基于運動控制卡的轉臺控制系統(tǒng)設計

高群 馬俊林

摘要：設計了一種轉臺運動控制系統(tǒng)。采用凌華PCI-8014A運動控制卡產生脈沖和方向等控制信號給伺服驅動器驅動伺服電機。采用VC++ 編寫控制程序軟件，通過調用運動控制卡的函數(shù)庫，實現(xiàn)轉臺系統(tǒng)的轉速，加減速的實時閉環(huán)控制，達到了良好的控制效果。

關鍵詞：運動控制卡；伺服控制系統(tǒng)；VC++

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）06-0220-02

Designof Turntable Control System for DMD Based on Motion Control Card

GAO Qun， MA Jun-lin

（Research and Development Center for Opto-electronic， Changchun Institute of Optics ， Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences， Changchun 130033， China）

Abstract： A turntable motion control system is designed. The signals of pulse and direction are produced by the ADLINKs PCI-8134A motion control card and passed to the servo driver driving the servo motor. The control program software is writed by VC++. It realizedthe real time closed loop control of turntable systems speed ，acceleration and deceleration and achieved good control effect.

Key words： motion control card；servo control system；VC++

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，生產制造領域的自動化程度越來越高，人們對數(shù)控系統(tǒng)的靈活性要求越來越高。傳統(tǒng)的數(shù)字運動控制裝置主要采用單片機配合外圍電路、PLC等實現(xiàn)，運動功能單一，靈活性很差，適用于簡單的運動控制，不便于系統(tǒng)集成，已經難以滿足現(xiàn)代控制系統(tǒng)的控制需求[1-3]。而基于數(shù)字信號處理器的運動控制卡，具有運行速度快，可以實現(xiàn)復雜算法，可以滿足對于響應速度和精度要求很高的運動控制系統(tǒng)中，因此得到廣泛應用?；贒SP的運動控制卡一般采用32位PCI總線設計，與工業(yè)計算機即可組成一個完整的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)信號的采集，閉環(huán)控制，IO控制等功能。

本文采用基于PCI總線的4軸運動控制卡實現(xiàn)轉臺伺服控制系統(tǒng)的設計。利用VS2008開發(fā)語言設計了系統(tǒng)控制軟件，通過調用運動控制卡提供動態(tài)鏈接庫中的運控函數(shù)實現(xiàn)所需的運動控制功能。

1 轉臺硬件系統(tǒng)設計

1.1 轉臺控制系統(tǒng)硬件組成

轉臺控制系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。主要由：工控機、運動控制卡、接口板、伺服驅動器、伺服電機、轉臺組成。工控機為研華IPC-610L，運動控制卡為凌華公司的PCI-8134A四軸運動控制卡，接口板為DIY-68Y-SGII0，伺服驅動器為安川SGDV-2R8A01B002000，伺服電機為安川SGMJV-04A3E6S。運動控制卡與工控機組成上位控制單元，工控機負責信息和數(shù)據交互管理。運動控制卡通過接口板與各路伺服驅動器相連，伺服驅動器采用位置控制模式，接收到脈沖控制信號驅動電機運轉。同時，將電機同軸連接編碼器的反饋信號回傳給運動控制卡，最終實現(xiàn)轉臺的閉環(huán)控制。

1.2 運動控制卡

PCI-8134A是一款基于PCI總線的4軸運動控制卡，具有響應快、低功耗、通用性強等優(yōu)點。用于實現(xiàn)轉臺系統(tǒng)的速度、位置的實時閉環(huán)控制[4]。具體使用的控制引腳如表一所示。所有引腳為光耦隔離。工控機通過專用通信接口給運動控制卡發(fā)送位置控制指令，主要包括位置脈沖信號和方向信號，運動控制卡按照指令要求，控制伺服驅動器驅動伺服電機按照規(guī)定的速度以及加減速度運行。同時接收原點信號、正/負限位等電平信號，以及伺服驅動器返回的編碼器脈沖信號，以獲得位置反饋信息，實現(xiàn)位置閉環(huán)控制。

