基于NI運(yùn)動(dòng)控制卡的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)研究

賀昌勇+張厚江+路敦民+祖漢松+王朝志

【摘 要】本文介紹了一種基于NI運(yùn)動(dòng)控制卡的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用美國(guó)國(guó)家儀器的PCI-7344運(yùn)動(dòng)控制卡產(chǎn)生脈沖和方向信號(hào)、UMI-7774接線盒、臺(tái)達(dá)伺服驅(qū)動(dòng)器、臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)，用Labview圖形化編程軟件編程，調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡的相關(guān)函數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制?？梢詣?dòng)態(tài)控制軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)一個(gè)軸的往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，而且可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)軸的同步。

【關(guān)鍵詞】NI運(yùn)動(dòng)控制卡；伺服電機(jī)；運(yùn)動(dòng)控制；Labview

Servo Motor Control System Based on the NI Motion Controller Board

HE Chang-yong1 ZHANG Hou-jiang1 LU Dun-min1 ZU Han-song1 WANG Chao-zhi2

（1.School of Technology Beijing Forestry university， Beijing 100083，China；

2.Beijing Zhong Ke Fan Hua Technology Co.， Ltd.， Beijing 100192，China）

【Abstract】A kind of servo motor control system based on the NI motion controller board was introduced. The system adopts national instruments PCI-7344 motion controller board to generate pulse and direction signals， UMI-7774 terminal block， Delta servo drive ，Delta servo motor and use Labview which is a kind of graphical programming software to design operating screen program， through recalling the related function of motion controller board to motion control. The system can control speed and direction of axis dynamically， realize an axis reciprocating， whats more it can make two axes synchronous.

【Key words】NI motion controller board； Servo motor； Motion control； Labview

目前，伺服電機(jī)常見的控制方式有單片機(jī)控制、DSP控制、ARM控制、PLC控制、PC機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡等。單片機(jī)、DSP、ARM控制編程比較復(fù)雜，要從低層做起，通常需要設(shè)計(jì)和加工相應(yīng)微處理器系統(tǒng)電路板、開發(fā)周期比較長(zhǎng)、需要編程人員對(duì)微處理器控制非常熟練；PLC適用于工廠等環(huán)境比較惡劣的場(chǎng)所，而且PLC大部分用于運(yùn)動(dòng)過程比較簡(jiǎn)單、軌跡固定的工況下[1]，運(yùn)動(dòng)控制卡是一種基于PC機(jī)更加柔性、更加開放式的控制方式，PC機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面的管理和實(shí)時(shí)監(jiān)控、而運(yùn)動(dòng)的所有細(xì)節(jié)都由運(yùn)動(dòng)控制卡來實(shí)現(xiàn)，充分的將兩者結(jié)合起來——PC機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能、運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)電機(jī)的精確控制，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性[2]，而且運(yùn)動(dòng)控制卡二次開發(fā)很方便，由此運(yùn)動(dòng)控制卡得到越來越多人的應(yīng)用。

1 NI運(yùn)動(dòng)控制卡簡(jiǎn)介

眾所周知 NI公司（美國(guó)國(guó)家儀器公司）是測(cè)試測(cè)量的領(lǐng)頭羊，其“軟件即是儀器”、“圖形有邊，系統(tǒng)無界”的思想使測(cè)試、測(cè)量進(jìn)入了一個(gè)新的領(lǐng)域。程序采用Labview編程，它是一種真正意義上的圖形化編程語言，“所見即所得”，與C、Basic等文本語言相比，它在編程中有更詳細(xì)的提示信息，如函數(shù)的功能、參數(shù)類型等，程序員不需要記憶那些枯燥的函數(shù)信息[3]。NI公司首先將其擴(kuò)展到測(cè)試、測(cè)量最相近的領(lǐng)域——運(yùn)動(dòng)控制，早在Labview7.1版本就已經(jīng)有正式的運(yùn)動(dòng)控制模塊，NI公司相繼推出了PCI插槽、PXI插槽的運(yùn)動(dòng)控制卡，目前控制軸數(shù)最多的是8軸運(yùn)動(dòng)控制卡[4]。

