基于一體化運動控制器的運動控制實驗開發(fā)平臺設(shè)計

劉惠敏，劉立山，夏琳琳，段文達

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，山東青島266109;2.東北電力大學(xué)自動化工程學(xué)院，吉林吉林132012)

在現(xiàn)代工業(yè)自動化技術(shù)中，運動控制代表著最廣泛的用途，承擔(dān)著最復(fù)雜的任務(wù)，是自動化技術(shù)的一個重要分支［1］。作為軌跡控制、伺服控制應(yīng)運而生的運動控制器不僅在機床行業(yè)得到大量推廣使用，而且在許多小型自動化裝備系統(tǒng)中也得到廣泛的應(yīng)用。運動控制器可以同步控制多個運動軸，實現(xiàn)多軸協(xié)調(diào)運動和高速的點位運動。而且其工作過程基于PC 機，故在控制系統(tǒng)的開發(fā)過程中，具有更大的靈活性和開放性，實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，使得用戶能在短期內(nèi)開發(fā)出功能強大的運動控制系統(tǒng)，以適應(yīng)各應(yīng)用領(lǐng)域的要求。

機電系統(tǒng)在投入實際使用之前，需要在實驗室中進行專門深入研究，但是機電控制系統(tǒng)安全性和可靠性一直是實驗室研究的主要障礙和大多數(shù)控制系統(tǒng)需要克服的難點［2］。作者提出的運動控制實驗開發(fā)平臺可以有效地解決開發(fā)階段存在的這種矛盾，它通過固高公司GUC 系列的通用一體化運動控制器發(fā)送控制命令，通過電機帶動各軸運轉(zhuǎn)，通過軸的狀態(tài)驗證所設(shè)計系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并且不實際帶動機械負載。因此它簡單、安全，具備一個機電控制系統(tǒng)所具有的控制機構(gòu)，便于學(xué)生掌握現(xiàn)代機電控制的基本原理，對于運動控制和機電一體化系統(tǒng)以及開放式數(shù)控系統(tǒng)的教學(xué)和科研具有普遍意義。

1 系統(tǒng)硬件組成

該實驗開發(fā)平臺是基于固高公司GUC 系列通用一體化運動控制器，通過端子板連至外部伺服機構(gòu)，可同步控制4 個軸的協(xié)調(diào)運動。該平臺系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 運動控制教學(xué)開發(fā)平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 通用型一體化運動控制器

該運動控制教學(xué)實驗平臺的核心部件為通用型一體化運動控制器，其型號為GUC-400-ESV-M01-L2/F4G，這種一體化運動控制器將嵌入式計算機與運動控制器結(jié)合為一體，以Intel 標(biāo)準(zhǔn)X86 架構(gòu)的CPU 和芯片組為系統(tǒng)處理器，采用高性能DSP 和FPGA 作為運動控制協(xié)處理器，可以在實現(xiàn)高性能多軸協(xié)調(diào)運動控制和高速點位運動控制的同時，實現(xiàn)普通計算機的所有基本功能，并為用戶提供了構(gòu)成計算機系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出設(shè)備接口，因而是一種理想的嵌入式一體化解決方案［3］。

該運動控制器支持直線插補、圓弧插補功能;支持閉環(huán)與開環(huán)控制;具備數(shù)字濾波器:PID +速度前饋+加速度前饋功能;支持小線段的連續(xù)軌跡的速度優(yōu)化策略——前瞻預(yù)處理功能;具有螺旋線插補功能和刀向跟隨功能等;具有優(yōu)越的運動控制功能和性能，特別適用于高速、高精度插補運動控制要求的場合［3］。例如，高速雕銑、雕刻、切割、PCB 加工等行業(yè)。另外，該運動控制器還提供高速IO 現(xiàn)場總線擴展接口，可進行IO 擴展，能滿足多IO 點控制要求。該運動控制器技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 通用一體化運動控制器相關(guān)技術(shù)參數(shù)

1.2 執(zhí)行機構(gòu)

該實驗開發(fā)平臺的伺服系統(tǒng)共采用4 臺伺服電動機，分別用于對軸1、軸2、軸3、軸4 的控制。其中2 臺交流伺服電機、2 臺步進電機，屬于伺服步進混合型平臺。伺服系統(tǒng)實現(xiàn)了電信號到機械動作的轉(zhuǎn)換，對系統(tǒng)的動態(tài)性能、控制質(zhì)量和功能具有決定性的影響。用戶通過計算機向運動控制器發(fā)送運動控制指令，運動控制器對指令進行解釋和處理后，施加給電機驅(qū)動器，驅(qū)動器將控制信號放大，傳送至伺服電機，使電機按照指令要求的動作運轉(zhuǎn)，通過電機帶動各軸轉(zhuǎn)動觀察和驗證系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

