基于PC的開放式多軸運動控制系統開發來源:數控機床網 作者:數控車床 欄目:行業動態 運動控制技術的發展是制造自動化前進的旋律,是推動新的產業革命的關鍵技術。運動控制器已經從以單片機或微處理器為核心的運動控制器和以專業芯片(ASIC)作為核心處理器的運動控制器，發展到了基于PC總線的以D 和FPGA作為核心處理器的開放式運動控制器。
當今，隨著計算機技術的高速發展，運動控制技術正在發生根本性的變革，由專用型封閉式開環控制模式向通用型開放式實時動態全閉環控制模式發展。開放式體系結構使運動控制系統有更好的通用性、柔性、適用性、擴展性。
一、開放式運動控制系統按照IEEE定義，一個開放式運動控制系統應提供這樣的能力來自不同賣主的種種平臺上運行的應用都能夠在系統上完全實現，并能和其他系統應用互操作，且具有一致性的用戶界面。
開放式運動控制系統的研究始于1987年，是由美國發起的。目前，通用運動控制器從結構上主要分為如下三大類：
1. 基于計算機標準總線的運動控制器這種運動控制器大都采用D 或微機芯片作為CPU，可完成運動規劃、高速實時插補、伺服濾波控制和伺服驅動，外部IO之間的標準化通用接口功能，它開放的函數庫可提供用戶根據不同的需要，在DOS或Windows等平臺下開發應用軟件，組成各種控制系統。目前這種運動控制器得到了廣泛的應用。
2. Soft型開放式運動控制器它提供給用戶****的靈活性，它的運動控制軟件全部裝在計算機中，而硬件部分僅僅是計算機與伺服驅動和外部IO之間的標準化通用接口。用戶可以在WINDOWS平臺和其他操作系統的支持下，利用開放的運動控制內核，開發所需要的控制功能，構成各種類型的高性能運動控制系統，從而提供給用戶更多的選擇和靈活性。Soft型開放式運動控制的特點是開發，制造成本相對較低，能給予開發人員更加個性化的開發平臺。
3. 嵌入式結構的運動控制器這種運動控制器是把計算機嵌入到計算機控制器中的一種產品，它能夠獨立運行。運動控制器與計算機之間的通訊依靠計算機總線，實質上是基于總線結構的運動控制器的一種變種。對于標準總線的計算機模塊，這種類型的控制器采用了更加可靠的總線連接方式(采用針式連接器)，更加適合工業應用。在使用中，采用如工業以太網、RS485、SERCOS、PROFIBUS等現場網絡通訊接口連接上級計算機或控制面板。嵌入式的運動控制器也可配置軟盤和硬盤驅動器，甚至可以通過Internet進行遠程診斷。
二、PC+運動控制卡的控制方案采用PC＋運動控制卡作為上位控制可充分利用計算機資源，用于運動過程、運動軌跡都比較復雜，且柔性比較強的機器和設備。從用戶使用的角度來看，基于PC機的運動控制卡主要是硬件接口(輸入輸出信號的種類、性能)和軟件接口(運動控制函數庫的功能函數)的差異。運動控制卡是基于PC機各種總線的步進電機或數字式伺服電機的上位控制單元，總線形式也是多種多樣。由于計算機主板的更新換代，ISA插槽都越來越少了，PCI總線的運動控制卡應該是目前的主流。卡上專用CPU與PC機CPU構成主從式雙CPU控制模式。PC機CPU可以專注于人機界面、實時監控和發送指令等系統管理工作;卡上專用CPU來處理所有運動控制的細節升降速計算、行程控制、多軸插補等，無需占用PC機資源。同時隨卡還提供功能強大的運動控制軟件庫Ｃ語言運動庫、Windows DLL動態鏈接庫等，讓用戶更快、更有效地解決復雜的運動控制問題。
