摘要：以工控pc機(jī)為核心，應(yīng)用運(yùn)動(dòng)控制卡pci-1240，設(shè)計(jì)了一種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用microsoftvisualbasic編寫人機(jī)界面，調(diào)用控制卡中的運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)，產(chǎn)生脈沖和方向信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，從而在開環(huán)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。該系統(tǒng)在生產(chǎn)實(shí)際中得到檢驗(yàn)，應(yīng)用在大型編織機(jī)計(jì)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(yùn)動(dòng)控制卡；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；步進(jìn)電機(jī)；pci-1240
隨著pc（personalcomputer）的發(fā)展和普及，采用“pc+運(yùn)動(dòng)控制卡”作為上位控制，將是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。該方案可以利用計(jì)算機(jī)資源，用于運(yùn)動(dòng)過程、運(yùn)動(dòng)軌跡等比較復(fù)雜且柔性較強(qiáng)的機(jī)器和設(shè)備。運(yùn)動(dòng)控制卡是基于pc機(jī)各種總線的步進(jìn)電機(jī)或數(shù)字式伺服電機(jī)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(jì)算機(jī)主板的更新?lián)Q代，isa插槽越來越少，pci總線的運(yùn)動(dòng)控制卡逐漸發(fā)展成為目前運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的主流。包括工業(yè)電腦平臺(tái)、運(yùn)動(dòng)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(qiáng)大且易于操作的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)控制卡以pci插卡的形式嵌入pc機(jī)中，將pc機(jī)的信息處理能力與運(yùn)動(dòng)控制能力有機(jī)結(jié)合，具有開放性程度高、信息處理能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)調(diào)整優(yōu)點(diǎn)突出、運(yùn)動(dòng)控制軌跡準(zhǔn)確以及通用性好的優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)單片機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以及plc專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等上位控制方案相比，具有一定的優(yōu)勢(shì)。
“工控pc機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡”是一種用于pci運(yùn)動(dòng)控制的經(jīng)濟(jì)型解決方案。以pc機(jī)為主控制器，運(yùn)動(dòng)控制卡作為從機(jī)，通過自定義的命令通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)位置與速度的控制。工控pc機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面的管理、控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；運(yùn)動(dòng)控制卡完成運(yùn)動(dòng)控制的所有細(xì)節(jié)。通過調(diào)用pci-1240的dll驅(qū)動(dòng)程序，較容易鏈接到vc++，visualbasic或bcb，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)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(yùn)動(dòng)控制卡采用pci-1240，負(fù)責(zé)與上位機(jī)通訊，與pc機(jī)構(gòu)成主從模式。這樣，pc機(jī)可以專注于人機(jī)界面、實(shí)時(shí)監(jiān)控和發(fā)送指令等系統(tǒng)管理工作，而運(yùn)動(dòng)控制卡負(fù)責(zé)處理運(yùn)動(dòng)控制的所有細(xì)節(jié)，如升降速計(jì)算、行程控制、多軸插補(bǔ)等，無需占用pc機(jī)資源。
系統(tǒng)正常工作時(shí)，通過在工控pc機(jī)上編寫應(yīng)用程序，給pci-1240運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送相應(yīng)的速度、位置指令，運(yùn)動(dòng)控制卡接受指令并產(chǎn)生高頻脈沖，驅(qū)動(dòng)機(jī)電裝置實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動(dòng)功能。驅(qū)動(dòng)器把驅(qū)動(dòng)線路的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)，提供電機(jī)功率使得電機(jī)做旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)，zui終利用電機(jī)中的傳動(dòng)系數(shù)傳動(dòng)機(jī)械設(shè)備，實(shí)現(xiàn)具體的運(yùn)動(dòng)過程。
1．1pci-1240運(yùn)動(dòng)控制卡
pci-12404軸步進(jìn)／脈沖伺服電機(jī)控制卡是一種通用型動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)控制卡。采用pci總線可高速控制4軸電機(jī)，每軸均可輸出脈沖和方向信號(hào)以控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，可簡(jiǎn)化步進(jìn)式及脈沖式伺服電機(jī)控制，并充分發(fā)揮電機(jī)潛能。該卡使用novamcx314動(dòng)作asic芯片，內(nèi)建多種動(dòng)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(duì)于應(yīng)用更提供了windowsdll驅(qū)動(dòng)程序及容易上手的實(shí)例，以降低程序設(shè)計(jì)者的工作負(fù)擔(dān)。而且，通過免費(fèi)的隨機(jī)動(dòng)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(dòng)作控制、手動(dòng)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(dá)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(jī)動(dòng)作公用程序可做組態(tài)設(shè)定和環(huán)境診斷。
1．2驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)的連接
系統(tǒng)中采用的驅(qū)動(dòng)器是由techno公司生產(chǎn)的kr515m5相微步驅(qū)動(dòng)器。它具有低噪音、低振動(dòng)旋轉(zhuǎn)的微步驅(qū)動(dòng)功能，zui高分割數(shù)為80分割，基本步進(jìn)角0．72°，1脈沖輸入旋轉(zhuǎn)0．009°，而電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈則需要40000個(gè)脈沖，*運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)精度的要求。同時(shí)，kr515驅(qū)動(dòng)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(dòng)降低電流功能、自我診斷功能電路等多數(shù)功能，實(shí)現(xiàn)了高速、高力矩以及高可靠性。電機(jī)選用與驅(qū)動(dòng)器配套的日本東方5相upk步進(jìn)電機(jī)，能夠zui大限度地發(fā)揮電機(jī)潛能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。pci運(yùn)動(dòng)控制卡與驅(qū)動(dòng)器連接圖如圖2所示。
