基于VC的运动控制卡软件系统设计

基于VC+的运动控制卡软件系统设计在自动控制领域，基于PC和运动控制卡的伺服系统正演绎着一场工业自动化的革命。目前，常用的多轴控制系统主要分为3大块：基于PLC的多轴定位控制系统，基于PC_based的多轴控制系统和基于总线的多轴控制系统。由于PC机在各种工业现场的广泛运动，先进控制理论和DSP技术实现手段的并行发展，各种工业设备的研制和改造中急需一个运动控制模块的硬件平台，以及为了满足新型数控系统的标准化、柔性化、开放性等要求，使得基于PC和运动控制卡的伺服系统备受青睐。本文主要是利用VC+6.0提供的MFC应用程序开发平台探索研究平面2-DOF四分之过驱动并联机构的运动控制系统的软件开发。平面2-DOF四分之过驱动并联机构的控制系统组成并联机构的本体如图1，该机构由4个分支链组成，每条支链的一段与驱动电动机相连，而另一端相交于同一点。该并联机构的操作末端有2个自由度（即X方向和Y方向的平动），驱动输入数目为4，从而组成过驱动并联机构。控制系统的硬件主要有4部分组成：PC机，四轴运动控制卡，伺服驱动器和直流电动机。系统选用的是普通PC机，固高公司的GT-400-SV-PCI运动控制卡，瑞士Maxon公司的四象限直流伺服驱动器及直流永磁电动机。伺服驱动器型号为4-Q-DCADS50/5，与驱动器适配直流电动机型号为Maxon RE-35。运动控制系统的构成如图2所示。上位控制单元由PC机和运动控制卡一起组成，板卡插在PC机主板上的PCI插槽内。PC机主要负责信息流和数据流的管理，以及从运动控制卡读取位置数据，并经过计算后将控制指令发给运动控制卡。驱动器控制模式采用编码器速度控制，驱动器接受到运动控制卡发出的模拟电压，通过内部的PWM电路控制直流电动机RE-35的运转，并接受直流电动机RE-35上的编码器反馈信号调整对电动机的控制，如此构成一个半闭环的直流伺服控制系统。1.1 GT-400-SV控制卡介绍固高公司生产的GT系列运动控制卡GT-400-SV-PCI可以同步控制4个轴，实现多轴协调运动。其核心由ADSP2181数字信号处理器和FPGA组成，能实现高性能的控制计算。控制卡同时提供了C语言函数库和Windows下的动态链接库，可实现复杂的控制功能。主要功能如下：（1） PCI总线，即插即用；（2） 可编程伺服采样周期，4轴最小插补周期为200us，单轴点位运动最小控制周期为25us；（3） 4路16位分辨率模拟电压输出信号或脉冲输出信号模拟量输出范围：-10V-+10V，每路课独立控制，互不影响；（4） 4路四倍频增量编码器输入，作为各轴反馈信号输入，最高频率8MHz；（5） 四轴协调运动；（6） 每轴2路限位开关信号、一路原点信号及一路驱动报警信号输入；（7） 每轴1路驱动使能信号、1路驱动复位信号输出；（8） 运动方式：单轴点位运动、直线插补、圆弧插补、速度控制模式、电子齿轮模式；（9） PID（比例-积分-微分）数字滤波器，带速度和加速度前馈，带积分限值、偏差补偿和低通滤波器；（10） 支持DOS、WindowsNT/2000/XP等操作系统，提供底层库函数，可用DOS、VC、VB等进行软件开发。控制卡结构及端子板的接口如图3所示。1.2 直流永磁电动机PWM驱动基本原理图4为利用开关管实现直流电动机PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形。当开关MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Us。T1时间后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为零。T2时间后，栅极输入重新变为高电平，开关管重复前面的动作过程。这样，对应着输入的点评高低，直流伺服电动机电枢绕组两端的电压波形如图4b所示。占空比a表示了在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值。a的变化范围为0a1。由此式可知，当电源电压Us不变的情况下，电枢绕组两端的电压平均值Uo取决于占空比a的大小，改变a的值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。2 基于GT-400-SV-PCI卡的软件设计GT-400-SV控制卡具有良好的开放性，用户可以再DOS、VC、VB、Delphi环境下进行软件开发。文中是在Windows2000系统下利用Visual C+6.0的MFC以面向对象方式进行编程。控制卡在Windows下开发的底层动态库包括头文件GT400.h，GT400.lib和GT400.dll。在VC+环境中使用时，选择ProjectSettingLink，在Object/Library modules中输入GT400.lib，然后就可以在程序中调用动态链接库中的函数。2.1 Windows程序内部运行原理因为Visual C+6.0是Windows开发语言，所以用Visual C+6.0开发程序之前首先需要弄清楚Windows程序内部运行机制。在Windows环境下的软件开发是完全不同于DOS下的，它是一种事件驱动方式的程序设计模式，主要是基于消息的。