尹蘭，雷雙江，肖世德，高宏力，朱佳煒

(西南交通大學機械工程學院，四川成都 610031)

煙流排管架控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

尹蘭，雷雙江，肖世德，高宏力，朱佳煒

(西南交通大學機械工程學院，四川成都 610031)

在基于PCI1010運動控制卡的交流伺服控制系統(tǒng)中，利用VC++6.0提供的MFC進行二次開發(fā)，實現(xiàn)煙流排管架比較精確的定位和運動控制要求，建立了一個較為通用的運動控制系統(tǒng)，并對控制系統(tǒng)的硬件和傳動機構(gòu)進行了分析和設(shè)計。經(jīng)過現(xiàn)場的調(diào)試和運行，證明該控制系統(tǒng)實現(xiàn)了煙流排管架的運動和定位要求，滿足控制系統(tǒng)對準確性、穩(wěn)定性和易操作性的要求。

運動控制卡;MFC;伺服控制系統(tǒng);定位;運動控制

自動控制技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)是指能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)進行控制的系統(tǒng)，一般由控制裝置和被控對象組成。控制裝置包括嵌入式控制器、可編程序控制器、工業(yè)控制計算機、分布式控制系統(tǒng)、回路調(diào)節(jié)器、變頻器及其他控制技術(shù) (現(xiàn)場總線技術(shù)、無線通信技術(shù)等)構(gòu)成，控制對象包括電動機、生產(chǎn)單元、生產(chǎn)過程等;過程通道完成控制裝置與控制對象之間的信號匹配［1］。目前，常用的控制系統(tǒng)主要分為:基于PLC的定位控制系統(tǒng);基于PC-based的控制系統(tǒng)和基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)。由于PC機在各種工業(yè)現(xiàn)場的廣泛應(yīng)用，先進控制理論和DSP技術(shù)實現(xiàn)手段的并行發(fā)展，各種工業(yè)設(shè)備的研制和改造中急需一個運動控制模塊的硬件平臺，以及為了滿足新型數(shù)控系統(tǒng)的標準化、柔性化、開放性等要求，使得基于IPC和運動控制卡的伺服系統(tǒng)受到大家的青睞［2－4］。

在機械運動中，往返運動是機械運動中最常見的一種運動形式。實現(xiàn)往返運動的基本機構(gòu)有曲柄滑塊機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、齒輪齒條機構(gòu)、滾珠絲杠機構(gòu)、帶傳動機構(gòu)、鏈傳動機構(gòu)等［5］。其機構(gòu)性能比較見表1。

表1 往返運動機構(gòu)性能的比較

文中構(gòu)建的煙流排管架控制系統(tǒng)是為了實現(xiàn)煙流排管架在給定空間內(nèi)的往返直線運動，其工作行程是5 000 mm，并具有比較精確定位功能 (定位精度0.5 mm)，在工作過程中具有硬件和軟件限位功能。為此，根據(jù)上述所述并結(jié)合控制要求和成本考慮，該控制系統(tǒng)選擇了采用滾珠絲杠驅(qū)動、兩側(cè)采用直線導軌輔助承載的方式;選用工業(yè)控制計算機和運動控制卡控制，經(jīng)伺服驅(qū)動系統(tǒng)帶動，并輔以控制元件，從而實現(xiàn)煙流排管架的運動控制。

1 控制系統(tǒng)總體方案

1.1 控制系統(tǒng)的硬件組成

該控制系統(tǒng)在硬件上主要由以下幾部分組成:工業(yè)控制計算機，運動控制卡，交流伺服系統(tǒng)及其控制電路，減速器，滾珠絲杠，直線導軌及滑塊和煙流排管架。控制系統(tǒng)的上位機及控制部分分別選用的是研華工控機610L、PCI1010多軸運動控制卡;控制系統(tǒng)的下位機及硬件選用安川伺服電機SGMGV-09ADC6C和安川伺服驅(qū)動器SGDV-7R6A01A、PLF減速器、上銀直線導軌及滾珠絲杠。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

工控機和PCI多軸運動控制卡一起組成上位控制單元，運動控制卡插在工控機主板上的PCI插槽內(nèi)。工控機的主要作用是系統(tǒng)的實時監(jiān)督管理、運動狀態(tài)參數(shù)的設(shè)置和人機交互等功能。交流伺服系統(tǒng)采用位置控制模式，控制信號輸入電路采用差分輸入專用電路，指令脈沖的輸入方式為指令加脈沖模式。伺服驅(qū)動器在收到PCI運動控制卡發(fā)出的指令脈沖后，控制伺服電機的運動，并接收由伺服電機內(nèi)部的20位增量型脈沖編碼器反饋回來的信號，構(gòu)成半閉環(huán)控制回路，實現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)監(jiān)測。伺服電機經(jīng)過減速器，帶動滾珠絲杠運動，實現(xiàn)煙流排管架的運動控制。在工作行程的兩端裝有限位開關(guān)，實現(xiàn)運動控制的硬限位;在控制系統(tǒng)內(nèi)部，設(shè)置了初始零點，并設(shè)置了最大位移量，實現(xiàn)對運動控制的軟限位;從而在硬件和軟件上保證了工作行程在一定范圍內(nèi)。

