基于PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡的 伺服電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

喬 磊,楊召彬,王政皓,趙慶志,王宜龍

( 1.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255000；2.濟(jì)南交通技師學(xué)院，濟(jì)南 250200)

0 引言

傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床[1]多采用步進(jìn)電機(jī)來構(gòu)成開環(huán)的伺服控制系統(tǒng)。在長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)加工中，數(shù)控加床往往會(huì)出現(xiàn)丟步、發(fā)熱嚴(yán)重、振動(dòng)以及噪音大等問題[2]，這些問題增大了機(jī)床的系統(tǒng)誤差，嚴(yán)重影響了機(jī)床的加工精度[3]，降低了機(jī)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(jī)憑借其優(yōu)勢(shì)，克服了步進(jìn)電機(jī)的不足，得到了廣泛的的應(yīng)用[5]。雖然伺服電機(jī)的控制方案有很多，比如單片機(jī)系統(tǒng)、專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制PLC、PC機(jī)和I/O卡，PC機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡等[6]，但是在現(xiàn)有的控制方案研究中對(duì)于如何具體的實(shí)現(xiàn)交流伺服電機(jī)的控制和信號(hào)的實(shí)時(shí)采集講解較為模糊。

針對(duì)上述情況，本文從理實(shí)一體化[7]的角度出發(fā)，以PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡為例，對(duì)交流伺服電機(jī)控制進(jìn)行應(yīng)用性研究，研制了一臺(tái)基于PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡的交流伺服電機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并開發(fā)了與之配套的交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)。對(duì)數(shù)據(jù)采集卡如何進(jìn)行交流伺服電機(jī)控制和各種信號(hào)的實(shí)時(shí)采集進(jìn)行了詳細(xì)說明，解決了應(yīng)用性研究中如何具體實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的控制和信號(hào)的實(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)的資源，可以運(yùn)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(qiáng)，數(shù)控系統(tǒng)更加靈活。

數(shù)據(jù)采集卡功能強(qiáng)大，可靠性高，實(shí)時(shí)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(hào)給交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器再將數(shù)字量轉(zhuǎn)變?yōu)樗欧姍C(jī)需要的模擬量，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡對(duì)交流伺服電機(jī)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(jī)+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(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，并研制交流伺服電機(jī)數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺(tái)用以驗(yàn)證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。具體的設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。

圖1 交流伺服電機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)要求并結(jié)合實(shí)驗(yàn)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(jī)和SD300-30交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)器。

2 基于PCI-1750的輸入輸出接口電路設(shè)計(jì)

2.1 PCI1750數(shù)據(jù)采集卡的原理簡(jiǎn)介

PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡是一款PCI總線的半長(zhǎng)卡[10]。PCI-1750帶有兩組ULN2803達(dá)林頓晶體管矩陣，每組ULN2803帶有8路NPN達(dá)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(chǎng)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(gè)帶輸入信號(hào)的隔離計(jì)數(shù)器/定時(shí)器[10],具體的針腳定義如圖2所示。

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

圖2 PCI-1750針腳定義

2.2 伺服電機(jī)與PCI-1750板卡輸出信號(hào)的接口電路

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

圖3 輸出信號(hào)接線圖

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該伺服電機(jī)控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)位置指令PULS、位置指令SIGN、伺服使能SVON、報(bào)警清除ACLR、位置偏置清零CLE和指令脈沖禁止INH等信號(hào)的控制。根據(jù)SD300驅(qū)動(dòng)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(hào)直接發(fā)給驅(qū)動(dòng)器(PCI板卡發(fā)出的是低電平，輸入進(jìn)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，與位置指令的負(fù)接口相連)。伺服電機(jī)控制系統(tǒng)通過控制相應(yīng)回路的通斷實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服使能、報(bào)警清除、位置偏置清零、指令脈沖禁等信號(hào)的控制，在這個(gè)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(diǎn)的通斷來控制各信號(hào)。同時(shí)PCI-1750板卡在控制電機(jī)通電和斷電時(shí)，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(diǎn)的通斷，實(shí)現(xiàn)弱電對(duì)強(qiáng)電的控制，達(dá)到控制電機(jī)通斷電目的。

2.3 伺服電機(jī)與PCI-1750板卡輸入信號(hào)的接口電路

機(jī)床在運(yùn)行的過程中，各種限位開關(guān)信號(hào)的實(shí)時(shí)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(cè)各種數(shù)字量輸入信號(hào)，并且可以通過相應(yīng)的程序?qū)⑿盘?hào)反饋到PC機(jī)上，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

