一種基于運(yùn)動(dòng)控制卡的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

周志明
(同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海 200092)

1引言

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的上位控制方案一般有單片機(jī)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制PLC、專用控制系統(tǒng)和"PC+運(yùn)動(dòng)控制卡"。采用單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，成本較低，但開發(fā)難度較大，周期長(zhǎng)。這種方案一般適用于產(chǎn)品批量較大、控制系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單、有單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的用戶。許多品牌的PLC都可選配定位控制模塊，有些PLC的CPU單元本身就具有運(yùn)動(dòng)控制功能，如松下公司的FP0。這種方案一般適用于運(yùn)動(dòng)過(guò)程比較簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)軌跡固定的設(shè)備。如送料器、自動(dòng)焊機(jī)等。專用控制系統(tǒng)一般是針對(duì)專用設(shè)備或?qū)Ｓ眯袠I(yè)，比如西門子公司的車床數(shù)控系統(tǒng)和銑床數(shù)控系統(tǒng)等。"PC+運(yùn)動(dòng)控制"的方案隨著PC的普及用得越來(lái)越多，將是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì)。這種方案可充分利用計(jì)算機(jī)資源，用于運(yùn)動(dòng)過(guò)程、機(jī)械軌跡都比較復(fù)雜，而且柔性比較強(qiáng)的機(jī)器設(shè)備，比如目前很熱門的開放式數(shù)控系統(tǒng)大多采用這種方案。

本文介紹的控制系統(tǒng)采用的就是"PC+運(yùn)動(dòng)控制卡"方案，這是本文的主要內(nèi)容。

2 系統(tǒng)組成及硬件介紹

圖l示出本系統(tǒng)的硬件組成框圖。其中采用德國(guó)百格拉三相混合式步進(jìn)電機(jī)(VRDM3910／LHA)及其配套驅(qū)動(dòng)器(D921)。控制卡是成都步進(jìn)機(jī)電有限公司生產(chǎn)的MPC02型運(yùn)動(dòng)控制卡。

2．1 驅(qū)動(dòng)器面板及其功能設(shè)置

圖2是D921型驅(qū)動(dòng)器的面板配置及功能。

功能選擇：STEPl、STEP2 設(shè)置電機(jī)每轉(zhuǎn)步數(shù)；

所有輸入信號(hào)均為光耦輸入。

2．2 運(yùn)動(dòng)控制卡的結(jié)構(gòu)

MPC02型運(yùn)動(dòng)控制卡的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

該卡插在PC的PCI擴(kuò)展槽內(nèi)使用；MPC02卡完成運(yùn)動(dòng)控制的所有細(xì)節(jié)，包括脈沖和方向信號(hào)的輸出、自動(dòng)升降速的處理、原點(diǎn)和限位信號(hào)的檢測(cè)等。它采用先進(jìn)的專用控制集成電路，具有梯形及S形升降速度曲線。使用68芯SISC接口，外接線可采用屏蔽線纜，以提高控制卡的抗干擾能力。其信號(hào)接口定義如下：

脈沖量信號(hào)：脈沖／方向(編號(hào)17～28)；編碼器反饋(35~52)；光隔電源(29、30)。

開關(guān)量信號(hào)：限位(55、56、60、61、65、66)；減速(53、54、58、59、63、64)；原點(diǎn)（57、62、67）；伺服使能(9、11、13)；偏差清零(10、12、14)；外部報(bào)警(68)；通用輸入(31～34)；通用輸出（1～8）：光隔電源(15、16)。

3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件

在函數(shù)庫(kù)中使用的單位和函數(shù)返回值通常約定如下。

3．1．1 單位

1)位移或距離的單位為P(Pulse)，即脈沖數(shù)；

2)速度的單位是P／S(Pulse/sec)，即脈沖／秒；

3)加速度和減速度的單位是P/s2(Pulse/ s2)，即脈沖／秒2。

3．1．2 函數(shù)返回值 運(yùn)動(dòng)庫(kù)中的大多數(shù)函數(shù)是整型函數(shù)，它們的返回意義如下：

0 函數(shù)執(zhí)行正確； -1 函數(shù)執(zhí)行錯(cuò)誤。

在函數(shù)庫(kù)中使用的函數(shù)有如下幾種：控制卡和軸設(shè)置函數(shù)、獨(dú)立運(yùn)動(dòng)和插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)函數(shù)、制動(dòng)函數(shù)、位置和狀態(tài)的設(shè)置及查詢函數(shù)、I／O口操作函數(shù)、錯(cuò)誤代碼函數(shù)和一些其他函數(shù)。這些函數(shù)實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)有如下六種基本類型，如圖4所示。

con_pmove 以常速移動(dòng)指定距離，如圖4(a)；

fast_pmove 以梯形速度移動(dòng)指定距離，如圖4(b)；

con_vmove 以指定的常速連續(xù)運(yùn)動(dòng)，如圖4 (c)；

fast_vmove 加速后保持在指定高速的連續(xù)運(yùn)動(dòng)(圖4(d))；

con_hmove 以常速運(yùn)動(dòng)到原點(diǎn)，如圖4(e)；

fast_hmove 加速后快速移至原點(diǎn)位置，如圖4(f)。

把帶有升/降速控制的運(yùn)動(dòng)函數(shù)稱為快速(fast)運(yùn)動(dòng)函數(shù)，比如fast_pmove、fast_vmove和fast_hmove，把常速運(yùn)動(dòng)函數(shù)稱為常速（con）運(yùn)動(dòng)函數(shù)，如con_pmove、con_vmove和 con_hmove。

3．2 軟件程序：

圖5示出控制系統(tǒng)的程序流程。

運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)定包括軸號(hào)、初速度、速度、加速度和移動(dòng)距離等；運(yùn)動(dòng)控制程序包括急停、緩?fù)?、清零、常速和快速等；控制效果顯示包括位置和速度等。程序如下：

4 結(jié)束語(yǔ)

以專用運(yùn)動(dòng)控制電路為主控的運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制功能由硬件電路實(shí)現(xiàn)，集成度高，可靠性比較好。它只需從微機(jī)接收控制命令，然后自己完成與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的控制，幾乎不占用微機(jī)的CPU時(shí)間，使用非常方便，不僅可以大大縮短研制和開發(fā)周期，而且還能實(shí)現(xiàn)更完善的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠滿足對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制要求