基于VC的運動控制卡軟件系統(tǒng)設計

1、 基于VC+的運動控制卡軟件系統(tǒng)設計在自動控制領域，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DSP技術實現(xiàn)手段的并行發(fā)展，各種工業(yè)設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)的標準化、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MFC應用程序開發(fā)平臺探索研究平面2-DOF四分之過驅動并聯(lián)機構的運動控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)

2、。平面2-DOF四分之過驅動并聯(lián)機構的控制系統(tǒng)組成并聯(lián)機構的本體如圖1，該機構由4個分支鏈組成，每條支鏈的一段與驅動電動機相連，而另一端相交于同一點。該并聯(lián)機構的操作末端有2個自由度（即X方向和Y方向的平動），驅動輸入數(shù)目為4，從而組成過驅動并聯(lián)機構?？刂葡到y(tǒng)的硬件主要有4部分組成：PC機，四軸運動控制卡，伺服驅動器和直流電動機。系統(tǒng)選用的是普通PC機，固高公司的GT-400-SV-PCI運動控制卡，瑞士Maxon公司的四象限直流伺服驅動器及直流永磁電動機。伺服驅動器型號為4-Q-DCADS50/5，與驅動器適配直流電動機型號為Maxon RE-35。運動控制系統(tǒng)的構成如圖2所示。上位控制單元

3、由PC機和運動控制卡一起組成，板卡插在PC機主板上的PCI插槽內(nèi)。PC機主要負責信息流和數(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。驅動器控制模式采用編碼器速度控制，驅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電路控制直流電動機RE-35的運轉，并接受直流電動機RE-35上的編碼器反饋信號調(diào)整對電動機的控制，如此構成一個半閉環(huán)的直流伺服控制系統(tǒng)。1.1 GT-400-SV控制卡介紹固高公司生產(chǎn)的GT系列運動控制卡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ADSP2181數(shù)字信號處理器和FPGA組成，能實現(xiàn)高性能的控制

4、計算?？刂瓶ㄍ瑫r提供了C語言函數(shù)庫和Windows下的動態(tài)鏈接庫，可實現(xiàn)復雜的控制功能。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路限位開關信號、一路原點信號及一路驅動報警信號輸入；（7） 每軸1路驅動使能信號、1路驅動復位信號輸出；（8） 運動方式：單軸點位運動、直線插補、圓

5、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DOS、WindowsNT/2000/XP等操作系統(tǒng)，提供底層庫函數(shù)，可用DOS、VC、VB等進行軟件開發(fā)?？刂瓶ńY構及端子板的接口如圖3所示。1.2 直流永磁電動機PWM驅動基本原理圖4為利用開關管實現(xiàn)直流電動機PWM調(diào)速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形。當開關MOSFET的柵極輸入高電平時，開關管導通，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?，開關管

6、重復前面的動作過程。這樣，對應著輸入的點評高低，直流伺服電動機電樞繞組兩端的電壓波形如圖4b所示。占空比a表示了在一個周期T里，開關管導通的時間與周期的比值。a的變化范圍為0<a<1。由此式可知，當電源電壓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a的大小，改變a的值就可以改變端電壓的平均值，從而達到調(diào)速的目的。2 基于GT-400-SV-PCI卡的軟件設計GT-400-SV控制卡具有良好的開放性，用戶可以再DOS、VC、VB、Delphi環(huán)境下進行軟件開發(fā)。文中是在Windows2000系統(tǒng)下利用Visual C+6.0的MFC以面向對象方式進行編程?？刂瓶ㄔ赪i

7、ndows下開發(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/Library modules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Visual C+6.0是Windows開發(fā)語言，所以用Visual C+6.0開發(fā)程序之前首先需要弄清楚Windows程序內(nèi)部運行機制。在Windows環(huán)境下的軟件開發(fā)是完全不同于DOS下的，它是一種事件驅動方式的程序設計模式，主要是基于消息的。當用戶需要完成某種功能時，會調(diào)用操作系

8、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中，最后應用程序從消息隊列中取走消息并進行響應。2.2 程序設計運動控制卡接受PC機上發(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，設置運動參數(shù)，執(zhí)行運動程序，關閉卡?？刂葡到y(tǒng)流程圖如圖5所示。 卡的初始化卡的初始化應在程序開始時就執(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 功能GT_Open（） 打開運動控制器設備GT_Reset（） 復位運動控制器GT_SetSmplTm（） 設置控制周期GT_LmtSns（）

9、設置限位開關的有效電平GT_EncSns（） 設置編碼器的記數(shù)方向GT_CloseLp（） 設置為閉環(huán)控制GT_CtrlMode（） 設置輸出模擬量/脈沖量以上參數(shù)應根據(jù)具體的硬件平臺來設置，一般只在程序初始化時設置一次，以后不應再設置。另外，控制周期的設定GT_SetSmplTm(double Timer),參數(shù)Timer的單位是us。因為運動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，因此設定的范圍為48-1966.08us。運動控制卡默認的控制周期為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，在程序中不應改變控制周期值，否則會出現(xiàn)不可預期的后果。

10、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、急停緩停、回零等；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，設置速度、加速度、目標位置3個參數(shù)，通過設置合適的PIDP控制參數(shù)，使電動機運動達到系統(tǒng)設計要求。4軸協(xié)調(diào)運動采用直線插補法，正確的設置坐標映射，合成速度、加速度，再加軌跡設置命令及目標位置，即可實現(xiàn)四軸協(xié)調(diào)運動。運動控制卡通過坐標映射函數(shù)GT_MapAxis(short Axis_Num,double * map_count)將控制軸由單軸運動控制模式轉換為坐標系運動控制

11、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一個獨立的事件。 運動狀態(tài)顯示模塊通過調(diào)用GT_GetAltPos(long * Apos)和GT_GetPrfPnt(double * Pnt)分別獲得當前軸的實際位置和坐標系各軸的坐標位置，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Visual C+6.0，利用MFC

12、AppWizardexe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。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

13、息響應的函數(shù)OnButtonSrtMov（），并在函數(shù)中添加如下代碼：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，但要加入坐標映射函數(shù)GT_MapAxis(short Axis_Num,double *map_count)。double cnt15=1,0,0,0,0;double cnt25=0,1,0,0,0;double cnt35=0,0,1,0,0;double cnt45=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)編譯無誤后生成可執(zhí)行文件