基于VC的運動控制卡軟件系統(tǒng)設(shè)計

基于VC++的運動限制卡軟件系統(tǒng)設(shè)計在自動限制領(lǐng)域，基于PC和運動限制卡的伺服系統(tǒng)正演繹著一場工業(yè)自動化的革命。目前，常用的多軸限制系統(tǒng)主要分為3大塊：基于PLC的多軸定位限制系統(tǒng)，基于PC_based的多軸限制系統(tǒng)和基于總線的多軸限制系統(tǒng)。由于PC機(jī)在各種工業(yè)現(xiàn)場的廣泛運動，先進(jìn)限制理論和DSP技術(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限制模塊的硬件平臺，以及為了滿意新型數(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和運動限制卡的伺服系統(tǒng)備受青睞。本文主要是利用VC++6.0供應(yīng)的MFC應(yīng)用程序開發(fā)平臺探究探討平面2-DOF四分之過驅(qū)動并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運動限制系統(tǒng)的軟件開發(fā)。平面2-DOF四分之過驅(qū)動并聯(lián)機(jī)構(gòu)的限制系統(tǒng)組成并聯(lián)機(jī)構(gòu)的本體如圖1，該機(jī)構(gòu)由4個分支鏈組成，每條支鏈的一段與驅(qū)動電動機(jī)相連，而另一端相交于同一點。該并聯(lián)機(jī)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(jī)構(gòu)。限制系統(tǒng)的硬件主要有4部分組成：PC機(jī)，四軸運動限制卡，伺服驅(qū)動器和直流電動機(jī)。系統(tǒng)選用的是一般PC機(jī)，固高公司的GT-400-SV-PCI運動限制卡，瑞士Maxon公司的四象限直流伺服驅(qū)動器及直流永磁電動機(jī)。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(jī)型號為MaxonRE-35。運動限制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示。上位限制單元由PC機(jī)和運動限制卡一起組成，板卡插在PC機(jī)主板上的PCI插槽內(nèi)。PC機(jī)主要負(fù)責(zé)信息流和數(shù)據(jù)流的管理，以及從運動限制卡讀取位置數(shù)據(jù)，并經(jīng)過計算后將限制指令發(fā)給運動限制卡。驅(qū)動器限制模式采納編碼器速度限制，驅(qū)動器接受到運動限制卡發(fā)出的模擬電壓，通過內(nèi)部的PWM電路限制直流電動機(jī)RE-35的運轉(zhuǎn)，并接受直流電動機(jī)RE-35上的編碼器反饋信號調(diào)整對電動機(jī)的限制，如此構(gòu)成一個半閉環(huán)的直流伺服限制系統(tǒng)。1.1GT-400-SV限制卡介紹固高公司生產(chǎn)的GT系列運動限制卡GT-400-SV-PCI可以同步限制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)高性能的限制計算。限制卡同時供應(yīng)了C語言函數(shù)庫和Windows下的動態(tài)鏈接庫，可實現(xiàn)困難的限制功能。主要功能如下：PCI總線，即插即用；可編程伺服采樣周期，4軸最小插補(bǔ)周期為200us，單軸點位運動最小限制周期為25us；4路16位辨別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，每路課獨立限制，互不影響；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；四軸協(xié)調(diào)運動；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；每軸1路驅(qū)動使能信號、1路驅(qū)動復(fù)位信號輸出；運動方式：單軸點位運動、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、速度限制模式、電子齒輪模式；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(bǔ)償和低通濾波器；支持DOS、WindowsNT/2000/XP等操作系統(tǒng)，供應(yīng)底層庫函數(shù)，可用DOS、VC、VB等進(jìn)行軟件開發(fā)。限制卡結(jié)構(gòu)及端子板的接口如圖3所示。直流永磁電動機(jī)PWM驅(qū)動基本原理圖4為利用開關(guān)管實現(xiàn)直流電動機(jī)PWM調(diào)速限制的原理圖和輸入輸出電壓波形。當(dāng)開關(guān)MOSFET的柵極輸入高電平常，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動機(jī)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(jī)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(guān)管重復(fù)前面的動作過程。這樣，對應(yīng)著輸入的點評凹凸，直流伺服電動機(jī)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(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值。a的變更范圍為0<a<1。由此式可知，當(dāng)電源電壓Us不變的狀況下，電樞繞組兩端的電壓平均值Uo取決于占空比a的大小，變更a的值就可以變更端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的。2基于GT-400-SV-PCI卡的軟件設(shè)計GT-400-SV限制卡具有良好的開放性，用戶可以再DOS、VC、VB、Delphi環(huán)境下進(jìn)行軟件開發(fā)。