基于NI運動控制卡的多軸運動控制研究

劉豐豪 程 石 崔思柱 曹 翱 肖 倩

（長安大學(xué) 工程機械學(xué)院，西安 710064）

隨著工業(yè)技術(shù)特別是自動化技術(shù)的迅速發(fā)展和更新?lián)Q代，現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備對于運動過程中的精度控制要求越來越高。但是，工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量要求和工藝技術(shù)十分復(fù)雜，一臺電機已經(jīng)遠遠不能滿足生產(chǎn)設(shè)備的要求，這就迫切需要協(xié)調(diào)多個電機一起運動實現(xiàn)工作要求。而在多個電機完美協(xié)調(diào)運動的背后，需要高級的硬件控制設(shè)備及精密的運動控制算法來實現(xiàn)。傳統(tǒng)老舊的控制方式或者說是對于精度要求不高的場所，往往采用微機或單片機的控制方式來實現(xiàn)位置控制，位置精度很低，整機設(shè)計復(fù)雜且運行速率很慢[1-2]。因為這種工作方式效率低下，人們研發(fā)出一種先進的方式——“PC+運動控制卡”。Labview作為一種簡便高效的圖形化編程語言，可以非常快速地實現(xiàn)程序的編寫、軟件開發(fā)，操作界面清晰明了，通過對運動控制卡的實時控制來實現(xiàn)對于單個或多個伺服電機的精確位置控制[3]。

1 運動控制發(fā)展

運動控制技術(shù)的發(fā)展不僅代表著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展水平和行業(yè)的興衰，也促進了人類社會生產(chǎn)勞動的進步。運動控制技術(shù)于20世紀40年代產(chǎn)生，到今天越來越趨于數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化，可以說運動控制發(fā)展反映出了現(xiàn)代工業(yè)的前進方向和發(fā)展趨勢。但是，對于智能化工業(yè)，單一的控制方式無法滿足快速發(fā)展的工業(yè)技術(shù)要求，因此為了實現(xiàn)多軸運動控制，世界各地的企業(yè)都開始進行多軸運動控制器的研發(fā)與生產(chǎn)。通常來說，一個完整的運動控制系統(tǒng)硬件主要包括以下幾部分：上位控制器、驅(qū)動裝置、電機、執(zhí)行機構(gòu)以及檢測反饋元件等。

2 硬件框架搭建

硬件設(shè)備主要來自于NI公司的PXI控制系統(tǒng)系列，主要有PXIe-1071機箱、PXIe-8821控制器、PXI-7358運動控制卡、PXIe-1071機箱、UMI-7774運動接口板以及第三方公司的驅(qū)動器與伺服電機等。其具體控制平臺搭建如圖1所示。

PXIe-1071是一款具有4個插槽、高達3GB/s的PXI機箱。PXIe-1071機箱的4個外設(shè)插槽都為混合兼容的，支撐PXI和PXIe模塊，在此平臺中內(nèi)插PXIe-8821控制器以及PXI-7358運動控制卡。

PXIe-8821是基于Intel Core i3的PXI嵌入式控制器。PXIe-8821包含一個10/100/1000 BAsE-TX（千兆位）以太網(wǎng)端口、兩個高速UsB端口、兩個UsB 3.0端口以及一個集成硬盤驅(qū)動器、串行端口和其他外設(shè)I/O。

圖1 硬件框架控制平臺

在NI的7350系列中，無論是在控制電機軸的數(shù)量上，還是能夠?qū)崿F(xiàn)的功能上，PXI-7358都是最優(yōu)秀、最高級的運動控制卡。一方面，PXI-7358運動控制卡提供完全可編程的運動控制，可用于多達8個獨立軸的運動控制；另一方面，PXI-7358是擁有雙處理器的運動控制卡，被用于嵌入式實時控制。

UMl-7774作為一款獨立的連接附件，其設(shè)計就是為與PXI 73xx系列運動控制器一起使用，最多可同時使用四個軸。UMI-7774非常適合工業(yè)和實驗室應(yīng)用，將第三方步進和伺服驅(qū)動器（放大器）以及反饋和數(shù)字I/O連接至運動控制器。

3 軟件系統(tǒng)開發(fā)

本次程序框架采用圖形化編程語言Labview進行人機交互界面和系統(tǒng)程序開發(fā)，通過NI-Motion驅(qū)動進行運動程序編寫，通過其配置軟件MAX對系統(tǒng)參數(shù)及功能進行設(shè)置或修改。為了讓用戶更好地開發(fā)和編寫運動控制程序，Labview軟件中自帶的73xx模塊提供了許多可直接調(diào)用編寫的封裝式函數(shù)，編寫程序只需要根據(jù)實際的運動軌跡要求和其他功能要求，直接拖動相應(yīng)的函數(shù)模塊便可實現(xiàn)要求的運動功能以及編寫可操作化的用戶界面，73xx模塊主要包括：Initialize Controller、Axis & Resource Congiguration、Trajectory Control、Motion I/O 和Find Reference等。

3.1 系統(tǒng)參數(shù)配置

NI公司提供MAX配置軟件，作為運動控制的第一步，通過在MAX頁面上配置運動控制卡相關(guān)選項以設(shè)定自己系統(tǒng)各軸的參數(shù)，包括各軸的反饋參數(shù)設(shè)定以及程序控制周期等，根據(jù)實際控制需求進行單軸、雙軸以至最多八軸的電機配置連接，實現(xiàn)多軸電機的運動測試。

3.2 單軸直線運動

基于位置的直線運動，從指定初始位置開始移動，通過加載加速度、速度等移動約束，最終到達指定的目標位置而生成運動軌跡。圖2為自定義設(shè)置終點位置實現(xiàn)的單軸直線運動程序及軌跡。

圖2 直線運動

3.3 兩軸圓弧運動

圓弧運動通過在兩軸構(gòu)成的向量坐標空間——XY平面內(nèi)進行運動，其移動路徑由半徑、起始角度以及行程角度確定。另外，同單軸的直線運動一樣，圓弧運動也可以設(shè)置速度及加速度等移動約束。其兩軸運動控制程序及前面板實際移動軌跡如圖3所示。

圖3 圓弧運動

3.4 三軸螺旋線運動

螺旋線運動是在三維坐標空間中定義一個由弧組成的圓在XY平面中，并在Z軸上同步線性運動。弧是由半徑、起始角度、行程角度和Z軸線性行程指定，線性行程是Z軸上螺旋弧所穿過的直線距離。圖4即為螺旋線運動程序及軌跡。

4 結(jié)語

圖4 螺旋線運動

在“PC+運動控制卡”的控制模式下，人們實現(xiàn)了單軸、雙軸及多軸運動的電機運動控制。由此可見，這種控制模式不僅能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)的多種運動控制需求，而且簡便高效、執(zhí)行效果完美。一方面，運用具有開發(fā)人機交互界面優(yōu)勢的圖形化編程語言Labview和調(diào)用NI自帶的73xx函數(shù)庫，大大加快了程序編寫及開發(fā)速度，最重要的是在滿足控制多個電機的前提下，依然能夠完成多種運動軌跡，保障位置控制的需求精度。另一方面，對于后期的總體控制程序，對上述多種運動控制程序的模塊化封裝及調(diào)用，可以大大縮減開發(fā)周期及用戶成本，提升程序編寫效率，構(gòu)建簡潔明了的用戶界面。