張 博 于宏柱 姚雪峰 李文昊 吉日嘎蘭圖

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

0 引言

隨著社會工業(yè)化的不斷發(fā)展，工業(yè)對于設(shè)備自動化的需求不斷提高，運動控制系統(tǒng)顯得愈發(fā)重要[1-3]。作為驅(qū)動自動化設(shè)備的重要部件，閉環(huán)步進電機在開環(huán)步進電機的基礎(chǔ)上增加了位置反饋器來實現(xiàn)閉環(huán)控制，同樣是通過調(diào)節(jié)脈沖信號的數(shù)量和頻率來調(diào)整位移及速度，其運行時的發(fā)熱和振動都小于開環(huán)步進電機，精度和可靠性卻優(yōu)于開環(huán)步進電機，因此，基于閉環(huán)步進電機的運動系統(tǒng)設(shè)計成為一個有著重要意義的研究課題[4]。與此同時，虛擬儀器由于其強大的底層驅(qū)動程序以及便捷的可視化編程特性，在自動化領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)越發(fā)廣泛，在工業(yè)界的認可度也不斷提高[5-7]。通過LabVIEW虛擬儀器搭配運動控制卡、驅(qū)動器及閉環(huán)步進電機進行運動系統(tǒng)的設(shè)計，可使系統(tǒng)具有高移植性、高穩(wěn)定性和高擴展性[8]。

1 運動控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文以驅(qū)動閉環(huán)步進電機為研究對象，采用LabVIEW上位機+運動控制卡+驅(qū)動器模塊的控制方案進行運動系統(tǒng)的設(shè)計；伴隨著運動的多元化，多軸控制得到進一步關(guān)注，故系統(tǒng)設(shè)計從四軸控制的角度出發(fā)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，該運動控制系統(tǒng)主要分為硬件和軟件兩部分，硬件部分主要由工控機、四軸運動控制卡、驅(qū)動器模塊、閉環(huán)步進電機構(gòu)成，其中工控機主要用于LabVIEW上位機軟件的硬件環(huán)境，四軸運動控制卡通過驅(qū)動器模塊進行閉環(huán)步進電機的控制管理，同時閉環(huán)步進電機自帶的編碼器向驅(qū)動器模塊實時反饋位置信息，驅(qū)動器模塊依據(jù)反饋信息進行輸出指令調(diào)節(jié)，提高電機運轉(zhuǎn)精度。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

軟件部分主要是通過LabVIEW進行上位機控制軟件的設(shè)計，來實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的操控。LabVIEW上位機軟件基于工控機硬件環(huán)境與運動控制卡通過高實時性的PCI總線進行通信，實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時控制及系統(tǒng)狀態(tài)的實時采集。

2 運動控制系統(tǒng)的硬件配置

依據(jù)電機負載、電機額定轉(zhuǎn)速、額定扭矩及最大扭矩、動作模式、編碼器分辨率等方面進行閉環(huán)步進電機的選擇，本系統(tǒng)選用了富興的SC42-03型閉環(huán)步進電機以及與其配套的TS808D伺服驅(qū)動器，四軸運動控制卡選用了研華的PCI-1245L運動控制卡。

PCI-1245L運動控制卡是四軸的SoftMotion PCI總線控制器卡，能夠?qū)崿F(xiàn)運動軌跡和時間控制，以滿足精確運動中的同步應(yīng)用需求，其在CW/CCW模式的編碼器輸入為1 MHz，脈沖輸出高達1 Mb/s，可實現(xiàn)高精度的控制、線性插補和同步啟停等功能。閉環(huán)步進電機的精度為1.8°，其編碼器精度為0.36°。單個電機系統(tǒng)硬件接線圖如圖2所示，TS808D伺服驅(qū)動器的A、B接線端需要與閉環(huán)步進電機的動力線相連，用于驅(qū)動步進電機，TS808D伺服驅(qū)動器的EA、EB接口連接到閉環(huán)步進電機的編碼器信號接口，進行編碼器反饋信息的接收，依據(jù)該信息調(diào)節(jié)速度指令和電流指令，進一步提高電機轉(zhuǎn)動精度。PCI-1245L運動控制卡的PULS、DIR、ENA、ALM分別連接到伺服驅(qū)動器的脈沖輸入端、方向輸入端、使能輸入端、報警信號輸出端，以實現(xiàn)對系統(tǒng)運動狀態(tài)的控制及監(jiān)視。

