基于PCI-1240運動控制系統(tǒng)

周士群，王 萍

(天津工業(yè)大學電氣工程與自動化學院，天津 300387)

隨著PC(Personal Computer)的發(fā)展和普及，采用“PC+運動控制卡”作為上位控制，將是運動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。該方案可以利用計算機資源，用于運動過程、運動軌跡等比較復雜且柔性較強的機器和設備。運動控制卡是基于PC機各種總線的步進電機或數(shù)字式伺服電機的上位控制單元，總線形式多種多樣，通常采用ISA總線和PCI總線。但由于計算機主板的更新?lián)Q代，ISA插槽越來越少，PCI總線的運動控制卡逐漸發(fā)展成為目前運動控制系統(tǒng)的主流。包括工業(yè)電腦平臺、運動控制卡和應用軟件，通過插入各種功能卡和編寫軟件，形成功能強大且易于操作的運動控制系統(tǒng)［1］。運動控制卡以PCI插卡的形式嵌入PC機中，將PC機的信息處理能力與運動控制能力有機結合，具有開放性程度高、信息處理能力強、實時調(diào)整優(yōu)點突出、運動控制軌跡準確以及通用性好的優(yōu)點，與傳統(tǒng)單片機運動控制系統(tǒng)以及PLC專業(yè)運動控制系統(tǒng)等上位控制方案相比，具有一定的優(yōu)勢。

“工控PC機+運動控制卡”是一種用于PCI運動控制的經(jīng)濟型解決方案。以PC機為主控制器，運動控制卡作為從機，通過自定義的命令通信協(xié)議，實現(xiàn)位置與速度的精確控制［2］。工控PC機負責人機交互界面的管理、控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控;運動控制卡完成運動控制的所有細節(jié)。通過調(diào)用PCI-1240的高級DLL驅(qū)動程序，較容易鏈接到VC++，Visual Basic或BCB，實現(xiàn)對運動函數(shù)庫的二次開發(fā)。

1 系統(tǒng)組成及硬件介紹

系統(tǒng)硬件結構如圖1所示。其中，運動控制卡采用PCI-1240，負責與上位機通訊，與PC機構成主從模式。這樣，PC機可以專注于人機界面、實時監(jiān)控和發(fā)送指令等系統(tǒng)管理工作，而運動控制卡負責處理運動控制的所有細節(jié)，如升降速計算、行程控制、多軸插補等，無需占用PC機資源。

圖1 系統(tǒng)硬件結構圖

系統(tǒng)正常工作時，通過在工控PC機上編寫應用程序，給PCI-1240運動控制卡發(fā)送相應的速度、位置指令，運動控制卡接受指令并產(chǎn)生高頻脈沖，驅(qū)動機電裝置實現(xiàn)所需的運動功能。驅(qū)動器把驅(qū)動線路的電信號轉(zhuǎn)換為機械運動，提供電機功率使得電機做旋轉(zhuǎn)或直線運動，最終利用電機中的傳動系數(shù)傳動機械設備，實現(xiàn)具體的運動過程［3］。

1.1 PCI-1240運動控制卡

PCI-1240 4軸步進/脈沖伺服電機控制卡是一種通用型極端動作的運動控制卡。采用PCI總線可高速控制4軸電機，每軸均可輸出脈沖和方向信號以控制電機的運轉(zhuǎn)，可簡化步進式及脈沖式伺服電機控制，并充分發(fā)揮電機潛能。該卡使用NOVA MCX314動作ASIC芯片，內(nèi)建多種動作控制函數(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。對于高級應用更提供了Windows dll驅(qū)動程序及容易上手的實例，以降低程序設計者的工作負擔。而且，通過免費的隨機動作公用程序，可以輕易地完成組態(tài)設定及環(huán)境診斷。

PCI1243U的性能:

(1)支持4軸動作控制、手動轉(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關功能。(8)線路板ID及隨機動作公用程序可做組態(tài)設定和環(huán)境診斷。

1.2 驅(qū)動器與電機的連接

系統(tǒng)中采用的驅(qū)動器是由Techno公司生產(chǎn)的KR515M 5相微步驅(qū)動器。它具有低噪音、低振動旋轉(zhuǎn)的微步驅(qū)動功能，最高分割數(shù)為80分割，基本步進角0.72°，1脈沖輸入旋轉(zhuǎn)0.009°，而電機旋轉(zhuǎn)一圈則需要40 000個脈沖，完全滿足運動控制系統(tǒng)對精度的要求。同時，KR515驅(qū)動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)置自動降低電流功能、自我診斷功能電路等多數(shù)功能，實現(xiàn)了高速、高力矩以及高可靠性。電機選用與驅(qū)動器配套的日本東方5相UPK步進電機，能夠最大限度地發(fā)揮電機潛能，實現(xiàn)對電機的精確控制。PCI運動控制卡與驅(qū)動器連接圖如圖2所示。

外加DC24 V電源，用于對控制信號供電。采用CW/CCW驅(qū)動方式驅(qū)動，XOUT4可以由設定WR3的D8控制UPK驅(qū)動器到暫停，TIMING及過熱信號可以由RR4，5得到讀數(shù)，溫度報警通過XALARM引腳輸入。驅(qū)動器和PCI-1240的信號連接采用差分傳輸，如圖3所示。發(fā)送端將輸入信號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，確保信號的正常傳輸。

