周士群，王 萍

(天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387)

隨著PC(Personal Computer)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(guò)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(lái)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(guò)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)［1］。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(kāi)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(guò)自定義的命令通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)位置與速度的精確控制［2］。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(guò)調(diào)用PCI-1240的高級(jí)DLL驅(qū)動(dòng)程序，較容易鏈接到VC++，Visual Basic或BCB，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)的二次開(kāi)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(wú)需占用PC機(jī)資源。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)正常工作時(shí)，通過(guò)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)，最終利用電機(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(guò)程［3］。

1.1 PCI-1240運(yùn)動(dòng)控制卡

PCI-1240 4軸步進(jìn)/脈沖伺服電機(jī)控制卡是一種通用型極端動(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NOVA MCX314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)于高級(jí)應(yīng)用更提供了Windows dll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(guò)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/減速。(4)每軸高達(dá)4 Mp·s-1脈沖輸出和1 MHz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(kāi)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KR515M 5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，最高分割數(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40 000個(gè)脈沖，完全滿足運(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最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)，能夠最大限度地發(fā)揮電機(jī)潛能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制。PCI運(yùn)動(dòng)控制卡與驅(qū)動(dòng)器連接圖如圖2所示。

外加DC24 V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(guò)熱信號(hào)可以由RR4，5得到讀數(shù)，溫度報(bào)警通過(guò)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。

圖2 PCI-1240與驅(qū)動(dòng)器連接圖

圖3 差分傳輸示意圖

在聯(lián)接過(guò)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、抗干擾能力以及信號(hào)的傳輸有較大影響。系統(tǒng)中選用PCL-10251高訊/雜比PCI-1240卡專用隔離信號(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(guò)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［4］。

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Visual Basic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(kāi)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(kāi)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。

圖4 系統(tǒng)流程圖

2.2 運(yùn)動(dòng)控制卡軟件介紹

2.2.1 PCI-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6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。

圖5 脈沖表示方式示意圖

2.2.3 VB6.0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［5］。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(kāi)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)行精確、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。

2.3 VB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)(Continue Drive)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)(Point to Point Drive)、多軸間的線性插補(bǔ)(Line Profile Drive)以及圓弧插補(bǔ)(Arc Profile Drive)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器脈沖輸出方式選擇CW/CCW方式。

圖6 VB界面

系統(tǒng)具有廣闊的開(kāi)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(guò)開(kāi)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(yǔ)

基于“工控PC機(jī)+PCI1243”開(kāi)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)［6］、運(yùn)行精確可靠、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)的精確控制。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)［7］。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。

［1］曾峰，姚山.基于PCI總線的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.微機(jī)算機(jī)應(yīng)用，2011(8):62-65.

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