圖2 單電機硬件接線圖

3 基于LabVIEW的運動控制程序設(shè)計

上位機程序基于LabVIEW搭配PCI-1245L運動控制卡設(shè)備驅(qū)動進行設(shè)計，PCI-1245L運動控制卡設(shè)備驅(qū)動是基于通用運動架構(gòu)，基于該架構(gòu)設(shè)計的上位機包含設(shè)備驅(qū)動層、整合層和應(yīng)用層，這樣當支持該架構(gòu)的設(shè)備發(fā)生變化時，設(shè)計中的應(yīng)用也無須修改，保證了程序的可移植性。

該通用運動架構(gòu)的操作對象主要包括設(shè)備對象和軸對象，程序設(shè)計時，需要調(diào)用相應(yīng)的對象來實現(xiàn)相應(yīng)的操作，以保證每次動作都有明確的操作對象。上位機程序控制流程如圖3所示，為了確保程序的適用廣泛性，故程序設(shè)計需要先確定操作設(shè)備來獲取設(shè)備句柄，之后在該設(shè)備句柄的基礎(chǔ)上進行軸使能，即打開運動控制卡目標軸的操控接口，之后打開設(shè)備驅(qū)動器以保證驅(qū)動器的有效工作。

圖3 上位機程序控制流程

回原點運動是運動控制必備的功能，目前實現(xiàn)方法主要有硬件復(fù)位或軟件復(fù)位，硬件復(fù)位是將光電開關(guān)放置在目標位置，當運動到原點位置時，光電開關(guān)發(fā)出限位信號指示運動停止；軟件復(fù)位是依據(jù)程序記錄的位置信息進行回原點運動，直至當前位置處于原點位。上位機程序集合了兩種限位措施，既可以通過硬件限位，又可以基于軟件限位進行回原點運動。在程序中通過動態(tài)鏈接庫來調(diào)用相關(guān)函數(shù)實現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，參數(shù)設(shè)置中包括了運動距離、速度等信息，通過調(diào)整脈沖數(shù)量和頻率來改變移動距離和速度。整個運動過程中都對位置、速度等參數(shù)進行實時顯示，以實現(xiàn)對運動狀態(tài)的實時監(jiān)視，以免出現(xiàn)運動狀態(tài)的不確定性。

運動控制上位機程序控制界面如圖4所示，程序開始運行后，設(shè)備編號成功顯示PCI-1245L，代表板卡加載成功并已獲取板卡信息，之后打開設(shè)備、打開驅(qū)動器才能成功進行后續(xù)操作，同時可以通過設(shè)備開啟、驅(qū)動開啟、軸開啟指示燈來判斷操作的成功與否以及閉環(huán)步進電機能否正常運行。每次電機運行前，需要在上位機程序控制界面選擇相應(yīng)的運動模式，運動模式主要包括絕對運動和相對運動，之后輸入運行距離和運行速度等參數(shù)，運行時，各軸的位置和速度信息實時顯示在上位機程序控制界面上，當想停止本次運動時，選擇停止方式，即立即停止或減速停止，點擊“停止”按鈕即可結(jié)束本次運動。通過復(fù)位即可使電機進行回原點運動，在原點模式一欄進行復(fù)位運動停止模式的選擇。當程序因軸處于“ErrorStop”狀態(tài)而無法進行動作時，通過重置錯誤按鈕消除該狀態(tài)來保證程序的正常運轉(zhuǎn)。界面中的重置計數(shù)按鈕是針對軸位置信息的清除，由于每次移動距離的輸入為脈沖數(shù)，故軸位置信息的清除即是將相應(yīng)軸脈沖總數(shù)清除，重置計數(shù)后，位置信息重新從零累計。

圖4 上位機操控界面

4 精度測試

為了進一步測試設(shè)計好的運動控制系統(tǒng)的性能，基于編碼器搭建了實驗測試平臺，如圖5所示，通過設(shè)計的轉(zhuǎn)接件將電機和編碼器相連，其中，編碼器分辨率為0.018°。當電機旋轉(zhuǎn)一定角度時，編碼器也隨之轉(zhuǎn)動相同角度，編碼器將該角度傳送給運動控制卡，再通過編寫的精度測試上位機程序進行該角度的采集，即可完成編碼器每次測量結(jié)果的記錄，精度測試上位機界面如圖6所示，每次測量結(jié)果都存入目標文件中。