PCI-7344是4軸運(yùn)動(dòng)控制卡，PCI總線傳輸效率高，支持即插即用，數(shù)據(jù)吞吐量大，是運(yùn)動(dòng)控制卡設(shè)計(jì)的主流[5]。每一軸均可以控制步進(jìn)/伺服電機(jī)是NI運(yùn)動(dòng)控制中檔產(chǎn)品之一，NI PCI-7344包括雙處理器和一個(gè)實(shí)時(shí)板載操作系統(tǒng)，并具有多軸插值功能，循環(huán)更新率，有兩個(gè)68-pin VHDCI母頭的接口：Motion I/O、Digital I/O，數(shù)字I/O通道數(shù)32；PWM通道數(shù)2，最大步進(jìn)輸出率4MHZ；最大編碼器輸出率20MHZ[6]。

UMI-7774（4軸）是用于NI 735x、NI 734x、NI 733x運(yùn)動(dòng)控制卡和第三方驅(qū)動(dòng)器及放大器的特殊運(yùn)動(dòng)控制接口。這些接口提供了各種特性，是D Sub連接和信號(hào)隔離等工業(yè)環(huán)境的理想選擇。UMI-7774需要24V電源供電，還支持5-30V的隔離電源。其主要的特點(diǎn)：可與差分編碼器連接；狀態(tài)LED用于排除連接故障；16條通用數(shù)字I/O線；24V隔離；每個(gè)軸均可用D-Sub連接；信號(hào)連接電纜68pinVHDL 型；控制信號(hào)為+5v輸出，電流為1A[7]。

2 系統(tǒng)組成與工作原理

2.1 統(tǒng)組成

系統(tǒng)由研華工控機(jī)IPC-610H、運(yùn)動(dòng)控制卡PCI-7344、接線盒UMI-7774；臺(tái)達(dá)伺服驅(qū)動(dòng)器ASD-A2-1521-M、臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)ECMA-E11315RS組成。圖1為系統(tǒng)組成框圖。伺服電機(jī)的功率1.5kw、扭矩7.16N.m。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2.2 工作原理

本系統(tǒng)采用位置控制模式，接收上位機(jī)發(fā)出的脈沖和方向的差分信號(hào)，伺服電機(jī)本身具有編碼器，在伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部可以形成閉環(huán)，然后編碼器的信號(hào)也可以輸出到運(yùn)動(dòng)控制卡上，與上位機(jī)的輸出信號(hào)形成閉環(huán)，使得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性和穩(wěn)定性大大提高[8]。NI運(yùn)動(dòng)控制卡控制的是伺服驅(qū)動(dòng)器而不是直接的伺服電機(jī)，用圖形化編程語言的Labview編寫上位機(jī)軟件，調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡的函數(shù)，通過運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送脈沖或模擬量實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的控制。

（1）脈沖控制：驅(qū)動(dòng)器工作在位置環(huán)，脈沖的多少代表走的長(zhǎng)度，發(fā)送脈沖的頻率表示速度；

（2）模擬量控制：驅(qū)動(dòng)器工作在速度環(huán)或者電流環(huán)，模擬量的大小對(duì)應(yīng)電機(jī)的速度與位置。

我們選用的是脈沖控制方式：PCI-7344發(fā)送脈沖和方向信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，之所以選擇脈沖控制方式，有兩個(gè)方面的原因：

（1）可靠性比較高，不易發(fā)生飛車事故。如果采用模擬電壓控制方式的話，一般的為-10v-+10v的模擬電壓，10v對(duì)應(yīng)正向最大轉(zhuǎn)速、-10v對(duì)應(yīng)反向最大轉(zhuǎn)速，如果在控制過程中原件損壞或軟件故障，可能造成模擬電壓瞬間達(dá)到最大值，那么電機(jī)立刻就會(huì)以最高的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，很容易發(fā)生飛車，對(duì)操作人員造成傷害。

（2）抗干擾性比較好，比較適用對(duì)環(huán)境要求比較高的場(chǎng)所。數(shù)字電路的抗干擾性能是模擬電路所無法比擬的。

但是由于采用脈沖控制方式，驅(qū)動(dòng)器工作在位置控制方式，位置環(huán)在驅(qū)動(dòng)器的外部，調(diào)節(jié)PID參數(shù)不是很方便，因此控制的快速性不是很高，在本系統(tǒng)中完全能夠滿足我們的要求。