1.3 伺服驅動器參數(shù)整定

為了節(jié)約空間和成本，在滿足系統(tǒng)功能需求的前提下，轉臺與伺服電機輸出軸直連。伺服驅動器內部采用位置、速度雙閉環(huán)控制。原理框圖如圖2所示。由于系統(tǒng)的轉動慣量較大，經測定轉動慣量比為800%，為了保證轉盤平穩(wěn)的啟停以及低速勻速穩(wěn)定的運行，速度環(huán)增益與位置環(huán)增益取較小的值，速度積分時間常數(shù)也選擇較小值。

2 控制系統(tǒng)軟件設計

2.1 控制系統(tǒng)主要功能

1） 按固定角度正反向運行；

2） 用于周期測試的正反圓周運動；

3） 轉臺回原點初始化；

4） 系統(tǒng)急停；

5） 實時反饋當前角度值及各個IO口狀態(tài)信息。

2.2 PCI-8134A函數(shù)功能庫

PCI-8014A運動控制卡提供了Windows動態(tài)鏈接庫，支持VC++/VB/Delfhi等編程語言。封裝了豐富的運動控制相關函數(shù)，已滿足各種設計需求。用戶只需調用相應的運動控制函數(shù)就可以實現(xiàn)單軸獨立、2軸線性插補、多軸獨立等運動，以及其它一些系統(tǒng)設計所需要的操作函數(shù)。主要用到的函數(shù)如表2所示。

2.3 轉臺軟件程序設計

本文采用VS2008開發(fā)環(huán)境，基于MFC面向對象程序設計編寫控制程序。通過調用動態(tài)鏈接庫中的函數(shù)實現(xiàn)所需運動控制功能。具體操作步驟如下：通過軟件初始化打開運動控制卡，配置運動參數(shù)，如加減速度、IO口高低電平有效方式以及回零方式等參數(shù)；通過原點搜索找到轉臺機械原點；執(zhí)行轉臺控制程序完成運動功能；通過軟件界面實時反饋顯示當前系統(tǒng)工作狀態(tài)，包闊位置信息及IO狀態(tài)等；根據需求最多可以實現(xiàn)四軸并行工作；最終運動結束關閉運動控制卡。軟件的運動控制流程圖如圖3所示。

2.4 轉臺軟件人機交互界面

軟件主要實現(xiàn)3個轉臺的定值旋轉控制以及按系統(tǒng)測試需求運轉。在VS2008下創(chuàng)建基于對話框的MFC應用程序。程序編譯運行后的主界面如圖4所示。3個轉臺獨立控制。通過_8134_set_servo（）函數(shù)給指定伺服電機上、下電。利用函數(shù)_8134_start_tr_move（）可以控制電機按照設定好的加減速度以及方向旋轉固定角度?！癏ome”鍵調用_8134_home_move（）實現(xiàn)轉臺返回機械原點。待系統(tǒng)返回原點后，使能“Messure”鍵，讓轉臺按照規(guī)劃好的軌跡運行。點擊“Stop”按鍵可以立即停止轉臺運動。設計定時器每100ms調用_8134_get_position（）、_8134_get_io_status（）、_8134_motion_done（）函數(shù)，返回伺服的位置、IO狀態(tài)、是否到位等信息，將其顯示在主界面上?！癇IAS”按鈕可以實現(xiàn)當前位置置零操作，已方便觀察相對位移變化。

3 總結

本文采用運動控制卡+工控機模式，搭建了轉臺控制系統(tǒng)，通過實驗調整伺服驅動器參數(shù)以保證轉臺平穩(wěn)運行。在Windows平臺上利用VC++編程語言開發(fā)了轉臺控制系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)3轉臺獨立控制，達到了良好的控制效果滿足了系統(tǒng)設計的需求。

參考文獻：

[1] 付小衛(wèi)，唐厚君.基于PCI型運動控制卡的Windows數(shù)控系統(tǒng)設計[J].工業(yè)控制計算機，2005，18（8）：69-70.

[2] 鄭曉峰，方凱，黃迎華. 一種基于DSP和FPGA的多軸運動控制卡的設計[J]. 自動化與儀器儀表，2006（4）：18-20.

[3] 周惠芳，王迎旭. 基于PLC的步進電機定位控制系統(tǒng)設計[J].機電一體化，2013（4）：73-77.

[4] 凌華科技. PCI-8014/PCI-8014A四軸伺服/步進電機運動控制卡用戶手冊[Z].2012.