喬 磊,楊召彬,王政皓,趙慶志,王宜龍

( 1.山東理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，山東 淄博 255000；2.濟南交通技師學(xué)院，濟南 250200)

0 引言

傳統(tǒng)的經(jīng)濟型數(shù)控機床[1]多采用步進電機來構(gòu)成開環(huán)的伺服控制系統(tǒng)。在長時間的生產(chǎn)加工中，數(shù)控加床往往會出現(xiàn)丟步、發(fā)熱嚴重、振動以及噪音大等問題[2]，這些問題增大了機床的系統(tǒng)誤差，嚴重影響了機床的加工精度[3]，降低了機床的使用壽命。在高速、高精度的現(xiàn)代化加工[4]中，交流伺服電機憑借其優(yōu)勢，克服了步進電機的不足，得到了廣泛的的應(yīng)用[5]。雖然伺服電機的控制方案有很多，比如單片機系統(tǒng)、專業(yè)運動控制PLC、PC機和I/O卡，PC機和運動控制卡等[6]，但是在現(xiàn)有的控制方案研究中對于如何具體的實現(xiàn)交流伺服電機的控制和信號的實時采集講解較為模糊。

針對上述情況，本文從理實一體化[7]的角度出發(fā)，以PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡為例，對交流伺服電機控制進行應(yīng)用性研究，研制了一臺基于PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡的交流伺服電機實驗臺，并開發(fā)了與之配套的交流伺服電機控制系統(tǒng)。對數(shù)據(jù)采集卡如何進行交流伺服電機控制和各種信號的實時采集進行了詳細說明，解決了應(yīng)用性研究中如何具體實現(xiàn)伺服電機的控制和信號的實時采集講解較為模糊的問題。

1 總體規(guī)劃

基于PC開放式數(shù)控系統(tǒng)[8]能夠充分的利用計算機的資源，可以運用各種可視化語言編譯程序[8]，充分保證系統(tǒng)性能，通用性強，數(shù)控系統(tǒng)更加靈活。

數(shù)據(jù)采集卡功能強大，可靠性高，實時性好，具有多路隔離數(shù)字量輸入輸出通道，可以通過隔離數(shù)字量輸出通道發(fā)送數(shù)字量信號給交流伺服電機驅(qū)動器，伺服電機驅(qū)動器再將數(shù)字量轉(zhuǎn)變?yōu)樗欧姍C需要的模擬量，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡對交流伺服電機的控制。

基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)類型有PC嵌入型CNC、NC嵌入型PC和全軟件型NC[9]。本控制系統(tǒng)采用NC嵌入型PC的方法，以PC機+PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡為基礎(chǔ)，在VC++6.0的軟件環(huán)境下開發(fā)該交流伺服電機的運動控制系統(tǒng)，并研制交流伺服電機數(shù)控實驗臺用以驗證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。具體的設(shè)計方案，如圖1所示。

圖1 交流伺服電機實驗臺設(shè)計方案

根據(jù)實驗臺的設(shè)計要求并結(jié)合實驗室內(nèi)現(xiàn)有的條件，選用北京凱恩帝的80ST-M02430A交流伺服電機和SD300-30交流永磁同步伺服驅(qū)動器。

2 基于PCI-1750的輸入輸出接口電路設(shè)計

2.1 PCI1750數(shù)據(jù)采集卡的原理簡介

PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡是一款PCI總線的半長卡[10]。PCI-1750帶有兩組ULN2803達林頓晶體管矩陣，每組ULN2803帶有8路NPN達林頓晶管，連接陣列適合邏輯電平數(shù)字電路和高電壓的場所。由于ULN2803的存在，PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡能夠提供16路隔離數(shù)字量輸入通道、16路隔離輸出通道及一個帶輸入信號的隔離計數(shù)器/定時器[10],具體的針腳定義如圖2所示。

PCI-1750支持干接點，且?guī)в?500VDC隔離保護，在需要高電壓保護的工業(yè)場所內(nèi)應(yīng)用較為廣泛[10]。PCI-1750板卡的每個隔離數(shù)字量輸入輸出通道都能夠與計算機I/O端口的一個位互為對應(yīng)，編程簡單方便。