選用的臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)是A2系列搭配高精度20-bit等級(jí)（1280000p/rev）編碼器，提升定位精度與低速運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定度。即電機(jī)接收1280000個(gè)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，根據(jù)公式：位置指令=指令脈沖輸入*電子齒輪比，即，在驅(qū)動(dòng)器中我們?cè)O(shè)置電子齒輪比為128，那么PCI-7344每秒發(fā)出10000個(gè)脈沖，電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，也就是60r/min的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，脈沖的正負(fù)決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。圖2是臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器以及UMI-7774的電路連接圖，驅(qū)動(dòng)器的主回路和控制回路都是220V電源供電，電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器之間通過動(dòng)力線和編碼器線相連。圖3詳細(xì)的描述了UMI-7774和臺(tái)達(dá)伺服驅(qū)動(dòng)器的連接方式，使用的是驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部電源24V，4引腳是脈沖信號(hào)，12引腳是方向信號(hào)，分別與驅(qū)動(dòng)器的/pulse（脈沖信號(hào)）、/sign（方向信號(hào)）相連。

圖2 臺(tái)達(dá)伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)以及UMI-7774接線圖

圖3 UMI-7774和臺(tái)達(dá)伺服驅(qū)動(dòng)器CN1接線圖

3 控制程序的研究與實(shí)現(xiàn)

在硬件搭建、接線完成之后，我們使用Labview軟件在Max和程序面板中實(shí)現(xiàn)單軸的加速-勻速-減速運(yùn)動(dòng)；單軸的循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)；兩軸同步等運(yùn)動(dòng)等。

3.1 單軸加速-勻速-減速運(yùn)動(dòng)控制

圖4 單軸的加速-勻速-減速M(fèi)ax配置圖

上圖4是在Max中1-D Interactive的配置界面，按照?qǐng)D中的配置，就會(huì)實(shí)現(xiàn)單軸的加速-勻速-減速運(yùn)動(dòng)，可以計(jì)算，加減速時(shí)間都是1s，電機(jī)會(huì)以60r/min的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，而且會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)5圈。圖5是電機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度-時(shí)間圖，可以看出電機(jī)的加減速時(shí)間都是1s，嚴(yán)格符合速度-時(shí)間梯形運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖5 單軸的加速-勻速-減速的速度—時(shí)間梯形圖

3.2 單軸循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制

在程序框圖中編寫程序，如圖6，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式選擇Absolute Position，我們把初始位置設(shè)為0，這樣電機(jī)每次都會(huì)從原點(diǎn)開始運(yùn)動(dòng)。往復(fù)移動(dòng)的位置，我們用數(shù)組來表示。圖7為前面板圖，在前面板中可以通過觀察滑塊的移動(dòng)實(shí)時(shí)觀察電機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置和方向。

圖6 單軸循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)程序框圖

圖7 單軸循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)前面板圖（運(yùn)行時(shí)）

圖8是軸的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，而且Labview有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，我們規(guī)定一個(gè)位置為起始位置，當(dāng)設(shè)備斷電后，重新上電之后，設(shè)備會(huì)從原來斷電的位置移動(dòng)到起始位置，然后再進(jìn)行后續(xù)的運(yùn)動(dòng)，這大大的提高了系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)確性。

圖8 單軸循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)路線示意圖

3.3 兩軸同步控制（下轉(zhuǎn)第30頁(yè)）

（上接第15頁(yè)）在軟件中實(shí)現(xiàn)兩個(gè)軸的同步是比較復(fù)雜的，而且有時(shí)還不好控制，并不能做到兩個(gè)軸的完全同步，大膽設(shè)想在硬件連接中解決這個(gè)問題：也就是用PCI-7344的一個(gè)軸來同時(shí)給兩個(gè)電機(jī)發(fā)送脈沖，這樣就能做到兩個(gè)軸的同步，而且還節(jié)省了UMI-7774上的軸的數(shù)量，試驗(yàn)效果非常好，這是大膽嘗試的結(jié)果。