当用户需要完成某种功能时，会调用操作系统的某种支持，然后操作系统将用户的需要包装成消息并投递到消息队列当中，最后应用程序从消息队列中取走消息并进行响应。2.2 程序设计运动控制卡接受PC机上发出的操作命令和运动控制系统反馈回的信息，并据其进行实时的运动操作，直接控制伺服驱动器。控制卡控制直流电动机的过程可分为：打开控制卡并初始化，设置运动参数，执行运动程序，关闭卡。控制系统流程图如图5所示。 卡的初始化卡的初始化应在程序开始时就执行，主要用到的控制函数见表1。 表1 函数名称及功能 名称 功能GT_Open（） 打开运动控制器设备GT_Reset（） 复位运动控制器GT_SetSmplTm（） 设置控制周期GT_LmtSns（） 设置限位开关的有效电平GT_EncSns（） 设置编码器的记数方向GT_CloseLp（） 设置为闭环控制GT_CtrlMode（） 设置输出模拟量/脉冲量以上参数应根据具体的硬件平台来设置，一般只在程序初始化时设置一次，以后不应再设置。另外，控制周期的设定GT_SetSmplTm(double Timer),参数Timer的单位是us。因为运动控制卡要在控制周期内完成必要的控制计算，控制周期不能太小，因此设定的范围为48-1966.08us。运动控制卡默认的控制周期为200us，这个控制周期对于普通的用户能够安全可靠地工作。一般情况下，在程序中不应改变控制周期值，否则会出现不可预期的后果。 运动控制模块 该运动控制卡可以实现单轴及多轴协调运动。 对于单轴所执行的运动操作有绝对运动、连续点动、急停缓停、回零等；对于多轴协调运动有直线插补和圆弧插补。单轴运动控制主要用来调试直流电动机运动性能。采用梯形曲线运动模式，设置速度、加速度、目标位置3个参数，通过设置合适的PIDP控制参数，使电动机运动达到系统设计要求。4轴协调运动采用直线插补法，正确的设置坐标映射，合成速度、加速度，再加轨迹设置命令及目标位置，即可实现四轴协调运动。运动控制卡通过坐标映射函数GT_MapAxis(short Axis_Num,double * map_count)将控制轴由单轴运动控制模式转换为坐标系运动控制模式。同时运动控制卡开辟了底层运动数据缓冲区，在坐标系运动控制模式下，可以实现多段轨迹快速、稳定的连续运动。这些运动操作都是相互独立的，在控制面板中每个操作按键对应一个独立的事件。 运动状态显示模块通过调用GT_GetAltPos(long * Apos)和GT_GetPrfPnt(double * Pnt)分别获得当前轴的实际位置和坐标系各轴的坐标位置，参数*Apos返回实际位置，双精度参数*Pnt指向一个长度为4的数组。然后转换成各电动机的实际角度，并在控制面板上显示。2 编程开发实例现以单轴调试与4轴协调运动实现直线和圆轨迹为例具体介绍开发过程：打开Visual C+6.0，利用MFC AppWizardexe创建一个基于对话框的Robot2008工程，将GT400.h，GT400.lib添加进工程，编程时要在头文件里包含头文件GT400.h。在对话框中添加按钮和编辑框等操作见图6。单轴控制模块，先在OnInitDialog（）中添加如下代码，进行初始化工作：GT_Open();GT_Reset();GT_LmtsOff();GT_AlarmOff();GT_CtrlMode(0);GT_CloseLp(); 在CRobot2008Dlg中添加成员变量m_Kp,m_Ki,m_Kd,m_Pos,m_Vel,m_Acc并作原型说明。然后在“单轴运动”按钮添加BN_CLICKED消息响应的函数OnButtonSrtMov（），并在函数中添加如下代码：GT_Axis();GT_AxisOn();GT_ZeroPos();GT_PrflT();GT_SetKp(m_Kp);GT_SetKi(m_Ki);GT_SetKd(m_Kd);GT_SetPos(m_Pos);GT_SetVel(m_Vel);GT_SetAcc(m_Acc);GT_Update();最后在“单轴停止”按钮BN_CLICKED响应函数OnButtonStop（）中添加代码：GT_AxisOff();GT_Close();四轴协调运动的初始化与单轴情况基本相同，但要加入坐标映射函数GT_MapAxis(short Axis_Num,double *map_count)。double cnt15=1,0,0,0,0;double cnt25=0,1,0,0,0;double cnt35=0,0,1,0,0;double cnt45=0,0,0,1,0;GT_MapAxis(1,cnt1);GT_MapAxis(2,cnt2)GT_MapAxis(3,cnt3);GT_MapAxis(4,cnt4);GT_MvXYZA(0,0,0,0,1,0.01);前文已提到，运动显示模块经编译无误后生成可执行文件，执行后如图7所示。与硬件连接后可以实现对平面2-DOF四分之过驱动并联机构末端位置的直线及圆运动位置规划，可以实时读出直流电动机转角位置，达到了预期效果。3 结语本文利用Visual C+6.0提供的微软基础类库MFC及控制卡支持的底层函数库，详细介绍了二次开发的全过程并给出了编程实例，方便对多轴运动控制卡软件开发的理解。整个控制软件能完成数据及运动状态显示、伺服驱动、并联机构的位置规划等任务。实践证明该并联机构控制系统运行稳定。