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0 a 1 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Project Setting Link 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 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 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 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 2 2 3 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 AppWizard exe 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 cnt1 5 1 0 0 0 0 double cnt2 5 0 1 0 0 0 double cnt3 5 0 0 1 0 0 double cnt4 5 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