1.2 控制系統(tǒng)的控制實現(xiàn)

該控制系統(tǒng)的控制電路主要由三部分組成:伺服單元主電路、伺服單元控制電路、運動控制卡控制電路。

伺服單元主電路由三相變壓器、電磁接觸器、濾波器、浪涌保護器、伺服驅(qū)動器等組成，其主要功能是實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的供電;伺服單元控制電路主要由相應(yīng)按鍵、指示燈、繼電器、電磁接觸器等組成，主要實現(xiàn)啟動、運行、停止等控制要求;運動控制卡控制電路主要實現(xiàn)與伺服驅(qū)動器的連接，并實現(xiàn)系統(tǒng)復位、系統(tǒng)停止 (限位開關(guān))、指示燈閃爍等功能。

2 控制系統(tǒng)參數(shù)分析與設(shè)計

煙流排管架控制系統(tǒng)主要是實現(xiàn)煙流排管架在給定速度下的運動控制，并能夠?qū)崿F(xiàn)較為精確的定位運動和期望的運動輸出。為使控制系統(tǒng)能夠在給定負載的情況下實現(xiàn)給定的運動，推導和確定煙流排管架控制系統(tǒng)機械部分設(shè)計的相關(guān)參數(shù)。其計算依據(jù)如下所示。

設(shè)伺服電機額定轉(zhuǎn)速為Nd，取鋼與鋼之間滾動摩擦因數(shù)為μ，負載運行最大速度為vmax，滾珠絲杠傳動效率為η。減速器和滾珠絲杠用聯(lián)軸器連接。設(shè)聯(lián)軸器輸入軸徑為d1，輸出軸徑為d2，聯(lián)軸器質(zhì)量為mC，聯(lián)軸器外徑為DC，滾珠絲杠長度為LB，滾珠絲杠直徑為DB，絲杠導程為p，減速器的減速比為R。

設(shè)速度曲線為對稱的梯形軌跡，加減速時間為ta和tc，則速度曲線見圖2。

圖2 梯形速度曲線

設(shè)計完成后，可根據(jù)下述方法完成設(shè)計參數(shù)的校核:

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖3 控制系統(tǒng)的主界面

該控制系統(tǒng)利用PC機和運動控制卡實現(xiàn)，系統(tǒng)具有良好的開放性，用戶可以在VC、VB、LabVIEW或Delphi等軟件環(huán)境下做開發(fā)。文中是在WindowsXP系統(tǒng)下利用VC++6.0的MFC以面向?qū)ο蠓绞竭M行編程。在編程時，需要將PCI1010.dll和PIC1010.lib文件放到系統(tǒng)目錄下面?？刂葡到y(tǒng)采用VC++為開發(fā)語言，其程序設(shè)計模式是一種基于消息的事件驅(qū)動方式。當用戶需要完成某種功能時，調(diào)用操作系統(tǒng)的某種支持，然后操作系統(tǒng)將用戶的需要包裝成消息并投遞到消息隊列當中，最后應(yīng)用程序從消息隊列中取走相應(yīng)消息并響應(yīng)［6］。在對系統(tǒng)的要求進行分析和設(shè)計之后，所設(shè)計的控制系統(tǒng)的主界面如圖3所示。

3.1 控制系統(tǒng)的主流程

在啟動系統(tǒng)之后，首先進行的是運動控制卡的初始化，檢測運動控制卡的狀態(tài)。檢測完成后，獲取控制界面的控制參數(shù)，從而判斷各個控件的狀態(tài)。如果點擊退出系統(tǒng)，則系統(tǒng)首先彈出對話框提示，確認無誤后退出系統(tǒng)。如果控件值設(shè)置正確，則在點擊啟動按鈕后系統(tǒng)開始工作。在運行工程中，系統(tǒng)會時刻監(jiān)視和顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并通過Windows的消息機制對系統(tǒng)的響應(yīng)做出處理。控制系統(tǒng)的主流程如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)的主流程

3.2 控制系統(tǒng)的模塊功能介紹

控制系統(tǒng)啟動之后會時刻檢驗操作界面中各個控件的狀態(tài)，從而實現(xiàn)不同的功能。將各個功能分成不同的模塊，不僅便于理解，也易于實現(xiàn)。

該控制系統(tǒng)控制程序主要由以下兩部分組成:連續(xù)控制模式和位置控制模式。在每種模式下都可以進行正反轉(zhuǎn)的選擇，加速度、減速度和上下限位等的設(shè)置。唯一的差別在于連續(xù)控制模式中不能設(shè)定目標點位移。下面以正向運動為例，對控制流程作簡要介紹。

系統(tǒng)初始化后，將進行控制界面參數(shù)的設(shè)定。設(shè)定完成后，系統(tǒng)獲取控制界面中程序的設(shè)定值，從而不斷實現(xiàn)正向運行。在運動過程中，控制系統(tǒng)會時刻監(jiān)測煙流排管架是否達到極限位置、是否達到所需位置。具體的控制流程圖如圖5所示。

