基于PC104主控制器的開(kāi)放式數(shù)控運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王寶慶，楊 璐，唐 念，劉振忠，周海波

(1.天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2.機(jī)電工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(天津理工大學(xué))，天津 300384)

0 前言

隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)正向著低成本、開(kāi)放式[1]、可重構(gòu)發(fā)展，研究滿足多層次需求的模塊化、可重構(gòu)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具有重要意義[2-4]。伺服系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[5]，尤其應(yīng)用在某些對(duì)位置要求較高的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中，工業(yè)中常見(jiàn)的液壓缸或氣缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)往往達(dá)不到對(duì)位置的控制要求，利用伺服電機(jī)的閉環(huán)控制特性可以很方便地達(dá)到運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)位置的要求。

研究伺服控制器主要包括：開(kāi)放式軟硬件體系的建立、模塊化可重構(gòu)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)、控制輸出、建立精確控制系統(tǒng)等內(nèi)容。目的是為數(shù)控運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備集成商提供一種可以快速構(gòu)建多樣化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)放式模塊化的通用平臺(tái)[6]。解決相對(duì)傳統(tǒng)“工控機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡+PLC+數(shù)據(jù)采集卡”模式中功能浪費(fèi)、實(shí)時(shí)性一般、成本高的問(wèn)題。本系統(tǒng)可以自由擴(kuò)展，具備高性能和低成本的特點(diǎn)，能夠有效縮短數(shù)控運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備開(kāi)發(fā)周期，具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

1 工作原理與硬件設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

試驗(yàn)機(jī)所需要的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，包括硬件平臺(tái)搭建、數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)、控制軟件研發(fā)三個(gè)方面。硬件平臺(tái)要求實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)及相關(guān)傳感器的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制信號(hào)輸出等功能，并可以從硬件層面增減相關(guān)功能模塊，達(dá)到開(kāi)放式可重構(gòu)的目的。軟件平臺(tái)需要滿足用戶對(duì)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控并以圖像和數(shù)據(jù)兩種形式顯示的要求，通過(guò)操作軟件控制電機(jī)的運(yùn)行軌跡、更改電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。

以一款基于PC104主線的嵌入式主板作為系統(tǒng)主控制器[7]，與一枚可采集旋轉(zhuǎn)編碼器的ART2394編碼器計(jì)數(shù)卡和一款A(yù)RT2003數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)PC-104總線堆棧連接。其他如顯示器、鍵盤(pán)鼠標(biāo)、USB串口等外部功能模塊通過(guò)硬接線的方式連接到主控器上，實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)開(kāi)放式可重構(gòu)的設(shè)想。

軟件平臺(tái)利用iPlot插件將采集到的位置信號(hào)和速度信號(hào)以坐標(biāo)圖像的方式顯示在軟件界面上。系統(tǒng)流程圖如圖1所示，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

圖2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 伺服電機(jī)

采用松下A4交流伺服電動(dòng)機(jī)(圖3)進(jìn)行試驗(yàn)[8]，該伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的位置、速度閉環(huán)控制性能，加減速動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，高速性能、抗過(guò)載能力較強(qiáng)。編碼器能輸出精確的脈沖信號(hào)，通過(guò)查詢伺服電機(jī)的參數(shù)表得知，該伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈編碼計(jì)數(shù)器輸出脈沖數(shù)為2500，因此每一個(gè)脈沖相當(dāng)于360°/2500=0.144°，即編碼計(jì)數(shù)器每增加或減少一個(gè)脈沖表示電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)0.144°。因此需要達(dá)到的目標(biāo)位置或角度均可以由電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度換算成脈沖數(shù)?？刂凭染冗_(dá)到0.144°，可以滿足高精度位置操作需求。

該伺服電機(jī)采用12-24V電源驅(qū)動(dòng)，通過(guò)將電壓轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩從而驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。轉(zhuǎn)速可控制區(qū)間為0X0000到0XFFFF。對(duì)指定地址寫(xiě)入控制區(qū)間內(nèi)的相應(yīng)十六進(jìn)制數(shù)便可獲得對(duì)應(yīng)的速度。