4 結(jié)語

基于NI運(yùn)動(dòng)控制卡的伺服電機(jī)的控制方式的創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）相比于編寫程序代碼控制伺服電機(jī)，這種方式采用程序框圖的方法，可讀性強(qiáng)，而且前面板采用按鈕、滑動(dòng)桿可以實(shí)時(shí)顯示控制量和當(dāng)前的位置，人機(jī)界面友好[9]；

（2）實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)和下位機(jī)分層控制，充分發(fā)揮了PC機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、NI運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)伺服電機(jī)的精確控制能力；

（3）直接調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡的相關(guān)函數(shù)，通過Labview編程就能夠完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)單軸、多軸的運(yùn)動(dòng)，開發(fā)時(shí)間短、大大提高了系統(tǒng)的精確性和靈活性，保證了系統(tǒng)較高的性價(jià)比[10]。

【參考文獻(xiàn)】

[1]賀虎成，劉衛(wèi)國(guó).電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制及其相關(guān)技術(shù)發(fā)展研究[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2006（3）：3-6.

[2]高瑞，苗長(zhǎng)云，王中偉.基于Labview的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，27（6）：58-61.

[3]阮奇楨.我和Labview.2版[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[4]賀昌勇，張厚江，祖漢松，周盧婧，劉妍.基于虛擬儀器運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2014，42（2）：9-12.

[5]江發(fā)潮，曹正清，肖春澤.虛擬儀器在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2002（6）：14-16.

[6]National Instruments Corporation.NI-7340 User Manual，2003，11[Z].

[7]National Instruments Corporation.NI UMI-7774/7772 User Guide and Specifications，2003，11[Z].

[8]林新鵬.Labview的多軸數(shù)字式伺服電機(jī)控制系統(tǒng)[J].科技信息，2009，5：101-102.

[9]趙冬梅，張賓.Labview控制步進(jìn)電機(jī)升降速[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，6：105-106.

[10]王淑芳.基于虛擬儀器技術(shù)的直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)[J].機(jī)床與液壓，2007，35（7）：144-146.

[責(zé)任編輯：謝慶云]

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2.2 工作原理

本系統(tǒng)采用位置控制模式，接收上位機(jī)發(fā)出的脈沖和方向的差分信號(hào)，伺服電機(jī)本身具有編碼器，在伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部可以形成閉環(huán)，然后編碼器的信號(hào)也可以輸出到運(yùn)動(dòng)控制卡上，與上位機(jī)的輸出信號(hào)形成閉環(huán)，使得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性和穩(wěn)定性大大提高[8]。NI運(yùn)動(dòng)控制卡控制的是伺服驅(qū)動(dòng)器而不是直接的伺服電機(jī)，用圖形化編程語言的Labview編寫上位機(jī)軟件，調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡的函數(shù)，通過運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送脈沖或模擬量實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的控制。

（1）脈沖控制：驅(qū)動(dòng)器工作在位置環(huán)，脈沖的多少代表走的長(zhǎng)度，發(fā)送脈沖的頻率表示速度；

（2）模擬量控制：驅(qū)動(dòng)器工作在速度環(huán)或者電流環(huán)，模擬量的大小對(duì)應(yīng)電機(jī)的速度與位置。

我們選用的是脈沖控制方式：PCI-7344發(fā)送脈沖和方向信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，之所以選擇脈沖控制方式，有兩個(gè)方面的原因：

（1）可靠性比較高，不易發(fā)生飛車事故。如果采用模擬電壓控制方式的話，一般的為-10v-+10v的模擬電壓，10v對(duì)應(yīng)正向最大轉(zhuǎn)速、-10v對(duì)應(yīng)反向最大轉(zhuǎn)速，如果在控制過程中原件損壞或軟件故障，可能造成模擬電壓瞬間達(dá)到最大值，那么電機(jī)立刻就會(huì)以最高的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，很容易發(fā)生飛車，對(duì)操作人員造成傷害。

（2）抗干擾性比較好，比較適用對(duì)環(huán)境要求比較高的場(chǎng)所。數(shù)字電路的抗干擾性能是模擬電路所無法比擬的。

但是由于采用脈沖控制方式，驅(qū)動(dòng)器工作在位置控制方式，位置環(huán)在驅(qū)動(dòng)器的外部，調(diào)節(jié)PID參數(shù)不是很方便，因此控制的快速性不是很高，在本系統(tǒng)中完全能夠滿足我們的要求。