圖5 正向運動控制流程圖

3.3 控制系統(tǒng)的程序?qū)崿F(xiàn)

PCI1010運動控制卡通過調(diào)用MFC的相關(guān)函數(shù)獲取控件的狀態(tài)，根據(jù)Windows消息機制完成系統(tǒng)的控制。在參數(shù)的設(shè)置過程中，需要設(shè)置速度、加速度、運動模式和目標位移等。其相關(guān)部分代碼如下:

在InitInstance()函數(shù)中進行控制卡的初始化工作:

//該卡插入第一槽，定義為0號，該賦值語句用于獲得該卡的句柄

4 結(jié)論

提出的基于PCI1010多軸運動控制卡的運動控制系統(tǒng)與煙流排管架控制平臺連接，在添加了相應(yīng)的控制電路后，通過人機界面實現(xiàn)了對伺服電機的運動控制，實現(xiàn)了煙流排管架比較精確的定位和相應(yīng)的運動控制，達到了預(yù)期效果。對常見的實現(xiàn)往返運動的機構(gòu)進行比較，在考慮精度、成本、速度等情況下，選擇出了適合于該系統(tǒng)的傳動機構(gòu)并根據(jù)控制系統(tǒng)的參數(shù)要求對控制系統(tǒng)的參數(shù)進行了分析和設(shè)計。該系統(tǒng)硬件連接簡單，具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，并滿足開放性要求，具有強大的二次開發(fā)功能，便于使用者自主開發(fā)出滿足需求的應(yīng)用軟件。經(jīng)過現(xiàn)場的調(diào)試和運行，證明該控制系統(tǒng)實現(xiàn)了煙流排管架的運動和定位要求，滿足了系統(tǒng)對準確性、穩(wěn)定性和易操作性的要求。

文中構(gòu)建的基于PCI1010多軸運動控制卡的交流伺服控制系統(tǒng)的不足之處在于:(1)常用的交流伺服控制系統(tǒng)是采用脈沖輸出的方式控制滾珠絲杠的位移量，而在該控制系統(tǒng)中是通過計算按一定比例將脈沖轉(zhuǎn)化為位移，在控制過程中由于換算會存在一定的位移偏差;(2)控制系統(tǒng)為半閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)伺服電機內(nèi)部的增量式脈沖編碼器將信號反饋給伺服驅(qū)動器，在控制系統(tǒng)整體上沒有位移傳感器將煙流排管架的位置信號反饋回來。這一方面是由于工作行程過長，現(xiàn)有的位移傳感器沒有比較適合的;另一方面是受到成本的制約。因此該控制系統(tǒng)是通過程序和增量式脈沖編碼器來實現(xiàn)位置反饋。但是由于增量式脈沖編碼器本身存在累計誤差，斷電后將會失去位置信息等缺點，所以該控制系統(tǒng)時刻需要記憶當前位移值和在一定時間間隔后回零點操作，這個給控制系統(tǒng)的操作帶來了一定的不便。

【1】魏克新，趙鋼.自動控制綜合應(yīng)用技術(shù):嵌入式微控制器、PLC、變頻器、觸摸屏、工控機、組態(tài)軟件的綜合應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007.

【2】趙春紅，秦現(xiàn)生，唐虹.基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)研究［J］.機械科學與技術(shù)，2005，24(9):1108－1113.

【3】丁富強，呂戰(zhàn)爭.基于PC機的高性能數(shù)控系統(tǒng)的研究［J］.機械與電子，2000(1):33－35.

【4】徐斌.基于運動控制卡的機械手控制系統(tǒng)研究［J］.合肥學院學報:自然科學版，2010，20(3):86－88.

【5】孫恒，陳作模，葛文杰.機械原理［M］.7版.北京:高等教育出版社，2010.

【6】孫鑫，余安萍.VC++深入詳解［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

【7】耿宏濤，舒志兵.基于VC的多軸運動控制卡軟件開發(fā)技術(shù)研究［J］.機床與液壓，2007，35(11):130－133.

Design and Application of the Plume Pipe Rack Control System

YIN Lan，LEI Shuangjiang，XIAO Shide，GAO Hongli，ZHU Jiawei
(School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

Using MFC(Microsoft Foundation Class)which was supported by VC++6.0 to further development in order to fulfill the fairly accurate orientation and motion control demands，a comparatively universal motion control system was founded in the AC servo system based on PCI1010 motion control card.Meanwhile，the hardware and transmission of the system were analyzed and designed.Successfully debugging and running in the enterprise proves that the system achieves the requests of the plume pipe rack's motion and accurate orientation，and the demands of accuracy，stability and easy maneuverability.

Motion control card;MFC;Servo control system;Orientation;Motion control

TP39

B

1001－3881(2014)8－102－4

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.034

2013－02－22

尹蘭 (1986—)，女，在讀碩士，主要研究領(lǐng)域為機電產(chǎn)品設(shè)計與控制。E－mail:yinlan1211@qq.com。