圖2 PCI-1750針腳定義

2.2 伺服電機與PCI-1750板卡輸出信號的接口電路

伺服電機需要通過相應(yīng)的驅(qū)動器處理PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡傳來的數(shù)字量信號，伺服電機驅(qū)動器將這些數(shù)字量信號處理后發(fā)給伺服電機，從而實現(xiàn)PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡對伺服電機的控制，因此，伺服電機與PCI -1750板卡的接口電路主要指板卡與伺服電機的驅(qū)動器相連的接口電路。具體的接線，如圖3所示。

圖3 輸出信號接線圖

根據(jù)設(shè)計要求，該伺服電機控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)對位置指令PULS、位置指令SIGN、伺服使能SVON、報警清除ACLR、位置偏置清零CLE和指令脈沖禁止INH等信號的控制。根據(jù)SD300驅(qū)動器說明書提供的接線圖可知，PCI板卡將控制位置指令PULS和位置指令SIGN的數(shù)字量信號直接發(fā)給驅(qū)動器(PCI板卡發(fā)出的是低電平，輸入進驅(qū)動器時，與位置指令的負接口相連)。伺服電機控制系統(tǒng)通過控制相應(yīng)回路的通斷實現(xiàn)對伺服使能、報警清除、位置偏置清零、指令脈沖禁等信號的控制，在這個回路中，存在24V直流電源，因此考慮引入24V直流繼電器，通過PCI板卡控制直流繼電器的常開觸點的通斷來控制各信號。同時PCI-1750板卡在控制電機通電和斷電時，也考慮采用24V直流繼電器，通過PCI-1750板卡控制直流繼電器常開或者常閉觸點的通斷，實現(xiàn)弱電對強電的控制，達到控制電機通斷電目的。

2.3 伺服電機與PCI-1750板卡輸入信號的接口電路

機床在運行的過程中，各種限位開關(guān)信號的實時采集和反饋是數(shù)控系統(tǒng)的重要任務(wù)，是不可或缺的重要功能模塊[11]。PCI板卡通過隔離數(shù)字量輸入通道可以檢測各種數(shù)字量輸入信號，并且可以通過相應(yīng)的程序?qū)⑿盘柗答伒絇C機上，實現(xiàn)人機交互。

開關(guān)量數(shù)字信號讀入計算機的方法主要有直接短接法、分壓法以及光電隔離法等[12]。PCI-1750板卡提供了16路隔離量輸入通道 ，支持干接法和濕接法。濕接法是在IDI接口和IGND接口之間施加5～48V電壓，但如果接線不當容易燒壞板卡；干接法是將板卡的IDI接口直接與IGND接口連接，接線簡單，不會因為失誤而燒壞板卡。綜合考慮，本實驗臺采用干接法。

根據(jù)設(shè)計要求，伺服電機輸入到PCI-1750板卡的開關(guān)量數(shù)字信號主要有伺服使能、報警清除、CCW驅(qū)動使能和CW驅(qū)動使能。伺服使能和報警清除信號直接通過驅(qū)動器提供的專門接口進行檢測，而對CCW驅(qū)動使能和CW驅(qū)動使能的檢測，該實驗臺設(shè)計時引入了行程開關(guān)。在行程開關(guān)動作時，隔離數(shù)字量輸入IDI接口和IGND 之間的通斷，會引起IDI接口的高低電平變化，PC機通過伺服電機控制系統(tǒng)的信息采集模塊讀取相應(yīng)IDI引腳的電位信息，并且顯示在用戶界面，操作者可以實時掌握各個信號的情況，發(fā)現(xiàn)信號異常后可以及時進行相應(yīng)的調(diào)整。

3 基于多線程技術(shù)的伺服電機控制系統(tǒng)設(shè)計

該伺服電機控制系統(tǒng)實現(xiàn)了開放式、模塊化和集成化[13]，具體的模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 伺服電機控制系統(tǒng)軟件模塊圖

本伺服電機控制系統(tǒng)以VC++6.0作為開發(fā)平臺，具體的開發(fā)步驟如下：

(1)安裝PCI-1750驅(qū)動程序,并確保安裝完全；

(2)創(chuàng)建一個MFC工程，并將Include中頭文件Driver. h和靜態(tài)庫文件Adsapi32添加到工程到中；

(3)編寫程序

交流伺服電機控制系統(tǒng)的程序主要分為四部分：參數(shù)設(shè)置部分、電機控制部分、信息采集部分和反饋顯示部分。下面對本控制系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵部分進行原理說明。