選用的臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)是A2系列搭配高精度20-bit等級(jí)（1280000p/rev）編碼器，提升定位精度與低速運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定度。即電機(jī)接收1280000個(gè)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，根據(jù)公式：位置指令=指令脈沖輸入*電子齒輪比，即，在驅(qū)動(dòng)器中我們?cè)O(shè)置電子齒輪比為128，那么PCI-7344每秒發(fā)出10000個(gè)脈沖，電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，也就是60r/min的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，脈沖的正負(fù)決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。圖2是臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器以及UMI-7774的電路連接圖，驅(qū)動(dòng)器的主回路和控制回路都是220V電源供電，電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器之間通過動(dòng)力線和編碼器線相連。圖3詳細(xì)的描述了UMI-7774和臺(tái)達(dá)伺服驅(qū)動(dòng)器的連接方式，使用的是驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部電源24V，4引腳是脈沖信號(hào)，12引腳是方向信號(hào)，分別與驅(qū)動(dòng)器的/pulse（脈沖信號(hào)）、/sign（方向信號(hào)）相連。

圖2 臺(tái)達(dá)伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)以及UMI-7774接線圖

圖3 UMI-7774和臺(tái)達(dá)伺服驅(qū)動(dòng)器CN1接線圖

3 控制程序的研究與實(shí)現(xiàn)

在硬件搭建、接線完成之后，我們使用Labview軟件在Max和程序面板中實(shí)現(xiàn)單軸的加速-勻速-減速運(yùn)動(dòng)；單軸的循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)；兩軸同步等運(yùn)動(dòng)等。

3.1 單軸加速-勻速-減速運(yùn)動(dòng)控制

圖4 單軸的加速-勻速-減速M(fèi)ax配置圖

上圖4是在Max中1-D Interactive的配置界面，按照?qǐng)D中的配置，就會(huì)實(shí)現(xiàn)單軸的加速-勻速-減速運(yùn)動(dòng)，可以計(jì)算，加減速時(shí)間都是1s，電機(jī)會(huì)以60r/min的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，而且會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)5圈。圖5是電機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度-時(shí)間圖，可以看出電機(jī)的加減速時(shí)間都是1s，嚴(yán)格符合速度-時(shí)間梯形運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖5 單軸的加速-勻速-減速的速度—時(shí)間梯形圖

3.2 單軸循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制

在程序框圖中編寫程序，如圖6，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式選擇Absolute Position，我們把初始位置設(shè)為0，這樣電機(jī)每次都會(huì)從原點(diǎn)開始運(yùn)動(dòng)。往復(fù)移動(dòng)的位置，我們用數(shù)組來表示。圖7為前面板圖，在前面板中可以通過觀察滑塊的移動(dòng)實(shí)時(shí)觀察電機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置和方向。

圖6 單軸循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)程序框圖

圖7 單軸循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)前面板圖（運(yùn)行時(shí)）

圖8是軸的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，而且Labview有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，我們規(guī)定一個(gè)位置為起始位置，當(dāng)設(shè)備斷電后，重新上電之后，設(shè)備會(huì)從原來斷電的位置移動(dòng)到起始位置，然后再進(jìn)行后續(xù)的運(yùn)動(dòng)，這大大的提高了系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)確性。

圖8 單軸循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)路線示意圖

3.3 兩軸同步控制（下轉(zhuǎn)第30頁(yè)）

（上接第15頁(yè)）在軟件中實(shí)現(xiàn)兩個(gè)軸的同步是比較復(fù)雜的，而且有時(shí)還不好控制，并不能做到兩個(gè)軸的完全同步，大膽設(shè)想在硬件連接中解決這個(gè)問題：也就是用PCI-7344的一個(gè)軸來同時(shí)給兩個(gè)電機(jī)發(fā)送脈沖，這樣就能做到兩個(gè)軸的同步，而且還節(jié)省了UMI-7774上的軸的數(shù)量，試驗(yàn)效果非常好，這是大膽嘗試的結(jié)果。

4 結(jié)語

基于NI運(yùn)動(dòng)控制卡的伺服電機(jī)的控制方式的創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）相比于編寫程序代碼控制伺服電機(jī)，這種方式采用程序框圖的方法，可讀性強(qiáng)，而且前面板采用按鈕、滑動(dòng)桿可以實(shí)時(shí)顯示控制量和當(dāng)前的位置，人機(jī)界面友好[9]；