開關(guān)量數(shù)字信號(hào)讀入計(jì)算機(jī)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(dāng)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(jiǎn)單，不會(huì)因?yàn)槭д`而燒壞板卡。綜合考慮，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用干接法。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，伺服電機(jī)輸入到PCI-1750板卡的開關(guān)量數(shù)字信號(hào)主要有伺服使能、報(bào)警清除、CCW驅(qū)動(dòng)使能和CW驅(qū)動(dòng)使能。伺服使能和報(bào)警清除信號(hào)直接通過驅(qū)動(dòng)器提供的專門接口進(jìn)行檢測(cè)，而對(duì)CCW驅(qū)動(dòng)使能和CW驅(qū)動(dòng)使能的檢測(cè)，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)引入了行程開關(guān)。在行程開關(guān)動(dòng)作時(shí)，隔離數(shù)字量輸入IDI接口和IGND 之間的通斷，會(huì)引起IDI接口的高低電平變化，PC機(jī)通過伺服電機(jī)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(shí)時(shí)掌握各個(gè)信號(hào)的情況，發(fā)現(xiàn)信號(hào)異常后可以及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

3 基于多線程技術(shù)的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該伺服電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)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(jī)控制系統(tǒng)軟件模塊圖

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

(1)安裝PCI-1750驅(qū)動(dòng)程序,并確保安裝完全；

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

(3)編寫程序

交流伺服電機(jī)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(jī)控制部分、信息采集部分和反饋顯示部分。下面對(duì)本控制系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵部分進(jìn)行原理說明。

對(duì)PCI-1750板卡的函數(shù)進(jìn)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(jìn)行控制系統(tǒng)開發(fā)時(shí)，需要多次使用這些函數(shù)，這樣在系統(tǒng)編程時(shí)容易造成混亂，因此本交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)時(shí)，選擇將PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡的函數(shù)定義成一個(gè)類，這樣在需要使用數(shù)據(jù)采集卡的函數(shù)時(shí)，可以直接調(diào)用，比較方便，同時(shí)精簡(jiǎn)了程序。

多線程技術(shù)的應(yīng)用。在電機(jī)的運(yùn)行過程中，程序還要實(shí)時(shí)監(jiān)控伺服使能、CCW驅(qū)動(dòng)使能和CW驅(qū)動(dòng)使能等信號(hào)，如果在主線程中運(yùn)行電機(jī)正反轉(zhuǎn)程序，會(huì)占用系統(tǒng)資源，可能會(huì)出現(xiàn)類似于“死機(jī)”的情況。因此，在編程的時(shí)候引入了多線程技術(shù)[14]，多線程可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的并行處理，允許一個(gè)復(fù)雜的程序同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，各線程相互獨(dú)立，當(dāng)采用多線程的技術(shù)時(shí)，CPU為這些獨(dú)立的線程分配一些CPU時(shí)間，系統(tǒng)以輪轉(zhuǎn)的方式向線程提供時(shí)間片，提高了CPU 的使用效率，避免了單獨(dú)一個(gè)主線程時(shí)某項(xiàng)任務(wù)長(zhǎng)時(shí)間占用CPU時(shí)間，處理運(yùn)算時(shí)會(huì)出現(xiàn)類似于死機(jī)的情況。在信號(hào)的檢測(cè)時(shí)，因?yàn)橐瑫r(shí)檢測(cè)多個(gè)信號(hào)，因此，本系統(tǒng)為每個(gè)信號(hào)輸入都開辟了一個(gè)單獨(dú)的線程，避免多個(gè)信號(hào)檢測(cè)時(shí)相互產(chǎn)生影響。

輸出信號(hào)的處理。在板卡輸出編程時(shí)，引入了一個(gè)unsigned char型變量pBuffer,一個(gè)unsigned char型變量有8個(gè)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(shí)，value和10101010B進(jìn)行與運(yùn)算，容易實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(gè)接口的信號(hào)，綜合處理各數(shù)字量輸出和數(shù)字量輸入信號(hào)的能力加強(qiáng)。

4 交流伺服電機(jī)數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，完成了基于PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡的交流伺服電機(jī)數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺(tái)的制作，具體的實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)物圖如圖5所示。

交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)控制PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡通過SD300驅(qū)動(dòng)器向伺服電機(jī)發(fā)出數(shù)字量脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)交流伺服電機(jī)數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，同樣控制步進(jìn)電機(jī)與其形成對(duì)比實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行測(cè)試，交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)，噪音較低，能夠平穩(wěn)的進(jìn)行快速啟動(dòng)和暫停，并且低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)類似于步進(jìn)電機(jī)的振動(dòng)現(xiàn)象；加速性能較好，經(jīng)過測(cè)量，步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速需要200～400ms，而交流伺服電機(jī)加速僅需要3～10ms左右，適合各種場(chǎng)所應(yīng)用尤其數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。

通過長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，交流伺服電機(jī)數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行正常，交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，交流伺服電機(jī)運(yùn)行和各種信號(hào)的采集正常，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，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(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

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(jī)數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺(tái)，設(shè)計(jì)了基于多線程技術(shù)的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的模塊化和集成化。通過對(duì)交流伺服電機(jī)進(jìn)行應(yīng)用性研究，對(duì)如何進(jìn)行交流伺服電機(jī)的控制和信號(hào)的實(shí)時(shí)采集做出了詳細(xì)的說明，為以后伺服電機(jī)的應(yīng)用性研究拓寬了道路，為傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床改造提供了技術(shù)參考。

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