寫軟件，形成功能強大且易于操作的運動控制系統(tǒng)。運動控制卡以pci插卡的形式嵌入pc機中，將pc機的信息處理能力與運動控制能力有機結(jié)合，具有開放性程度高、信息處理能力強、實時調(diào)整優(yōu)點突出、運動控制軌跡準確以及通用性好的優(yōu)點，與傳統(tǒng)單片機運動控制系統(tǒng)以及plc專業(yè)運動控制系統(tǒng)等上位控制方案相比，具有一定的優(yōu)勢。
“工控pc機+運動控制卡”是一種用于pci運動控制的經(jīng)濟型解決方案。以pc機為主控制器，運動控制卡作為從機，通過自定義的命令通信協(xié)議，實現(xiàn)位置與速度的控制。工控pc機負責(zé)人機交互界面的管理、控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控；運動控制卡完成運動控制的所有細節(jié)。通過調(diào)用pci-1240的dll驅(qū)動程序，較容易鏈接到vc++，visualbasic或bcb，實現(xiàn)對運動函數(shù)庫的二次開發(fā)。
1、系統(tǒng)組成及硬件介紹
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，運動控制卡采用pci-1240，負責(zé)與上位機通訊，與pc機構(gòu)成主從模式。這樣，pc機可以專注于人機界面、實時監(jiān)控和發(fā)送指令等系統(tǒng)管理工作，而運動控制卡負責(zé)處理運動控制的所有細節(jié)，如升降速計算、行程控制、多軸插補等，無需占用pc機資源。
系統(tǒng)正常工作時，通過在工控pc機上編寫應(yīng)用程序，給pci-1240運動控制卡發(fā)送相應(yīng)的速度、位置指令，運動控制卡接受指令并產(chǎn)生高頻脈沖，驅(qū)動機電裝置實現(xiàn)所需的運動功能。驅(qū)動器把驅(qū)動線路的電信號轉(zhuǎn)換為機械運動，提供電機功率使得電機做旋轉(zhuǎn)或直線運動，zui終利用電機中的傳動系數(shù)傳動機械設(shè)備，實現(xiàn)具體的運動過程。
1．1pci-1240運動控制卡
pci-12404軸步進／脈沖伺服電機控制卡是一種通用型動作的運動控制卡。采用pci總線可高速控制4軸電機，每軸均可輸出脈沖和方向信號以控制電機的運轉(zhuǎn)，可簡化步進式及脈沖式伺服電機控制，并充分發(fā)揮電機潛能。該卡使用novamcx314動作asic芯片，內(nèi)建多種動作控制函數(shù)，如2／3軸線性內(nèi)插、2軸圓周內(nèi)插、t／s曲線加速／減速等不勝枚舉。對于應(yīng)用更提供了windowsdll驅(qū)動程序及容易上手的實例，以降低程序設(shè)計者的工作負擔(dān)。而且，通過免費的隨機動作公用程序，可以輕易地完成組態(tài)設(shè)定及環(huán)境診斷。
pci1243u的性能：
（1）支持4軸動作控制、手動轉(zhuǎn)盤及飛梭功能。（2）2／3軸線性內(nèi)插函數(shù)，2軸圓周內(nèi)插函數(shù)，連續(xù)內(nèi)插函數(shù)。（3）可編程t／s曲線加僦速。（4）每軸高達4mp·s-1脈沖輸出和1mhz脈沖輸入。（5）兩種脈沖輸出形式：加／減（cw／ccw）或脈沖／方向（pulse／dir）。（6）2編碼器脈沖輸入形式：a／b相位或加／減（cw／ccw）。（7）位置管理及軟件極限開關(guān)功能。（8）線路板id及隨機動作公用程序可做組態(tài)設(shè)定和環(huán)境診斷。
1．2驅(qū)動器與電機的連接
系統(tǒng)中采用的驅(qū)動器是由techno公司生產(chǎn)的kr515m5相微步驅(qū)動器。它具有低噪音、低振動旋轉(zhuǎn)的微步驅(qū)動功能，zui高分割數(shù)為80分割，基本步進角0．72°，1脈沖輸入旋轉(zhuǎn)0．009°，而電機旋轉(zhuǎn)一圈則需要40000個脈沖，*運動控制系統(tǒng)對精度的要求。同時，kr515驅(qū)動器還采用了使外部干擾影響zui小化的光電連接器輸入絕緣方式，內(nèi)置自動降低電流功能、自我診斷功能電路等多數(shù)功能，實現(xiàn)了高速、高力矩以及高可靠性。電機選用與驅(qū)動器配套的日本東方5相upk步進電機，能夠zui大限度地發(fā)揮電機潛能，實現(xiàn)對電機的控制。pci運動控制卡與驅(qū)動器連接圖如圖2所示。
外加dc24v電源，用于對控制信號供電。采用cw／ccw驅(qū)動方式驅(qū)動，xout4可以由設(shè)定wr3的d8控制upk驅(qū)動器到暫停，timing及過熱信號可以由rr4，5得到讀數(shù)，溫度報警通過xalarm引腳輸入。驅(qū)動器和pci-1240的信號連接采用差分傳輸，如圖3所示。發(fā)送端將輸入信號x轉(zhuǎn)換成x及x輸出，接收端將輸入x及比較后得y。以差分傳輸方式傳送可以有效地消除共模干擾，確保信號的正常傳輸。