1.2.1 交流伺服電機及其驅(qū)動器

該平臺軸1 和軸2 均采用松下交流伺服電機進行拖動，型號為MSMD012P1U。其功率為200 W，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩0.32 N·m，最大轉(zhuǎn)矩0.95 N·m。驅(qū)動器選擇松下交流伺服電機驅(qū)動器MADDT1205，驅(qū)動器類型A 型，A4 系列，最大瞬時輸出電流10 A，輸入電源電壓單相200 V，電流檢測器的額定電流5 A。

1.2.2 步進電機及其驅(qū)動器

該平臺軸3 和軸4 采用四通兩相混合式步進電機，型號為57BYG250C，相數(shù)為2 相，轉(zhuǎn)動慣量為200 g·cm2，步距角0.9°/1.8°，空載啟動頻率2.5 kHz。驅(qū)動器采用四通兩相混合式步進電機驅(qū)動器，型號為SH-20806C，電源電壓DC 24 ～70 V，輸出相電流最大6 A，步進脈沖頻率0 ～50 kHz，邏輯輸入電流6 ～10 mA。

對于交流伺服電機，其角度傳感器為光電碼盤，直接安裝在電機的轉(zhuǎn)子上，與驅(qū)動器構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過修改相應(yīng)的接線以及不同的驅(qū)動器參數(shù)設(shè)定，可以構(gòu)成位置控制、轉(zhuǎn)矩控制和速度控制3 種不同的控制模式。當(dāng)系統(tǒng)選擇用步進電機時，控制模式為開環(huán)控制方式，不需要編碼器。

1.3 其他部件

該平臺采用固高公司的ACC6-PN5-T12-K61 觸摸屏，該觸摸屏LCD 尺寸為12 寸高亮真彩TFT，分辨率為800 ×600，DC 24 V 電源，按鍵數(shù)為61。通過HMI 接口接至通用一體化運動控制器。各軸光電開關(guān)選擇OMRON EE-SX671，接至端子板CN12 相應(yīng)的端口上。端子板的CN13 和CN14 端口是通用數(shù)字量輸入/輸出端口，可連接開關(guān)或者驅(qū)動指示燈作為相應(yīng)的輸入和輸出，進行實驗結(jié)果的驗證或觀察。

2 運動控制應(yīng)用軟件的設(shè)計

在系統(tǒng)硬件平臺搭建好以后，最重要的是進行應(yīng)用軟件的設(shè)計。嵌入式計算機中安裝的操作系統(tǒng)是WinCE 嵌入式操作系統(tǒng)。此時針對常規(guī)的操作系統(tǒng)進行開發(fā)，VB、VC 等開發(fā)工具就不方便使用了。微軟提供了Embedded Visual Basic(簡稱EVB)、Embedded Visual C(簡稱EVC)、Visual Studio.NET 等工具，它們是專門針對WinCE 操作系統(tǒng)的開發(fā)工具，目前用得最多的還是EVC。作者采用eMbedded Visual C++4.0 進行應(yīng)用軟件的開發(fā)，并以實現(xiàn)二維插補運動為例，介紹應(yīng)用軟件的設(shè)計過程。

2.1 運動控制操作界面設(shè)計

在普通PC 機上安裝并打開eMbedded Visual C++4.0，新建一個MFC AppWizard(exe)工程，鍵入工程名稱GEdemo 后點擊確定，在彈出的對話框中選擇“Dialog based”，依次添加按鈕、編輯框、靜態(tài)文本框控件、組合框控件等，構(gòu)成二維插補運動的界面。

2.2 動態(tài)鏈接庫的添加

GUC 系列一體化運動控制器附帶的光盤中，有運動控制器的動態(tài)鏈接庫文件和頭文件，在設(shè)計的工程中加入動態(tài)鏈接庫，就可以在自己的程序中調(diào)用運動控制器提供的各類函數(shù)。具體步驟如下:

(1)將固高公司提供的winCE 專用的動態(tài)鏈接庫文件ges.dll 及相關(guān)頭文件ges.h 和ges.lib 拷貝到創(chuàng)建的GEdemo 工程文件夾中。

(2)選擇Project－ ＞settings 打開設(shè)置。選擇Link 選項，在Object/library modules:一欄中鍵入ges.lib 后點擊OK。

(3)在GEdemoDlg.cpp 中加入頭文件ges.h，則可在自己的工程中調(diào)用運動控制器提供的各類函數(shù)。

2.3 運動控制編程

2.3.1 運動控制器和各控制軸初始化

在實現(xiàn)具體控制功能之前，必須要對運動控制器和各控制軸進行初始化，并根據(jù)具體的硬件配置情況進行參數(shù)的設(shè)置［4］。在此以實現(xiàn)二維插補運動為例，此時只需要對軸1 和軸2 進行初始化。在“Initialization”按鈕對應(yīng)的函數(shù)中輸入如下的程序:

在該函數(shù)中，定義了4 個雙精度變量，目的是為了進行單位換算，因為在GT 函數(shù)GT_SetSynAcc(cbA)、GT_SetSynVel(cbV)和GT_LnXY(cbX，cbY)中，單位分別為pulse/ms2、pulse/ms 和pulse，而正常使用的單位為m/s2、m/min、min。變量換算關(guān)系［5］具體如表2所示。

