1、基于VC+勺運動控制卡軟件系統(tǒng)設(shè)計在自動控制領(lǐng)域，基于PC和運動控制卡的伺服系統(tǒng)正演繹著一場工業(yè)自動化的革命。目前，常用的多軸控制系統(tǒng)主要分為3大塊：基于PLC的多軸定位控制系統(tǒng)，基于PC_based的多軸控制系統(tǒng)和基于總線的多軸控制系統(tǒng)。由于PC機在各種工業(yè)現(xiàn)場的廣泛運動，先進控制理論和DS限術(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(biāo)準(zhǔn)化、柔性化、開放性等要求，使得基于PC和運動控制卡的伺服系統(tǒng)備受青睞。本文主要是利用VC+6.0提供的MFCS用程序開發(fā)平臺探索研究平面2-DOF四分之過驅(qū)動并聯(lián)機構(gòu)的運動控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)。平

2、面2-DO切分之過驅(qū)動并聯(lián)機構(gòu)的控制系統(tǒng)組成并聯(lián)機構(gòu)的本體如圖1,該機構(gòu)由4個分支鏈組成，每條支鏈的一段與驅(qū)動電動機相連，而另一端相交于同一點。該并聯(lián)機構(gòu)的操作末端有2個自由度（即X方向和Y方向的平動），驅(qū)動輸入數(shù)目為4,從而組成過驅(qū)動并聯(lián)機構(gòu)。圖1機構(gòu)本體控制系統(tǒng)的硬件主要有4部分組成：PCM,四軸運動控制卡，伺服驅(qū)動器和直流電動機。系統(tǒng)選用的是普通PCL,周高公司的GT-400-SV-PCI運動控制卡，瑞士Maxons司的四象限直流伺服驅(qū)動器及直流永磁電動機。伺服驅(qū)動器型號為4-Q-DCADS50/5與驅(qū)動器適配直流電動機型號為MaxonRE-35運動控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示。上位才S制單

3、元由PO和運動控制卡一起組成，板卡插在PCL主板上的PCI插槽內(nèi)。PO主要負(fù)責(zé)信息流和數(shù)據(jù)流的管理，以及從運動控制卡讀取位置數(shù)據(jù)，并經(jīng)過計算后將控制指令發(fā)給運動控制卡。驅(qū)動器控制模式采用編碼器速度控制，驅(qū)動器接受到運動控制卡發(fā)出的模擬電壓，通過內(nèi)部的PWM路控制直流電動機RE-35I勺運轉(zhuǎn)，并接受直流電動機RE-351的編碼器反饋信號調(diào)整對電動機的控制，如此構(gòu)成一個半閉環(huán)的直流伺服控制系統(tǒng)。圖2運動控制系統(tǒng)組成1.1 GT-400-SV控制卡介紹固高公司生產(chǎn)的GT(列運動控制卡GT-400-SV-PCI可以同步控制4個軸，實現(xiàn)多軸協(xié)調(diào)運動。其核心由ADSP218數(shù)字信號處理器和FPGA&

4、;成，能實現(xiàn)高性能的控制計算?？刂瓶ㄍ瑫r提供了C®言函數(shù)庫和WindowsF的動態(tài)鏈接庫，可實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。主要功能如下：(1) PCI總線,即插即用;(2)可編程伺服采樣周期，4軸最小插補周期為200us,單軸點位運動最小控制周期為25us；(3) 4路16位分辨率模擬電壓輸出信號或脈沖輸出信號模擬量輸出范圍：-10V-+10V,每路課獨立控制，互不影響；(4) 4路四倍頻增量編碼器輸入，作為各軸反饋信號輸入，最高頻率8MHz(5)四軸協(xié)調(diào)運動；(6)每軸2路限位開關(guān)信號、一路原點信號及一路驅(qū)動報警信號輸入；(7)每軸1路驅(qū)動使能信號、1路驅(qū)動復(fù)位信號輸出；(8)運動方式：單軸