圖3 伺服電機(jī)

1.2.2 ART2394編碼器計(jì)數(shù)器卡

ART2394是一種基于PC104總線的編碼器計(jì)數(shù)卡，可以直接和PC104接口相連接，具有四軸正交編碼計(jì)數(shù)器，4個(gè)32位四元AB相位編碼計(jì)數(shù)器，多個(gè)時(shí)間選擇范圍8位定時(shí)器，4路隔離的數(shù)字量輸入和4路隔離的數(shù)字量輸出。每個(gè)通道接收的數(shù)字量輸入可以是旋轉(zhuǎn)編碼器的指數(shù)，也可以是線性編碼器內(nèi)部傳感器的輸入。靈活的中斷源選擇特別適合位置監(jiān)控、運(yùn)動(dòng)控制等。

連接伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器后，讀取地址0x200、0x202可以分別獲得高16位和低16位的32位準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)器脈沖數(shù)，(電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈對(duì)應(yīng)2500個(gè)脈沖信號(hào))。轉(zhuǎn)速可控制區(qū)間為0X0000到0XFFFF。對(duì)地址0x280寫(xiě)入控制區(qū)間內(nèi)的相應(yīng)十六進(jìn)制數(shù)便可向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出對(duì)應(yīng)的速度控制信號(hào)，來(lái)獲得相應(yīng)的速度。

1.2.3 ART2003H數(shù)據(jù)采集卡

ART2003H是一塊PC104總線高速光隔離4路16位通用D/A轉(zhuǎn)換模板，可提供4路電壓信號(hào)輸出，同時(shí)具有上電置零(或者中值)功能，以確保被控裝置不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤動(dòng)作。ART2003H采用了光電隔離技術(shù)，從而避免了總線供電以及地線所引起的誤差和干擾，使本卡具有精度高、量程多、轉(zhuǎn)換速度快、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)特點(diǎn)包含：4路16位模擬量輸出通道；隔離電壓達(dá)到了1 500 VDC；多種的輸出范圍；雙極性電壓±10 V，±5 V；單極性電壓0-10 V，0-5 V；被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、波形信號(hào)發(fā)生器、伺服電機(jī)控制等領(lǐng)域。

ART2003的板基地址可以通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)SW的手動(dòng)編碼設(shè)置選擇，板基地址可設(shè)成200H～3F0H之間可被16整除的二進(jìn)制碼，ART2003將占用從基地址起的連續(xù)4個(gè)I/O地址，開(kāi)關(guān)的1、2、3、4、5、6、7、8位分別對(duì)應(yīng)地址A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9。默認(rèn)基地址為280H。本系統(tǒng)在實(shí)際使用該卡時(shí)使用的是初始化設(shè)置，即默認(rèn)基地址280H。因此后期系統(tǒng)寫(xiě)入速度控制數(shù)：0x282，讀取地址：0x282，數(shù)據(jù)地址：0x280。

1.2.4 PC104主控制器

PC104是一種專門(mén)為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線。與普通PC總線的主要不同是：

(1)較小尺寸和緊湊的結(jié)構(gòu)。其標(biāo)準(zhǔn)模塊的物理尺寸是3.6英寸×3.8英寸，即96 mm×90 mm；

(2)采用堆棧式的連接方式。去掉了原有的總線背板和插板滑道，總線以“針”和“孔”的形式層層堆疊連接，即PC104總線模塊與模塊之間總線的連接方式是通過(guò)上層針和下層孔相互咬合相連，省略掉了原有的物理排線連接，這種層疊封裝有極好的抗震性；

(3)輕松的總線驅(qū)動(dòng)。減少了元件數(shù)量和電源的消耗以及占用空間，4 mA的總線驅(qū)動(dòng)即可以使模塊正常的工作，每個(gè)模塊僅僅1～2 W能耗。