外加dc24v電源，用于對(duì)控制信號(hào)供電。采用cw／ccw驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，xout4可以由設(shè)定wr3的d8控制upk驅(qū)動(dòng)器到暫停，timing及過熱信號(hào)可以由rr4，5得到讀數(shù)，溫度報(bào)警通過xalarm引腳輸入。驅(qū)動(dòng)器和pci-1240的信號(hào)連接采用差分傳輸，如圖3所示。發(fā)送端將輸入信號(hào)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(hào)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(duì)于整個(gè)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、抗*力以及信號(hào)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(hào)線纜，可確保信號(hào)質(zhì)量，提供良好的信號(hào)。同時(shí)，還應(yīng)注意信號(hào)線必須遠(yuǎn)離動(dòng)力電源線、大電動(dòng)機(jī)、斷路器、電焊機(jī)等大的電磁源以及視頻監(jiān)視器等，因?yàn)樗鼈兛赡茉斐奢^強(qiáng)的電磁干擾，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)擷取系統(tǒng)。如果信號(hào)線穿過此類區(qū)域，必須單獨(dú)隔離，采用屏蔽雙絞線作為輸入信號(hào)線，并且屏蔽雙絞線的隔離層只能一端接地。
2、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)軟件采用visualbasic編輯界面程序，調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。由于pci-1240運(yùn)動(dòng)控制卡配備了功能強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（dll），因此可以在windows系統(tǒng)下很快地開發(fā)出運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。
2．1系統(tǒng)流程圖
軟件系統(tǒng)是整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的靈魂。根據(jù)現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)平臺(tái)的要求，系統(tǒng)既要能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的速度和精度，又要發(fā)揮pc機(jī)的優(yōu)勢(shì)。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(jìn)行系統(tǒng)初始化，才可以實(shí)施對(duì)運(yùn)動(dòng)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(fù)責(zé)對(duì)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4所示。
2．2運(yùn)動(dòng)控制卡軟件介紹
2．2．1pci-1240中各參數(shù)之間的關(guān)系
dv：運(yùn)行速度；sv：初始化速度；ac：加速度；ak：加加速。
設(shè)定加速度時(shí)間為&t，則dv=sv+ac*&t，ak=ac／&t。在設(shè)定時(shí)，如果不合適則報(bào)錯(cuò)。
2．2．2脈沖表示方式
pci-1243運(yùn)動(dòng)控制卡利用脈沖方式確定運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，a相落后于b相90°為反向運(yùn)動(dòng)；個(gè)數(shù)可由a相的上升沿確定。
（1）cw／ccw有脈沖，cc為高電平時(shí)表示正向運(yùn)動(dòng)，反之為反向運(yùn)動(dòng)；個(gè)數(shù)由cw或ccw脈沖上升沿的個(gè)數(shù)確定。
（2）pulse／dir方向由dir信號(hào)確定，距離由pulse信號(hào)表示。
2．2．3vb6．0與動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)
pci-1240運(yùn)動(dòng)控制卡將主要函數(shù)進(jìn)行分類、封裝，形成一種可根據(jù)用戶需要而調(diào)用的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)dll。dll是一種基于windows的程序模塊，可以使多個(gè)應(yīng)用程序之間共享代碼和資源，從而提高運(yùn)行效率。在vb程序中，只要對(duì)dll進(jìn)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(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，他是一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制api函數(shù)庫(kù)，只需用vb編寫一個(gè)接口，在軟件開發(fā)中調(diào)用運(yùn)動(dòng)函數(shù)中的相關(guān)函數(shù)，就可以方便地對(duì)多軸電機(jī)進(jìn)行、高速的控制。運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)函數(shù)、home功能函數(shù)以及t／s型曲線運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)等。
2．3vb程序?qū)崿F(xiàn)
運(yùn)動(dòng)方式包括單軸的回原點(diǎn)（home）、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)（continuedrive）、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)（pointtopointdrive）、多軸間的線性插補(bǔ)（lineprofiledrive）以及圓弧插補(bǔ)（arcprofiledrive）。電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)模塊化，可嵌入不同的機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備中，通過開發(fā)特定的上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)特定的數(shù)控功能。系統(tǒng)在紡織機(jī)上已進(jìn)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(jī)+pci1243”開發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、人機(jī)界面豐富、多軸聯(lián)動(dòng)、運(yùn)行可靠、容易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制。在不占用微機(jī)cpu時(shí)間的情況下，完成對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制。采用運(yùn)動(dòng)控制卡，驅(qū)動(dòng)控制的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)也能很好地實(shí)現(xiàn)變速曲線運(yùn)動(dòng)。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(yùn)行狀況良好。