5、點位運動、直線插補、圓弧插補、速度控制模式、電子齒輪模式；(9)PID(比例-積分-微分)數(shù)字濾波器，帶速度和加速度前饋，帶積分限值、偏差補償和低通濾波器；(10)支持DOSWindowsNT/2000/X蜂操作系統(tǒng)，提供底層庫函數(shù)，可用DOSVGVB?進行軟件開發(fā)?？刂瓶ńY(jié)構(gòu)及端子板的接口如圖3所示。GT-400-SV屏聯(lián) 原點、限位信出接安/。接nCN12扁平線©接口CN14端子板I ACC2CN10 CN4 CN9 CN11 口口轉(zhuǎn)接板3|CN3 CN5CNSCN7屏物線端子板也源接n4軸專川精選范本輸入輸出接口圖3控制卡結(jié)構(gòu)及與端子板接口圖1.2直流永磁電動機PW臃動基本原理

6、圖4為利用開關(guān)管實現(xiàn)直流電動機PWM速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形。當(dāng)開關(guān)MOSFEET柵極輸入高電平時，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動機電樞繞組兩端有電壓Us。T1時間后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動機電樞兩端電壓為零。T2時間后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖剑_關(guān)管重復(fù)前面的動作過程。這樣,對應(yīng)著輸入的點評高低，直流伺服電動機電樞繞組兩端的電壓波形如圖4b所示。a的變化占空比a表示了在一個周期T里，開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值。范圍為0<a<1。由此式可知，當(dāng)電源電壓Us不變的情況下，電樞繞組兩端的電壓平均值Uo取決于占空比m勺大小，改變a的值就可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的

7、目的。2基于GT-400-SV-PCI卡的軟件設(shè)計GT-400-SV空制卡具有良好的開放性，用戶可以再DOSVGVBDelphi環(huán)境下進行軟件開發(fā)。文中是在Windows200原統(tǒng)下利用VisualC+6.0的MF©面向?qū)ο蠓绞竭M行編程?？刂瓶ㄔ赪indows開發(fā)的底層動態(tài)庫包括頭文件GT400.h,GT400.lib和GT400.dll。在VC+環(huán)境中使用時，選擇ProjectSettingLink,在Object/Librarymodules中輸入GT400.lib,然后就可以在程序中調(diào)用動態(tài)鏈接庫中的函數(shù)。2.1 Windows程序內(nèi)部運行原理因為VisualC+6.0是Win

8、dows發(fā)語言，所以用VisualC+6.0開發(fā)程序之前首先需要弄清楚Windows?序內(nèi)部運行機制。在Window界境下的軟件開發(fā)是完全不同于DO機的，它是一種事件驅(qū)動方式的程序設(shè)計模式，主要是基于消息的。當(dāng)用戶需要完成某種功能時，會調(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(dāng)中，最后應(yīng)用程序從消息隊列中取走消息并進行響應(yīng)。2.2 程序設(shè)計運動控制卡接受PCL上發(fā)出的操作命令和運動控制系統(tǒng)反饋回的信息，并據(jù)其進行實時的運動操作，直接控制伺服驅(qū)動器?？刂瓶刂浦绷麟妱訖C的過程可分為：打開控制卡并初始化，設(shè)置運動參數(shù)，執(zhí)行運動程序，關(guān)閉卡?？刂葡到y(tǒng)流程圖如圖5所示

9、。圖5控制程序流程圖2.2.1 卡的初始化卡的初始化應(yīng)在程序開始時就執(zhí)行，主要用到的控制函數(shù)見表1表 1 函數(shù)名稱及功能名稱GT_Ope（）nGT_Rese（）tGT_SetSmplTm（）GT_LmtSn（）sGT_EncSn（）sGT_CloseLp（）GT_CtrlMode（）功能打開運動控制器設(shè)備復(fù)位運動控制器設(shè)置控制周期設(shè)置限位開關(guān)的有效電平設(shè)置編碼器的記數(shù)方向設(shè)置為閉環(huán)控制設(shè)置輸出模擬量/脈沖量以上參數(shù)應(yīng)根據(jù)具體的硬件平臺來設(shè)置，一般只在程序初始化時設(shè)置一次，以后不應(yīng)再設(shè)置。另外，控制周期的設(shè)定GT_SetSmplTm(doubleTimer),參數(shù)Timer的單位是us。因為運動