運動控制卡采用了開放式結構，使用簡便，功能豐富，可靠性高。若采用PC機的PCI總線方式，卡上無需進行任何跳線設置，所有資源自動配置，并且所有的輸入、輸出信號均用光電隔離，提高了控制卡的可靠性和抗干擾能力;在軟件方面提供了豐富的運動控制函數庫，以滿足不同的應用要求。用戶只需根據控制系統的要求編制人機界面，并調用控制卡運動函數庫中的指令函數，就可以開發出既滿足要求又成本低廉的多軸運動控制系統。運動函數庫為單軸及多軸的步進或伺服控制提供了許多運動函數，如單軸運動、多軸獨立運動、多軸插補運動等等。另外，為了配合運動控制系統的開發，還提供了一些輔助函數，如中斷處理、編碼器反饋、間隙補償，運動中變速等。正是由于運動控制卡的開放式結構，強大而豐富的軟件功能，對于使用者來說進行二次開發的設計周期縮短了，開發手段增多了，針對不同的數控設備，其柔性化、模塊化、高性能的優勢得以被充分利用。三、開放式多軸運動控制系統硬件結構整個系統以基于“PC機＋運動控制卡”為核心，采用ADT850運動控制卡加松下數字交流伺服驅動器構成一個開放式硬件結構。同時配備內容豐富、功能強大的運動函數庫，采用VC++面向對象的編程技術，實現PC機、運動控制卡和伺服驅動器之間的通訊，其結構如圖1所示。圖1 二軸運動系統結構框圖PC機負責人機交互界面的管理和控制系統的實時監控等方面的工作，例如鍵盤和鼠標的管理、系統狀態的顯示、控制指令的發送、外部信號I0的監控等等。其中，脈沖信號控制電機所走的步數，方向信號控制電機正反轉，以實現二軸的位置控制。X軸和Y軸原點、限位檢測是通過一組機械開關來實現，原點檢測開關用來生成用戶二維運動系統坐標系原點，限位檢測開關確保每軸工作行程極限。這些狀態信號經邏輯電平整形電路、光電隔離電路后送入運動控制卡狀態寄存器中，由CPU隨時讀出，達到對IO狀態信號的檢測。在硬件上，由于采用了光電隔離措施，這樣，既隔離了外設對內部數字系統的干擾，又能有效地防止過電壓、過電流等外界突發事件對計算機系統的損壞，大大提高了系統的控制精度和可靠性。本系統充分發揮了PC機軟件資源豐富和計算速度快的優點，吸收CADCAM的特點，在利用造型軟件生成零件圖后，再利用數控系統轉化為加工G代碼，將指令G代碼與機床實際位置進行分析比較產生瞬時速度，然后由板卡將其解釋為運動軌跡控制函數，最后通過調用運動函數庫內的插補程序段，輸出脈沖和方向信號，控制半閉環位置伺服系統帶動工作臺運轉，實現所希望的空間軌跡路徑動態特性和穩態精度。
四、基于Visual C++多軸運動控制系統的軟件開發Visual C++是一個在Windows環境下的程序開發工具，它是可視化的、面向對象的，采用事件驅動的。它屏蔽了Windows環境下程序設計的復雜性，使Windows應用程序設計變得簡單、方便、快捷。利用ADT850運動控制卡的動態鏈接庫DLL可以很快開發出Windows平臺下的運動控制系統。ADT850運動控制卡動態鏈接庫是標準的Windows 32位動態鏈接庫，選用的開發工具應支持Windows標準的32位DLL調用。基于PC+運動控制卡多軸運動控制系統的軟件開發需由ADT850運動控制卡配套光盤提供開發庫中的三個文件，一個是靜態庫ADT850.LIB，一個是頭文件ADT850.H，一個是Window T2000使用的文件winio.sys，動態庫中的函數已在頭文件ADT850.H中有聲明，用戶可以直接調用其中的函數。ADT850函數庫中提供常用的單軸運動，多軸獨立運動控制，多軸插補運動控制，中斷、等功能。每塊ADT850卡最多可以控制四軸的運動，當需要控制多個軸時，可以在PC機上插入幾塊卡，而在編程時，把它們當成一個整體對待，各卡之間的軸與同一塊卡上的軸也同樣能夠進行聯動或插補，這樣就能實現多于四軸的運動控制。一臺計算機上可同時使用的ADT850卡的數目取決于PCI擴展槽的數目。
五、結語以基于“PC機＋運動控制卡”為核心的開放式多軸運動控制系統的已經成功的應用到了南京工業大學研發的二維交流伺服系統的高精度X-Y坐標繪圖儀上，取得了很好的控制性能。利用Visual C++在Windows平臺上，對ADT850運動函數庫二次開發，可以很快的開發出用戶界面和自己的控制系統，大大節省了開發周期和開發費用。
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