PC104板卡使用非常靈活，主要有以下兩種規(guī)范使用方式：一種獨(dú)立的模板堆棧方式，模板可用作全兼容的總線底板，不需要板卡和板卡之間利用插槽和針腳連接相互堆疊，板之間留有0.6英寸的空間。即以本板作為系統(tǒng)總底板，其他元件以插線或者串口的方式連接至本板；另一種將本板作為一個(gè)元件來(lái)使用，即將本板作為一個(gè)擁有高度集成若干功能部分的獨(dú)立元件使用，將其插連到另一個(gè)功能母板上，母板上必須包括各種應(yīng)用接口和必須的總線邏輯，這種方式使用比較靈活，再測(cè)試或調(diào)試時(shí)可以臨時(shí)更換相應(yīng)的該模塊，還可以達(dá)到更換選件、升級(jí)產(chǎn)品的目的。硬件電路實(shí)物如圖4所示。

圖4 硬件電路實(shí)物圖

2 PID定位控制與軟件設(shè)計(jì)

2.1 PID工作原理

由于本系統(tǒng)輸出量主要用來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，需要根據(jù)偏差來(lái)確定速度大小，但要求伺服電機(jī)從初始位置到達(dá)目標(biāo)位置過(guò)程中運(yùn)行平穩(wěn)、精確，因此采用增量式PID控制算法，如式(1)所示，增量式PID輸出的是每個(gè)控制周期電機(jī)應(yīng)該到達(dá)位置的增量。增量式PID控制流程如圖5所示。

(1)

圖5 PID控制流程圖

該方法為伺服電機(jī)精確控制帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)：

(1)控制器只輸出控制增量，當(dāng)發(fā)生誤動(dòng)作時(shí)造成的影響比較??；

(2)操作方式切換時(shí)的沖擊強(qiáng)度較?。?/p>

(3)不需要連續(xù)累加，增量?jī)H跟最近的幾次誤差采樣值有關(guān)，容易獲得比較好的輸出效果。由于無(wú)累加，消除了偏差存在時(shí)發(fā)生飽和的危險(xiǎn)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

在VC++ 6.0軟件的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下，采用C++語(yǔ)言進(jìn)行MFC控制系統(tǒng)軟件編程，軟件編寫(xiě)完成后界面如圖6所示。其中使用了locomp工業(yè)空間做了圖形可視化處理。WinIO程序庫(kù)可以在Windows程序中被調(diào)用，用來(lái)直接對(duì)I/O口或物理內(nèi)存進(jìn)行讀寫(xiě)操作。數(shù)據(jù)采集中使用了WinIO函數(shù)庫(kù)[9]。操作軟件擁有運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集與運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置兩個(gè)模塊。

圖6 軟件操作界面

3 數(shù)據(jù)采集與實(shí)驗(yàn)分析

3.1 數(shù)據(jù)采集

本系統(tǒng)使用ART2394的單脈沖信號(hào)輸入連接方法如圖7所示。這種模式把通道A輸入計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)，通道B作為計(jì)數(shù)方向源。當(dāng)B為低電平(為0)時(shí)，通道A信號(hào)發(fā)生一個(gè)上升沿時(shí)增加計(jì)數(shù)值，當(dāng)B為高電平(為1)時(shí)，通道A信號(hào)發(fā)生一個(gè)上升沿時(shí)減少計(jì)數(shù)值。

圖7 單脈沖信號(hào)輸入連接方法

ART2394數(shù)據(jù)采集時(shí)地址分配為：絕對(duì)地址=基地址+偏移地址?；刂钒蹇〒艽a開(kāi)關(guān)如圖8所示，選用地址為：200H。