文中是在Windows2000系統(tǒng)下利用VisualC++6.0的MFC以面對對象方式進(jìn)行編程。限制卡在Windows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)境中運用時，選擇Project—Setting—Link，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)。2.1Windows程序內(nèi)部運行原理因為VisualC++6.0是Windows開發(fā)語言，所以用VisualC++6.0開發(fā)程序之前首先須要弄清晰Windows程序內(nèi)部運行機(jī)制。在Windows環(huán)境下的軟件開發(fā)是完全不同于DOS下的，它是一種事務(wù)驅(qū)動方式的程序設(shè)計模式，主要是基于消息的。當(dāng)用戶須要完成某種功能時，會調(diào)用操作系統(tǒng)的某種支持，然后操作系統(tǒng)將用戶的須要包裝成消息并投遞到消息隊列當(dāng)中，最終應(yīng)用程序從消息隊列中取走消息并進(jìn)行響應(yīng)。2.2程序設(shè)計運動限制卡接受PC機(jī)上發(fā)出的操作吩咐和運動限制系統(tǒng)反饋回的信息，并據(jù)其進(jìn)行實時的運動操作，干脆限制伺服驅(qū)動器。限制卡限制直流電動機(jī)的過程可分為：打開限制卡并初始化，設(shè)置運動參數(shù)，執(zhí)行運動程序，關(guān)閉卡。限制系統(tǒng)流程圖如圖5所示。卡的初始化卡的初始化應(yīng)在程序起先時就執(zhí)行，主要用到的限制函數(shù)見表1。表1函數(shù)名稱及功能名稱功能GT_Open（）打開運動限制器設(shè)備GT_Reset（）復(fù)位運動限制器GT_SetSmplTm（）設(shè)置限制周期GT_LmtSns（）設(shè)置限位開關(guān)的有效電平GT_EncSns（）設(shè)置編碼器的記數(shù)方向GT_CloseLp（）設(shè)置為閉環(huán)限制GT_CtrlMode（）設(shè)置輸出模擬量/脈沖量以上參數(shù)應(yīng)依據(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，限制周期的設(shè)定GT_SetSmplTm(doubleTimer),參數(shù)Timer的單位是us。因為運動限制卡要在限制周期內(nèi)完成必要的限制計算，限制周期不能太小，因此設(shè)定的范圍為48-1966.08us。運動限制卡默認(rèn)的限制周期為200us，這個限制周期對于一般的用戶能夠平安牢靠地工作。一般狀況下，在程序中不應(yīng)變更限制周期值，否則會出現(xiàn)不行預(yù)期的后果。運動限制模塊該運動限制卡可以實現(xiàn)單軸及多軸協(xié)調(diào)運動。對于單軸所執(zhí)行的運動操作有肯定運動、連續(xù)點動、急停緩?fù)?、回零等；對于多軸協(xié)調(diào)運動有直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)。單軸運動限制主要用來調(diào)試直流電動機(jī)運動性能。采納梯形曲線運動模式，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限制參數(shù)，使電動機(jī)運動達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計要求。4軸協(xié)調(diào)運動采納直線插補(bǔ)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)置吩咐及目標(biāo)位置，即可實現(xiàn)四軸協(xié)調(diào)運動。運動限制卡通過坐標(biāo)映射函數(shù)GT_MapAxis(shortAxis_Num,double*map_count)將限制軸由單軸運動限制模式轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)系運動限制模式。同時運動限制卡開拓了底層運動數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在坐標(biāo)系運動限制模式下，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，在限制面板中每個操作按鍵對應(yīng)一個獨立的事務(wù)。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(jī)的實際角度，并在限制面板上顯示。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MFCAppWizard[exe]創(chuàng)建一個基于對話框的Robot2008工程，將GT400.h，GT400.lib添加進(jìn)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。單軸限制模塊，先在OnInitDialog（）中添加如下代碼，進(jìn)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();最終在“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狀況基本相同，但要加入坐標(biāo)映射函數(shù)GT_MapAxis(shortAxis_Num,double*map_count)。doublecnt1[5]={1,0,0,0,0};doublecnt2[5]={0,1,0,0,0};doublecnt3[5]={0,0,1,0,0};doublecnt4[5]={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