對PCI-1750板卡的函數(shù)進行處理。由于研華提供的PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡所用的函數(shù)并沒有封裝好，調(diào)用比較麻煩，而在進行控制系統(tǒng)開發(fā)時，需要多次使用這些函數(shù)，這樣在系統(tǒng)編程時容易造成混亂，因此本交流伺服電機控制系統(tǒng)開發(fā)時，選擇將PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡的函數(shù)定義成一個類，這樣在需要使用數(shù)據(jù)采集卡的函數(shù)時，可以直接調(diào)用，比較方便，同時精簡了程序。

多線程技術(shù)的應(yīng)用。在電機的運行過程中，程序還要實時監(jiān)控伺服使能、CCW驅(qū)動使能和CW驅(qū)動使能等信號，如果在主線程中運行電機正反轉(zhuǎn)程序，會占用系統(tǒng)資源，可能會出現(xiàn)類似于“死機”的情況。因此，在編程的時候引入了多線程技術(shù)[14]，多線程可以實現(xiàn)多任務(wù)的并行處理，允許一個復(fù)雜的程序同時執(zhí)行多個任務(wù)，各線程相互獨立，當采用多線程的技術(shù)時，CPU為這些獨立的線程分配一些CPU時間，系統(tǒng)以輪轉(zhuǎn)的方式向線程提供時間片，提高了CPU 的使用效率，避免了單獨一個主線程時某項任務(wù)長時間占用CPU時間，處理運算時會出現(xiàn)類似于死機的情況。在信號的檢測時，因為要同時檢測多個信號，因此，本系統(tǒng)為每個信號輸入都開辟了一個單獨的線程，避免多個信號檢測時相互產(chǎn)生影響。

輸出信號的處理。在板卡輸出編程時，引入了一個unsigned char型變量pBuffer,一個unsigned char型變量有8個位，可以直接輸入或者輸出到一組ULN2803的8組輸入IDI接口或者輸出IDO接口，同時，value和10101010B進行與運算，容易實現(xiàn)一個脈沖內(nèi)的高低電平變化，比ptDioWriteBit函數(shù)直接寫到位編程更加方便，可以一次處理多個接口的信號，綜合處理各數(shù)字量輸出和數(shù)字量輸入信號的能力加強。

4 交流伺服電機數(shù)控實驗臺的測試

根據(jù)設(shè)計要求，完成了基于PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡的交流伺服電機數(shù)控實驗臺的制作，具體的實驗臺的實物圖如圖5所示。

交流伺服電機控制系統(tǒng)控制PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡通過SD300驅(qū)動器向伺服電機發(fā)出數(shù)字量脈沖信號，實現(xiàn)交流伺服電機數(shù)控實驗臺的控制。在控制系統(tǒng)通過PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡控制交流伺服電機進行實驗的同時，同樣控制步進電機與其形成對比實驗，經(jīng)過長時間的運行測試，交流伺服電機運轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)，噪音較低，能夠平穩(wěn)的進行快速啟動和暫停，并且低速時也不會出現(xiàn)類似于步進電機的振動現(xiàn)象；加速性能較好，經(jīng)過測量，步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速需要200～400ms，而交流伺服電機加速僅需要3～10ms左右，適合各種場所應(yīng)用尤其數(shù)控機床進給驅(qū)動。

通過長時間的實驗測試，交流伺服電機數(shù)控實驗臺的運行正常，交流伺服電機控制系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，交流伺服電機運行和各種信號的采集正常，達到了預(yù)期的目標，證明本文在前面提出的控制方案完全正確。

圖5 交流伺服電機實驗臺

5 結(jié)束語

本文以PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡為基礎(chǔ)，制作了了交流伺服電機數(shù)控實驗臺，設(shè)計了基于多線程技術(shù)的伺服電機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的模塊化和集成化。通過對交流伺服電機進行應(yīng)用性研究，對如何進行交流伺服電機的控制和信號的實時采集做出了詳細的說明，為以后伺服電機的應(yīng)用性研究拓寬了道路，為傳統(tǒng)的經(jīng)濟型數(shù)控機床改造提供了技術(shù)參考。

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