基于PCI總線的多軸運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

摘要：基于PCI總線的運(yùn)動(dòng)控制器在望遠(yuǎn)鏡和機(jī)器人控制等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。本文采用多軸PCI總線運(yùn)動(dòng)控制器對大口徑空間望遠(yuǎn)鏡子鏡折疊及展開模型進(jìn)行控制，分別進(jìn)行了硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)的二次開發(fā)，通過實(shí)際控制結(jié)果表明，整套運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠很好的滿足該空間望遠(yuǎn)鏡子鏡折疊及展開模型的控制要求，該方式實(shí)現(xiàn)簡單，調(diào)試方便，為今后空間望遠(yuǎn)鏡子鏡折疊及展開的實(shí)際運(yùn)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：PCI總線 多軸 運(yùn)動(dòng)控制器 設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP273+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2015）10-0000-00

1 引言

為了減小空間大口徑望遠(yuǎn)鏡發(fā)射時(shí)的尺寸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)主鏡在空中展開后，子鏡單元的精確定位和鎖緊，釋放其展開動(dòng)力和各個(gè)鏈接鎖緊的動(dòng)力源，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種可展開空間大口徑望遠(yuǎn)鏡的可折疊展開主鏡概念設(shè)計(jì)。通過7個(gè)步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)望遠(yuǎn)鏡子鏡模型折疊和展開，同時(shí)滿足在切除動(dòng)力源之后的鎖緊狀態(tài)。基于PCI總線的運(yùn)動(dòng)控制器是一種基于PC機(jī)的PCI總線，具有開放體系結(jié)構(gòu)與PC機(jī)相結(jié)合，用于控制伺服或步進(jìn)電機(jī)的位置、速度、加速度等的控制器。運(yùn)動(dòng)控制器通常以專用運(yùn)動(dòng)芯片或者告訴DSP完成軌跡規(guī)劃、曲線插補(bǔ)、伺服控制以及標(biāo)準(zhǔn)化通信接口控制功能。用戶根據(jù)需要調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制器的庫函數(shù)開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用程序，方便地實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)控制功能，在設(shè)計(jì)的人機(jī)界面上對控制對象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，運(yùn)動(dòng)控制卡使用方便，因而在望遠(yuǎn)鏡控制、機(jī)器人等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。

2 控制系統(tǒng)硬件組成

為了實(shí)現(xiàn)對大口徑空間望遠(yuǎn)鏡子鏡折疊及展開控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制，該控制系統(tǒng)采用工控機(jī)、PCI多軸控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)來組建整個(gè)控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制運(yùn)動(dòng)控制器給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出一個(gè)脈沖信號，驅(qū)動(dòng)器便驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定的角度，步進(jìn)電機(jī)的輸出軸帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，通過脈沖方式來實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的精確定位和控制。

2.1 運(yùn)動(dòng)控制器

多軸步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器采用固高科技有限公司生產(chǎn)的GTS-800-PG-PCI系列運(yùn)動(dòng)控制器，可以實(shí)現(xiàn)高速的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)。其核心由DSP和FPGA組成，可以實(shí)現(xiàn)高性能的控制計(jì)算。它適用于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，包括機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、木工機(jī)械、印刷機(jī)械、裝配生產(chǎn)線、電子加工設(shè)備、激光加工設(shè)備以及PCB鉆銑設(shè)備等。GTS-800-PG-PCI系列運(yùn)動(dòng)控制器以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為主機(jī)，提供標(biāo)準(zhǔn)的PCI總線的產(chǎn)品。運(yùn)動(dòng)控制器提供配套的運(yùn)動(dòng)調(diào)試軟件，C語言函數(shù)庫和Windows動(dòng)態(tài)鏈接庫，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。能夠?qū)⑦@些控制函數(shù)與自己控制系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)處理、界面顯示、用戶接口等應(yīng)用程序模塊集成在一起，建造符合特定應(yīng)用要求的控制系統(tǒng)，以適應(yīng)各種應(yīng)用領(lǐng)域的要求。運(yùn)動(dòng)控制器提供兩種不同的控制信號：正脈沖/負(fù)脈沖、脈沖+方向，在控制步進(jìn)電機(jī)時(shí)，控制模式為開環(huán)控制。