（2）實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)和下位機(jī)分層控制，充分發(fā)揮了PC機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、NI運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)伺服電機(jī)的精確控制能力；

（3）直接調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡的相關(guān)函數(shù)，通過Labview編程就能夠完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)單軸、多軸的運(yùn)動(dòng)，開發(fā)時(shí)間短、大大提高了系統(tǒng)的精確性和靈活性，保證了系統(tǒng)較高的性價(jià)比[10]。

【參考文獻(xiàn)】

[1]賀虎成，劉衛(wèi)國(guó).電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制及其相關(guān)技術(shù)發(fā)展研究[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2006（3）：3-6.

[2]高瑞，苗長(zhǎng)云，王中偉.基于Labview的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，27（6）：58-61.

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[9]趙冬梅，張賓.Labview控制步進(jìn)電機(jī)升降速[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，6：105-106.

[10]王淑芳.基于虛擬儀器技術(shù)的直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)[J].機(jī)床與液壓，2007，35（7）：144-146.

[責(zé)任編輯：謝慶云]

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2.2 工作原理

本系統(tǒng)采用位置控制模式，接收上位機(jī)發(fā)出的脈沖和方向的差分信號(hào)，伺服電機(jī)本身具有編碼器，在伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部可以形成閉環(huán)，然后編碼器的信號(hào)也可以輸出到運(yùn)動(dòng)控制卡上，與上位機(jī)的輸出信號(hào)形成閉環(huán)，使得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性和穩(wěn)定性大大提高[8]。NI運(yùn)動(dòng)控制卡控制的是伺服驅(qū)動(dòng)器而不是直接的伺服電機(jī)，用圖形化編程語言的Labview編寫上位機(jī)軟件，調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡的函數(shù)，通過運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送脈沖或模擬量實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的控制。

（1）脈沖控制：驅(qū)動(dòng)器工作在位置環(huán)，脈沖的多少代表走的長(zhǎng)度，發(fā)送脈沖的頻率表示速度；

（2）模擬量控制：驅(qū)動(dòng)器工作在速度環(huán)或者電流環(huán)，模擬量的大小對(duì)應(yīng)電機(jī)的速度與位置。

我們選用的是脈沖控制方式：PCI-7344發(fā)送脈沖和方向信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，之所以選擇脈沖控制方式，有兩個(gè)方面的原因：

（1）可靠性比較高，不易發(fā)生飛車事故。如果采用模擬電壓控制方式的話，一般的為-10v-+10v的模擬電壓，10v對(duì)應(yīng)正向最大轉(zhuǎn)速、-10v對(duì)應(yīng)反向最大轉(zhuǎn)速，如果在控制過程中原件損壞或軟件故障，可能造成模擬電壓瞬間達(dá)到最大值，那么電機(jī)立刻就會(huì)以最高的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，很容易發(fā)生飛車，對(duì)操作人員造成傷害。

（2）抗干擾性比較好，比較適用對(duì)環(huán)境要求比較高的場(chǎng)所。數(shù)字電路的抗干擾性能是模擬電路所無法比擬的。

但是由于采用脈沖控制方式，驅(qū)動(dòng)器工作在位置控制方式，位置環(huán)在驅(qū)動(dòng)器的外部，調(diào)節(jié)PID參數(shù)不是很方便，因此控制的快速性不是很高，在本系統(tǒng)中完全能夠滿足我們的要求。

選用的臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)是A2系列搭配高精度20-bit等級(jí)（1280000p/rev）編碼器，提升定位精度與低速運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定度。即電機(jī)接收1280000個(gè)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，根據(jù)公式：位置指令=指令脈沖輸入*電子齒輪比，即，在驅(qū)動(dòng)器中我們?cè)O(shè)置電子齒輪比為128，那么PCI-7344每秒發(fā)出10000個(gè)脈沖，電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，也就是60r/min的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，脈沖的正負(fù)決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。圖2是臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器以及UMI-7774的電路連接圖，驅(qū)動(dòng)器的主回路和控制回路都是220V電源供電，電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器之間通過動(dòng)力線和編碼器線相連。圖3詳細(xì)的描述了UMI-7774和臺(tái)達(dá)伺服驅(qū)動(dòng)器的連接方式，使用的是驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部電源24V，4引腳是脈沖信號(hào)，12引腳是方向信號(hào)，分別與驅(qū)動(dòng)器的/pulse（脈沖信號(hào)）、/sign（方向信號(hào)）相連。