圖8 板卡基地址撥碼開(kāi)關(guān)圖示

根據(jù)板卡初始化設(shè)定，讀取與寫(xiě)入脈沖數(shù)為：

低16位讀取地址：0X200 數(shù)據(jù)地址：0X202

高16位讀取地址：0X200 數(shù)據(jù)地址：0X202

3.2 SIN曲線軌跡輸出實(shí)驗(yàn)

利用上面搭建的PID閉環(huán)控制部分設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)“position”的設(shè)定，可以控制伺服電機(jī)精確運(yùn)動(dòng)到設(shè)定位置，例如：希望電機(jī)輸出sin正弦軌跡，只需要向“position”中寫(xiě)入sin正弦信號(hào)即可，通過(guò)調(diào)用math.h函數(shù)庫(kù)中的sin( )函數(shù)，如式(2)，模擬圖形發(fā)生器，用編程的方式虛擬連續(xù)增加的時(shí)間軸，來(lái)實(shí)現(xiàn)sin運(yùn)動(dòng)軌跡輸出，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖像。

S=A·sin(t)

(2)

系統(tǒng)實(shí)物如圖9所示，sin運(yùn)動(dòng)軌跡輸出如圖10所示。試驗(yàn)機(jī)可以精準(zhǔn)的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及加速度，并且實(shí)時(shí)在界面上進(jìn)行顯示。通過(guò)圖形顯示界面可以看出，動(dòng)態(tài)曲線平滑波動(dòng)較小，所以電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。滿足了現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制的需求。如果需要運(yùn)行其他函數(shù)，只需在編程界面中進(jìn)行更改即可。系統(tǒng)具有隨時(shí)調(diào)用、隨時(shí)更改的特性。

圖9 連桿絲杠與控制器試驗(yàn)機(jī)實(shí)物圖

圖10 軌跡輸出曲線

4 結(jié)論

本系統(tǒng)主要對(duì)面向數(shù)控機(jī)床的試驗(yàn)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。完成了低成本、可重構(gòu)、開(kāi)放式為主要的研究目的，實(shí)現(xiàn)了對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行位置、速度、速度軌跡規(guī)劃等功能。可用來(lái)對(duì)單個(gè)或多個(gè)伺服電機(jī)直接進(jìn)行控制，在控制過(guò)程中只需要根據(jù)工況需要，在軟件界面上對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。操作簡(jiǎn)便，實(shí)用性較強(qiáng)。同時(shí)本設(shè)計(jì)可以用來(lái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，當(dāng)需要伺服電機(jī)輸出復(fù)雜曲線時(shí)，只需要將運(yùn)動(dòng)曲線的數(shù)學(xué)模型以編程的方式對(duì)接到目標(biāo)位置輸入端即可。本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)成果如下：

(1)根據(jù)要求設(shè)計(jì)出位置PID調(diào)節(jié)器；

(2)優(yōu)化了伺服電機(jī)速度軌跡；

(3)實(shí)現(xiàn)了對(duì)伺服電機(jī)運(yùn)行圖形監(jiān)控；

(4)在低成本、可重構(gòu)、開(kāi)放式的前提下，解決了數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度需求。

[1] 盛曉超, 陶濤, 張東升,等. 基于運(yùn)動(dòng)控制器的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)床與液壓, 2011, 39(19):58-60.

[2] 羅輝. 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制方法研究[D]. 上海工程技術(shù)大學(xué), 2016.

[3] Xu X M, Li Y, Sun J H, et al. Research and Development of Open CNC System Based on PC and Motion Controller [J]. Manufacturing Automation, 2012, 29(04):1845-1850.

[4] Yang W D, Chang J. An Open CNC System Based on Motion Controller[J]. Applied Mechanics & Materials, 2011(44-47):956-959.

[5] 杜少華. 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)可重構(gòu)技術(shù)研究[D]. 中國(guó)科學(xué)院研究生院, 2012.

[6] 陸小虎. 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[D]. 中國(guó)科學(xué)院研究生院(沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所), 2015.

[7] 張億, 黃志剛, 張永俊,等. 基于PC/104的嵌入式四軸運(yùn)動(dòng)控制卡硬件設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化, 2016(06):203-205.

[8] 劉玲. 交流變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用[J]. 電氣開(kāi)關(guān), 2010, 48(01):61-63.

[9] 付笑宇, 張線媚. VC2010下WinIo3.0直接訪問(wèn)I/O端口[J]. 科技資訊, 2015, 13(13):20-21.