2.2 步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器

步進(jìn)電機(jī)采用的是偉通機(jī)電制造有限公司的60STH101-3004A步進(jìn)電機(jī)和2H606M系列步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)如表1。

60，85，86，110系列兩相混合式步進(jìn)電機(jī)；工作環(huán)境：-10℃～55℃，15～85%RH；細(xì)分：200～60000步數(shù)/轉(zhuǎn)，共有28檔微步細(xì)分；信號接口與時(shí)序：共有共陽極，共陰極和差分信號三種接法，該系統(tǒng)采用差分信號接法如圖1所示。

3 控制系統(tǒng)軟件

GTS-800-PG-PCI系列運(yùn)動(dòng)控制器為用戶提供了相應(yīng)的調(diào)試軟件MCT2008，同時(shí)便于二次開發(fā)，在Windows系統(tǒng)下，用戶可以使用任何能夠支持動(dòng)態(tài)鏈接庫的開發(fā)工具開發(fā)應(yīng)用程序，支持Visual C++、Visual Basic和Delphi等應(yīng)用程序。在該系統(tǒng)中，我們采用Microsoft Visual Studio 2010進(jìn)行了二次開發(fā)。

3.1 系統(tǒng)配置

在使用運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行各種操作之前，我們需要對運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行配置，使運(yùn)動(dòng)控制器的狀態(tài)和工作模式滿足要求。采用Motion Controller ToolKit 2008中的配置組件，生成相應(yīng)的配置文件*.cfg，在編程的時(shí)候通過調(diào)用相關(guān)的指令，將配置信息傳遞給運(yùn)動(dòng)控制器，即可完成整個(gè)運(yùn)動(dòng)器的配置工作。

該系統(tǒng)的步進(jìn)控制方式的基本配置如圖2所示。Profile輸出的規(guī)劃位置進(jìn)入axis中，在axis中進(jìn)行當(dāng)量變換的處理之后，輸出到step，由step產(chǎn)生控制脈沖，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。Axis需要驅(qū)動(dòng)報(bào)警、正向限位信號、負(fù)向限位信號、平滑停止信號、緊急停止信號等一些數(shù)字量輸出信號來對運(yùn)動(dòng)進(jìn)行管理；同時(shí)，axis需要輸出伺服時(shí)能信號給數(shù)字量輸出，來使電機(jī)使能。運(yùn)動(dòng)控制管理軟件界面如圖3所示。

3.2 運(yùn)動(dòng)指令

GTS運(yùn)動(dòng)控制器可以獨(dú)立工作在點(diǎn)位、Jog、PT、PVT、電子齒輪或Follow運(yùn)動(dòng)模式（電子凸輪）下，在該控制系統(tǒng)下我們采用點(diǎn)位控制模式。

（1）在初始化函數(shù)OnInitDialog（）中打開GT_Open（）和復(fù)位GT_Reset（）運(yùn)動(dòng)控制器；（2）配置運(yùn)動(dòng)控制器，添加配置文件GT_LoadConfig（“test.cfg”）并清除各軸的報(bào)警和限位GT_ClrSts（1，8）；（3）將AXIS軸設(shè)為點(diǎn)位模式GT_PrfTrap（）；（4）讀取點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)參數(shù)GT_GetTrapPrm（1，&trap1）；（5）設(shè)置點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)參數(shù)GT_SetTrapPrm（1，&trap1）；（6）添加定時(shí)器SetTimer（0，1000，NULL），獲取各個(gè)軸的位置信息GT_GetPrfPos（1，&prfPos1）；

控制系統(tǒng)界面如圖4所示。

4 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過選取基于PCI總線的運(yùn)動(dòng)控制器以及采用Visual C++對運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行二次開發(fā)來組件整套運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠很好的滿足該空間望遠(yuǎn)鏡子鏡折疊及展開模型的控制要求，而且實(shí)現(xiàn)簡單調(diào)試方便，為今后實(shí)際運(yùn)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

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收稿日期：2015-09-21

作者簡介：林繼（1982—），男，重慶人，本科，畢業(yè)于淮海工學(xué)院，中級，研究方向：工業(yè)電氣自動(dòng)化。