基于VC++的运动控制卡软件系统设计.pdf

1、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

2、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

3、 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

4、 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 MaxonRE-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

5、 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

6、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

7、 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、 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

9、 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

10、 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

11、 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 GT4

12、00.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 ，

13、 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

14、 动 参 数 ， 执 行 运 动 程 序 ， 关 闭 卡 。 控 制 系 统流 程 图 如 图 5所 示 。2.2.1 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_Cl

15、oseLp（ ） 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

16、 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 。2.2.2 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

17、 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_MapAx

18、is(shortAxis_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 。2.2.3 运 动 状 态 显 示 模 块通 过 调 用 GT_GetAltPos(lo

19、ng*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VisualC+6.0， 利 用 MFCAppWizardexe创

20、 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

21、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(

22、);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(shortAxis_Num,double*map_count)。doublecnt15=1,0,0,0,0;doublecnt25=0,1,0,0,0;doublecnt35=0,0,1,0,0;doublecnt45=0,0,0,1,0;GT_MapAxis(1,cnt1)

23、;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 VisualC+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 。