表2 二維插補運動指令單位換算關(guān)系表

換算過程如下:

單位換算前，雖然已經(jīng)將Edit 控件設(shè)置成了成員變量，但是程序本身直接調(diào)用該成員變量時，成員變量不會自動刷新參數(shù)來獲取用戶輸入的數(shù)值，因此在這里需要加上UpdateData()函數(shù)，讓系統(tǒng)刷新參數(shù)，從而使成員變量獲取用戶輸入的數(shù)值，這樣才能得到外部數(shù)據(jù)到內(nèi)部函數(shù)的一個連接過程，否則所有的m_cba、m_vbc、m_cbx、m_cby 成員變量都將為0。

2.3.3 關(guān)閉各軸及運動控制器

運動結(jié)束，關(guān)閉各軸和運動控制卡，在Stop 按鈕函數(shù)中輸入如下程序:

2.4 運動控制程序向嵌入式計算機的導(dǎo)入

在普通PC 機上程序編程調(diào)試完畢，即完成了運動控制軟件界面的設(shè)計。下一步，需要將程序?qū)胪ㄓ靡惑w化運動控制器。首先，將PC 機與通用一體化運動控制器通過網(wǎng)線連接。然后將所使用的普通PC 機的本地連接IP 選擇為手動獲取，IP 地址為192.186.0.3，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0。在EVC中打開建立的工程，在菜單欄的下拉菜單中選擇GUC-STANDARDS 和Win32 ［WCEx86］Debug 后點擊測試運行。編譯成功會出現(xiàn)如圖2所示的對話框。

圖2 通訊連接界面

通過觸摸屏，在WinCE 環(huán)境中點擊“開始”菜單中的“運行”，在彈出的對話框中輸入“cmd”指令，然后將圖 2 出現(xiàn)的 CEMGRC.EXE /T:TCPIPC.DLL/Q/D:192.168.0.3:2 534 輸入到出現(xiàn)的界面中。觸摸屏上輸入完后點擊回車，普通PC 機上點擊“OK”按鈕(如圖2所示)。至此連接成功，可執(zhí)行程序下載至嵌入式計算機中。如果需要開機即啟動編寫的運動控制程序，則可將可執(zhí)行程序的快捷方式放到WinCE 的開機啟動文件夾中。

至此，就可以通過觸摸屏對設(shè)計的軟件進行相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置，如圖3所示。通過界面操作向運動控制器發(fā)送控制命令，從而控制各電機運行，實現(xiàn)二維插補運動。對于該平臺使用人員，則可以根據(jù)控制要求按照上述步驟設(shè)計和開發(fā)符合自己運動控制系統(tǒng)要求的操作界面，從而實現(xiàn)相應(yīng)的控制。

圖3 二維插補運動控制操作界面

3 結(jié)論

介紹了一種基于固高GUC 系列的通用一體化運動控制器的運動控制教學(xué)實驗開發(fā)平臺，給出了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用軟件的設(shè)計過程。通過軟、硬件連調(diào)實驗，證明該系統(tǒng)可以實現(xiàn)預(yù)期的控制要求，該設(shè)計方案是可行的。在運動控制教學(xué)過程中，學(xué)生可通過該平臺掌握基于運動控制器的運動控制系統(tǒng)的組成、工作原理，也可以自己設(shè)計、編寫程序?qū)崿F(xiàn)對電機的控制，觀察各軸的運行狀態(tài)，驗證相關(guān)的理論知識。可開設(shè)的實驗有二維插補原理與應(yīng)用實驗、多軸協(xié)調(diào)運動編程實驗、數(shù)控代碼編程實驗等;在科研方面，該平臺具備了一個機電控制系統(tǒng)所具有的完整的控制機構(gòu)，可以看成是一個嵌入式運動控制系統(tǒng)的微縮模型。由于平臺本身并不拖動負載，因而在開發(fā)設(shè)計階段安全、可靠，有利于控制系統(tǒng)的開發(fā)和系統(tǒng)功能的模擬驗證?？蛇M行機器人、加工機械、生產(chǎn)裝配、開放式數(shù)控等方面的研究工作。

【1】鄭魁敬，高建設(shè).運動控制技術(shù)及工程實踐［M］.北京:中國電力出版社，2009:56－59.

【2】固高科技有限公司.運動控制開發(fā)平臺實驗指導(dǎo)書:1.2版［M］，2009.

【3】固高科技有限公司.GUC 系列運動控制器用戶手冊［M］，2009.

【4】固高科技有限公司.GE 系列運動控制器編程手冊［M］，2009.

【5】固高科技有限公司.GE 系列運動控制器用戶手冊［M］，2009.

【6】羅炳軍，陳健，樊亞妮.基于運動控制器的開放式運動控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用［J］.工業(yè)儀表與自動化裝置，2006(3):10－11.

【7】許家忠，王東野，溫武，等.基于嵌入式運動控制器的鉆床控制系統(tǒng)［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2010(10):19－21.

【8】董正凱.基于運動控制器的開放式數(shù)控平臺的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010:25－28.