圖5 實驗測試平臺

圖6 精度測試上位機界面

4.1 定位精度測試

定位精度是系統(tǒng)運行中必不可少的參數(shù)，故首先通過編碼器來進行電機定位精度的測試，通過上位機向運動控制卡發(fā)送一定脈沖數(shù)[9]。運動控制卡依據(jù)脈沖數(shù)進行閉環(huán)步進電機步距的控制，為了更好地覆蓋閉環(huán)步進電機一周各位置的定位精度，運動角度選取最小步距角1.8°，進行7 200次運動，這樣累計步距成功覆蓋超過一周，每個位置測試36次。

測試結(jié)果如圖7所示，最大偏差值是0.216°，故搭配該閉環(huán)步進電機的情況下，該運動系統(tǒng)不適用于精度要求不高于0.216°的場合。

圖7 定位精度測試偏差

4.2 重復(fù)定位精度測試

重復(fù)定位精度作為系統(tǒng)的另一個指標，其重要性不言而喻。該參數(shù)的測量同樣是基于搭建好的測試平臺，測試過程中，在轉(zhuǎn)動一圈內(nèi)均勻選取n個位置，如圖8所示，在每個位置測試a次，即在同一個位置進行a次運動，這樣總共測試1 000次。每次運動過程中讓電機不斷重復(fù)走過固定步距，之后通過編碼器觀察每次走過的實際步距與給定的固定步距差值，再通過上位機進行測試以實現(xiàn)針對重復(fù)定位精度的測試。通過選取不同步距角度來不斷重復(fù)該測量步驟，以保證測試結(jié)果的可靠性。

圖8 重復(fù)定位精度測試位置的選取

測試中選取了5°、36°、90°、144°、180°、360°等6個步距角，實現(xiàn)了從小角度步距到大角度步距的覆蓋。在電機轉(zhuǎn)動一圈范圍內(nèi)均勻選取10個位置，每個位置進行100次測試。當步距角為5°時，測量結(jié)果如圖9所示，最大偏差值為0.216°；當步距角為36°時，測量結(jié)果如圖10所示，最大偏差值為0.198°；當步距角為90°時，測量結(jié)果如圖11所示，最大偏差值為0.108°；當步距角為144°時，測量結(jié)果如圖12所示，最大偏差值為0.09°；當步距角為180°時，測量結(jié)果如圖13所示，最大偏差值為0.09°；當步距角為360°時，測量結(jié)果如圖14所示，最大偏差值為0.036°。

圖9 步距角為5°重復(fù)定位精度偏差值

圖10 步距角為36°重復(fù)定位精度偏差值

圖11 步距角為90°重復(fù)定位精度偏差值

圖12 步距角為144°重復(fù)定位精度偏差值

圖13 步距角為180°重復(fù)定位精度偏差值

圖14 步距角為360°重復(fù)定位精度偏差值

雖然步距角為144°與步距角為180°時的最大偏差值都為0.09°，但從圖12與圖13的對比中可以看出，步距角為180°的重復(fù)定位精度要優(yōu)于步距角為144°的情況。從測量結(jié)果也可以看出，大角度的重復(fù)定位精度要優(yōu)于小角度的，也進一步說明該系統(tǒng)不適用于小角度高精度定位的情況，而更適用于應(yīng)用場合為大角度定位的情況。當然，也可以從各角度重復(fù)定位精度的偏差情況分析得出是否符合應(yīng)用場景，測試結(jié)果進一步為該系統(tǒng)應(yīng)用場合的選擇提供了數(shù)據(jù)支持。

5 結(jié)語

本文基于LabVIEW上位機+運動控制卡+驅(qū)動器模塊的控制方案進行四軸運動系統(tǒng)的設(shè)計，通過設(shè)計的上位機控制程序?qū)崿F(xiàn)了閉環(huán)步進電機的實時控制及監(jiān)視。之后基于編碼器搭建了電機測試平臺，對電機的定位精度和重復(fù)定位精度進行測試，通過設(shè)計精度測試上位機程序進行測試結(jié)果的采集。定位精度測試結(jié)果顯示該運動系統(tǒng)不適用于精度要求不高于0.216°的場合，重復(fù)定位精度測試結(jié)果顯示該系統(tǒng)不適用于小角度高精度定位的情況，而更適用于應(yīng)用場合為大角度定位的情況。該系統(tǒng)采用精度更高的閉環(huán)步進電機，在成本沒有提高的情況下優(yōu)化了系統(tǒng)性能，同時測試結(jié)果為系統(tǒng)應(yīng)用場合的選擇提供了數(shù)據(jù)支持，為后續(xù)使用提供了方便。