圖2 PCI-1240與驅(qū)動器連接圖

圖3 差分傳輸示意圖

在聯(lián)接過程中，特別要注意的是導線的選擇，這對于整個系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、抗干擾能力以及信號的傳輸有較大影響。系統(tǒng)中選用PCL-10251高訊/雜比PCI-1240卡專用隔離信號線纜，可確保信號質(zhì)量，提供良好的信號。同時，還應注意信號線必須遠離動力電源線、大電動機、斷路器、電焊機等大的電磁源以及視頻監(jiān)視器等，因為它們可能造成較強的電磁干擾，嚴重影響數(shù)據(jù)擷取系統(tǒng)。如果信號線穿過此類區(qū)域，必須單獨隔離，采用屏蔽雙絞線作為輸入信號線，并且屏蔽雙絞線的隔離層只能一端接地［4］。

2 運動控制系統(tǒng)的軟件設計

該系統(tǒng)軟件采用Visual Basic編輯界面程序，調(diào)用運動控制卡的運動函數(shù)庫，控制電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。由于PCI-1240運動控制卡配備了功能強大的動態(tài)鏈接庫(DLL)，因此可以在Windows系統(tǒng)下很快地開發(fā)出運動控制系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)流程圖

軟件系統(tǒng)是整個運動控制系統(tǒng)的靈魂。根據(jù)現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)平臺的要求，系統(tǒng)既要能實現(xiàn)運動控制的速度和精度，又要發(fā)揮PC機的優(yōu)勢。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)下必須先進行系統(tǒng)初始化，才可以實施對運動狀態(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;后者則負責對限位開關、脈沖輸出類型等設備參數(shù)的相關設置。運動控制系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)流程圖

2.2 運動控制卡軟件介紹

2.2.1 PCI-1240中各參數(shù)之間的關系

DV:運行速度;SV:初始化速度;AC:加速度;AK:加加速。

設定加速度時間為 ＆t，則 DV=SV+AC* ＆t，AK=AC/＆t。在設定時，如果不合適則報錯。

2.2.2 脈沖表示方式

PCI-1243運動控制卡利用脈沖方式確定運動的方向和距離，常用的3種方式如圖6所示。

A/B相向可定義為當A相先于B相90°為正向運動，A相落后于B相90°為反向運動;個數(shù)可由A相的上升沿確定。

(1)CW/CCW有脈沖，CC為高電平時表示正向運動，反之為反向運動;個數(shù)由CW或CCW脈沖上升沿的個數(shù)確定。

(2)Pulse/Dir方向由Dir信號確定，距離由Pulse信號表示。

圖5 脈沖表示方式示意圖

2.2.3 VB6.0與動態(tài)鏈接庫

PCI-1240運動控制卡將主要函數(shù)進行分類、封裝，形成一種可根據(jù)用戶需要而調(diào)用的動態(tài)鏈接庫dll［5］。dll是一種基于 Windows的程序模塊，可以使多個應用程序之間共享代碼和資源，從而提高運行效率。在VB程序中，只要對dll進行正確的聲明，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提供了動態(tài)鏈接庫，他是一個運動控制API函數(shù)庫，只需用VB編寫一個接口，在軟件開發(fā)中調(diào)用運動函數(shù)中的相關函數(shù)，就可以方便地對多軸電機進行精確、高速的控制。運動控制系統(tǒng)主要用到的函數(shù)有初始化相關函數(shù)、I/O相關函數(shù)、運動狀態(tài)檢測函數(shù)、Home功能函數(shù)以及T/S型曲線運動控制函數(shù)等。

2.3 VB程序?qū)崿F(xiàn)

運動方式包括單軸的回原點(Home)、連續(xù)運轉(zhuǎn)(Continue Drive)、點對點運轉(zhuǎn)(Point to Point Drive)、多軸間的線性插補(Line Profile Drive)以及圓弧插補(Arc Profile Drive)。電機驅(qū)動器脈沖輸出方式選擇CW/CCW方式。

圖6 VB界面

系統(tǒng)具有廣闊的開放性和良好的適用性，其硬件系統(tǒng)及下層軟件均實現(xiàn)模塊化，可嵌入不同的機械傳動設備中，通過開發(fā)特定的上位機軟件實現(xiàn)特定的數(shù)控功能。系統(tǒng)在紡織機上已進行了大量應用，編織出合格的衣料。

3 結束語

基于“工控PC機+PCI1243”開發(fā)的運動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)設計靈活、人機界面豐富、多軸聯(lián)動［6］、運行精確可靠、容易實現(xiàn)網(wǎng)絡的遠程控制。在不占用微機CPU時間的情況下，完成對運動控制系統(tǒng)的精確控制。采用運動控制卡，驅(qū)動控制的計算機控制系統(tǒng)也能很好地實現(xiàn)變速曲線運動［7］。目前，該系統(tǒng)已被廣泛應用在包裝、印刷、紡織和裝配工業(yè)中，運行狀況良好。

［1］曾峰，姚山.基于PCI總線的開放式運動控制系統(tǒng)設計及應用［J］.微機算機應用，2011(8):62-65.

［2］李穎，譚立新.基于PC和運動控制卡的開放式運動控制系統(tǒng)［J］.儀表技術，2007(4):43-45.

［3］周志明.一種基于運動控制卡的步進電控制系統(tǒng)［J］.電子元器件應用，2004(05):41-44.

［4］LEI M K，ZHU X P，K.W.XU K W，et al.XuReal-time measurement of friction coefficient in the frictional performance test of brake disk［C］.The 8th International Conference on Surface Engineering Abstract，2007:86-90.

［5］吳虎城，黃孝龍.基于PCI總線的運動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)［J］.煤礦機械，2010(8):223-225.

［6］吳小麗，丁維明，程力.基于PCI8134的多軸聯(lián)動控制系統(tǒng)的設計與開發(fā)［J］.工業(yè)控制計算機，2011(4):11-14.

［7］孫浩，賀忠江，韓業(yè)偉.基于運動控制卡的交流電機曲線運動控制［J］.儀器儀表學報，2010(8):34-36.