10、控制卡要在控制周期內(nèi)完成必要的控制計算，控制周期不能太小，因此設(shè)定的范圍為48-1966.08us。運動控制卡默認(rèn)的控制周期為200us,這個控制周期對于普通的用戶能夠安全可靠地工作。一般情況下，在程序中不應(yīng)改變控制周期值，否則會出現(xiàn)不可預(yù)期的后果。2.2.2 運動控制模塊該運動控制卡可以實現(xiàn)單軸及多軸協(xié)調(diào)運動。對于單軸所執(zhí)行的運動操作有絕對運動、連續(xù)點動、急停緩?fù)！⒒亓愕?；對于多軸協(xié)調(diào)運動有直線插補和圓弧插補。單軸運動控制主要用來調(diào)試直流電動機運動性能。采用梯形曲線運動模式，設(shè)置速度、加速度、目標(biāo)位置3個參數(shù)，通過設(shè)置合適的PIDP控制參數(shù)，使電動機運動達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計要求。4軸協(xié)調(diào)運動采用直線

11、插補法，正確的設(shè)置坐標(biāo)映射，合成速度、加速度，再加軌跡設(shè)置命令及目標(biāo)位置，即可實現(xiàn)四軸協(xié)調(diào)運動。運動控制卡通過坐標(biāo)映射函數(shù)GT_MapAxis(shortAxis_Num,double*map_count)將控制軸由單軸運動控制模式轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)系運動控制模式。同時運動控制卡開辟了底層運動數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在坐標(biāo)系運動控制模式下，可以實現(xiàn)多段軌跡快速、穩(wěn)定的連續(xù)運動。這些運動操作都是相互獨立的，在控制面板中每個操作按鍵對應(yīng)一個獨立的事件2.2.3 運動狀態(tài)顯示模塊通過調(diào)用GT_GetAltPos(long*Apos)和GT_GetPrfPnt(double*Pnt)分別獲得當(dāng)前軸的實際位置和坐標(biāo)系各軸的

12、坐標(biāo)位置，參數(shù)*Apos返回實際位置，雙精度參數(shù)*Pnt指向一個長度為4的數(shù)組。然后轉(zhuǎn)換成各電動機的實際角度，并在控制面板上顯示。2編程開發(fā)實例現(xiàn)以單軸調(diào)試與4軸協(xié)調(diào)運動實現(xiàn)直線和圓軌跡為例具體介紹開發(fā)過程：打開VisualC+6.0,利用MFCAppWizardexe創(chuàng)建一個基于對話框的Robot2008工程，將GT400.h,GT400.lib添加進工程，編程時要在頭文件里包含頭文件GT400.h。在對話框中添加按鈕和編輯框等操作見圖6。¥ EADCUTWKjLra 15 U .E |一£ H l-ng riabc u-,: an. V-1 - F.ji = JI Vd

13、-；= - Hi 一即中二二/LU.I 3 0V小口的耳石6國a UI小L aud; td4 貓“ Ji. LI-J i Jl*_1圖6設(shè)置對諳框單軸控制模塊，先在OnInitDialog()中添加如下代碼，進行初始化工作:GT_Open();GT_Reset();GT_LmtsOff();GT_AlarmOff();GT_CtrlMode(0);GT_CloseLp();在CRobot2008Dlg中添加成員變量m_Kp,m_Ki,m_Kd,m_Pos,m_Vel,m_Acc并作原型說明。然后在“單軸運動”按鈕添加BN_CLICKED消息響應(yīng)的函數(shù)OnButtonSrtMov(),并在函數(shù)中

14、添加如下代碼：GT_Axis();GT_AxisOn();GT_ZeroPos();GT_PrflT();GT_SetKp(m_Kp);GT_SetKi(m_Ki);GT_SetKd(m_Kd);GT_SetPos(m_Pos);GT_SetVel(m_Vel);GT_SetAcc(m_Acc);GT_Update();最后在“單軸停止”按鈕BN_CLICKED響應(yīng)函數(shù)OnButtonStop()中添加代碼：GT_AxisOff();GT_Close();四軸協(xié)調(diào)運動的初始化與單軸情況基本相同，但要加入坐標(biāo)映射函數(shù)GT_MapAxis(shortAxis_Num,double*map_count)。doublecnt15=1,0,0,0,0;doublecnt25=0,1,0,0,0;doublecnt35=0,0,1,0,0;doublecnt45=0,0,0,1,0;GT_MapAxis(1,cnt1);GT_MapAxis(2,cnt2)GT_MapAxis(3,cnt3);GT_MapAxis(4,cnt4);GT_MvXYZA(0,0,0,0,1,0.01);前文已提到，運動顯示模塊經(jīng)編譯無