在聯(lián)接過程中，特別要注意的是導(dǎo)線的選擇，這對于整個系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、抗*力以及信號的傳輸有較大影響。系統(tǒng)中選用pcl-10251高訊／雜比pci-1240卡隔離信號線纜，可確保信號質(zhì)量，提供良好的信號。同時，還應(yīng)注意信號線必須遠離動力電源線、大電動機、斷路器、電焊機等大的電磁源以及視頻監(jiān)視器等，因為它們可能造成較強的電磁干擾，嚴重影響數(shù)據(jù)擷取系統(tǒng)。如果信號線穿過此類區(qū)域，必須單獨隔離，采用屏蔽雙絞線作為輸入信號線，并且屏蔽雙絞線的隔離層只能一端接地。
2、運動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
該系統(tǒng)軟件采用visualbasic編輯界面程序，調(diào)用運動控制卡的運動函數(shù)庫，控制電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。由于pci-1240運動控制卡配備了功能強大的動態(tài)鏈接庫（dll），因此可以在windows系統(tǒng)下很快地開發(fā)出運動控制系統(tǒng)。
2．1系統(tǒng)流程圖
軟件系統(tǒng)是整個運動控制系統(tǒng)的靈魂。根據(jù)現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)平臺的要求，系統(tǒng)既要能實現(xiàn)運動控制的速度和精度，又要發(fā)揮pc機的優(yōu)勢。pci-1243u是一種即插即用型的32位pci總線控制卡。在windows操作系統(tǒng)下必須先進行系統(tǒng)初始化，才可以實施對運動狀態(tài)的控制。系統(tǒng)初始化主要包括硬件初始化和系統(tǒng)配置。前者主要完成地址、中斷通道等板卡資源的分配；后者則負責(zé)對限位開關(guān)、脈沖輸出類型等設(shè)備參數(shù)的相關(guān)設(shè)置。運動控制系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4所示。
2．2運動控制卡軟件介紹
2．2．1pci-1240中各參數(shù)之間的關(guān)系
dv：運行速度；sv：初始化速度；ac：加速度；ak：加加速。
設(shè)定加速度時間為&t，則dv=sv+ac*&t，ak=ac／&t。在設(shè)定時，如果不合適則報錯。
2．2．2脈沖表示方式
pci-1243運動控制卡利用脈沖方式確定運動的方向和距離，常用的3種方式如圖5所示。
a／b相向可定義為當(dāng)a相先于b相90°為正向運動，a相落后于b相90°為反向運動；個數(shù)可由a相的上升沿確定。
（1）cw／ccw有脈沖，cc為高電平時表示正向運動，反之為反向運動；個數(shù)由cw或ccw脈沖上升沿的個數(shù)確定。
（2）pulse／dir方向由dir信號確定，距離由pulse信號表示。
2．2．3vb6．0與動態(tài)鏈接庫
pci-1240運動控制卡將主要函數(shù)進行分類、封裝，形成一種可根據(jù)用戶需要而調(diào)用的動態(tài)鏈接庫dll。dll是一種基于windows的程序模塊，可以使多個應(yīng)用程序之間共享代碼和資源，從而提高運行效率。在vb程序中，只要對dll進行正確的聲明，便可像使用vb本身的函數(shù)一樣使用dll中的函數(shù)。
pci-1240為vb提供了動態(tài)鏈接庫，他是一個運動控制api函數(shù)庫，只需用vb編寫一個接口，在軟件開發(fā)中調(diào)用運動函數(shù)中的相關(guān)函數(shù)，就可以方便地對多軸電機進行、高速的控制。運動控制系統(tǒng)主要用到的函數(shù)有初始化相關(guān)函數(shù)、i／o相關(guān)函數(shù)、運動狀態(tài)檢測函數(shù)、home功能函數(shù)以及t／s型曲線運動控制函數(shù)等。
2．3vb程序?qū)崿F(xiàn)
運動方式包括單軸的回原點（home）、連續(xù)運轉(zhuǎn)（continuedrive）、點對點運轉(zhuǎn)（pointtopointdrive）、多軸間的線性插補（lineprofiledrive）以及圓弧插補（arcprofiledrive）。電機驅(qū)動器脈沖輸出方式選擇cw／ccw方式。
系統(tǒng)具有廣闊的開放性和良好的適用性，其硬件系統(tǒng)及下層軟件均實現(xiàn)模塊化，可嵌入不同的機械傳動設(shè)備中，通過開發(fā)特定的上位機軟件實現(xiàn)特定的數(shù)控功能。系統(tǒng)在紡織機上已進行了大量應(yīng)用，編織出合格的衣料。
3、結(jié)束語
基于“工控pc機+pci1243”開發(fā)的運動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計靈活、人機界面豐富、多軸聯(lián)動、運行可靠、容易實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的遠程控制。在不占用微機cpu時間的情況下，完成對運動控制系統(tǒng)的控制。采用運動控制卡，驅(qū)動控制的計算機控制系統(tǒng)也能很好地實現(xiàn)變速曲線運動。目前，該系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用在包裝、印刷、紡織和裝配工業(yè)中，運行狀況良好。