圖2 臺(tái)達(dá)伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)以及UMI-7774接線圖

圖3 UMI-7774和臺(tái)達(dá)伺服驅(qū)動(dòng)器CN1接線圖

3 控制程序的研究與實(shí)現(xiàn)

在硬件搭建、接線完成之后，我們使用Labview軟件在Max和程序面板中實(shí)現(xiàn)單軸的加速-勻速-減速運(yùn)動(dòng)；單軸的循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)；兩軸同步等運(yùn)動(dòng)等。

3.1 單軸加速-勻速-減速運(yùn)動(dòng)控制

圖4 單軸的加速-勻速-減速M(fèi)ax配置圖

上圖4是在Max中1-D Interactive的配置界面，按照?qǐng)D中的配置，就會(huì)實(shí)現(xiàn)單軸的加速-勻速-減速運(yùn)動(dòng)，可以計(jì)算，加減速時(shí)間都是1s，電機(jī)會(huì)以60r/min的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，而且會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)5圈。圖5是電機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度-時(shí)間圖，可以看出電機(jī)的加減速時(shí)間都是1s，嚴(yán)格符合速度-時(shí)間梯形運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖5 單軸的加速-勻速-減速的速度—時(shí)間梯形圖

3.2 單軸循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制

在程序框圖中編寫程序，如圖6，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式選擇Absolute Position，我們把初始位置設(shè)為0，這樣電機(jī)每次都會(huì)從原點(diǎn)開始運(yùn)動(dòng)。往復(fù)移動(dòng)的位置，我們用數(shù)組來表示。圖7為前面板圖，在前面板中可以通過觀察滑塊的移動(dòng)實(shí)時(shí)觀察電機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置和方向。

圖6 單軸循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)程序框圖

圖7 單軸循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)前面板圖（運(yùn)行時(shí)）

圖8是軸的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，而且Labview有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，我們規(guī)定一個(gè)位置為起始位置，當(dāng)設(shè)備斷電后，重新上電之后，設(shè)備會(huì)從原來斷電的位置移動(dòng)到起始位置，然后再進(jìn)行后續(xù)的運(yùn)動(dòng)，這大大的提高了系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)確性。

圖8 單軸循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)路線示意圖

3.3 兩軸同步控制（下轉(zhuǎn)第30頁(yè)）

（上接第15頁(yè)）在軟件中實(shí)現(xiàn)兩個(gè)軸的同步是比較復(fù)雜的，而且有時(shí)還不好控制，并不能做到兩個(gè)軸的完全同步，大膽設(shè)想在硬件連接中解決這個(gè)問題：也就是用PCI-7344的一個(gè)軸來同時(shí)給兩個(gè)電機(jī)發(fā)送脈沖，這樣就能做到兩個(gè)軸的同步，而且還節(jié)省了UMI-7774上的軸的數(shù)量，試驗(yàn)效果非常好，這是大膽嘗試的結(jié)果。

4 結(jié)語

基于NI運(yùn)動(dòng)控制卡的伺服電機(jī)的控制方式的創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）相比于編寫程序代碼控制伺服電機(jī)，這種方式采用程序框圖的方法，可讀性強(qiáng)，而且前面板采用按鈕、滑動(dòng)桿可以實(shí)時(shí)顯示控制量和當(dāng)前的位置，人機(jī)界面友好[9]；

（2）實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)和下位機(jī)分層控制，充分發(fā)揮了PC機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、NI運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)伺服電機(jī)的精確控制能力；

（3）直接調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡的相關(guān)函數(shù)，通過Labview編程就能夠完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)單軸、多軸的運(yùn)動(dòng)，開發(fā)時(shí)間短、大大提高了系統(tǒng)的精確性和靈活性，保證了系統(tǒng)較高的性價(jià)比[10]。

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[責(zé)任編輯：謝慶云]