畢業(yè)論文：基于運動控制卡的控制程序和界面設計

畢 業(yè) 設 計（論 文）

題 目： 基于運動控制卡的控制程序和界面設計

系 別： 電氣與信息工程學院
專 業(yè)： 自動化
摘 要

運動控制技術的發(fā)展是制造自動化技術前進的旋律，是推動新的產(chǎn)業(yè)革命的關鍵技術。近年來，隨著運動控制技術與相關產(chǎn)品的不斷改進和完善，它越來越突顯出極重要的作用與地位，甚至在某些行業(yè)和領域還處于核心技術地位，正是這種獨特的作用使運動控制技術近年來有了很大發(fā)展。
本文在對伺服控制、伺服電機的種類做了簡單介紹，討論了當下常用的三種伺服電機控制系統(tǒng)后，重點探究了如何使用運動控制卡控制多軸系統(tǒng)，實現(xiàn)多軸的協(xié)調(diào)運動。其后本文介紹了運動控制器的硬件組成，重點分析了運動控制卡的選型。接著論述了本文的重點部分：系統(tǒng)軟件設計。對MFC和運動控制器庫函數(shù)在程序中的運用做了深入剖析。最后介紹了程序調(diào)試過程中遇到的一些難點以及通過本課題獲得的一些收獲。
關鍵詞：MFC；伺服電機；運動控制器

Abstract

The development of motion control technology is the forward melody of manufacturing automation technology. It is the key technology to promote a new industrial revolution .In recent years,With the development of motion control technology and the improvement of related products, it plays more and more important role,and in some industries and fields it even still lies in the core position of technology.It is the unique role of the motion control technology help it develop greatly in recent years.
This paper gives a brief introduction of servo control, servo motor and so on.After given a discussion of three kind of current and commonly used servo motor control system,i focus on how to use motion control card control muti a*is system and the realization of muti a*is coordinated motion.This paper introduces the subsequent motion controller hardware,i focus on the analysis of the motion control card selection. And then i discusses the key part of the paper,system software design.It focus on MFC and motion controller of functions library used in the program and do development to analyze.Finally it introduced some difficulties encountered int the program debugging process and some harvest gained through
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機通常有三種，步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機。控制方式也不太一樣。伺服系統(tǒng)通過功率放大裝置將數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺瑥亩刂齐妱訖C的轉(zhuǎn)動。伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在數(shù)控系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。伺服系統(tǒng)不同于普通電機，它接收到電信號后才進行微小的轉(zhuǎn)動，從而可以精確的控制電機的角位移。
CNC系統(tǒng)控制電機運動的核心是可編程控制器（PLC）。可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程�？删幊踢壿嬁刂破鲗嵸|(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，基本構成為：電源、中央處理單元(CPU) 、存儲器、輸入輸出接口電路、功能模塊、通信模塊。
可編程邏輯控制器工作過程分為輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，可編程邏輯控制器的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。
PLC控制伺服電機的控制方法一種是使用模擬量控制伺服電機的速度或者扭矩，通過編碼器反饋回來伺服電機的位置，這是一種真正的全閉環(huán)控制，還有一種是通過plc的脈沖控制伺服電機，這樣的話電機就沒有位置反饋給plc，也就只能實現(xiàn)半閉環(huán)控制，控制上就和步進電機差不多了。

1.2.3 基于運動控制卡的控制系統(tǒng)
運動控制（MC）是自動化的一個分支，它使用通稱為伺服機構的一些設備如液壓泵，線性執(zhí)行機或者是電機來控制機器的位置和/或速度。運動控制在機器人和數(shù)控機床的領域內(nèi)的應用要比在專用機器中的應用更復雜，因為后者運動形式更簡單，通常被稱為通用運動控制（GMC）。運動控制被廣泛應用在包裝、印刷、紡織和裝配工業(yè)中。
運動控制就是控制電動機的運行方式：比如電動機在由行程開關控制交流接觸器而實現(xiàn)電動機拖動物體向上運行達到指定位置后又向下運行，或者用時間繼電器控制電動機正反轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)一會停一會再轉(zhuǎn)一會再停。運動控制（MC）是自動化的一個分支，它使用通稱為伺服機構的一些設備如液壓泵，線性執(zhí)行機或者是電機來控制機器的位置和/或速度。運動控制在機器人和數(shù)控機床的領域內(nèi)的應用要比在專用機器中的應用更復雜，因為后者運動形式更簡單，通常被稱為通用運動控制（GMC）。運動控制被廣泛應用在包裝、印刷、紡織和裝配工業(yè)中。
一個運動控制器用以生成軌跡點（期望輸出）和閉合位置的反饋環(huán)。許多控制器也可以在內(nèi)部閉合一個速度環(huán)。 一個驅(qū)動或放大器用以將來自運動控制器的控制信號（通常是速度或扭矩信號）轉(zhuǎn)換為更高功率的電流或電壓信號。更為先進的智能化驅(qū)動可以自身閉合位置環(huán)和速度環(huán)，以獲得更精確的控制。 一個執(zhí)行器如液壓泵、氣缸、線性執(zhí)行機或電機用以輸出運動。 一個反饋傳感器如光電編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器或霍爾效應設備等用以反饋執(zhí)行器的位置到位置控制器，以實現(xiàn)和位置控制環(huán)的閉合。 眾多機械部件用以將執(zhí)行器的運動形式轉(zhuǎn)換為期望的運動形式，它包括齒輪箱、軸、滾珠絲杠、齒形帶、聯(lián)軸器以及線性和旋轉(zhuǎn)軸承。 通常，一個運動控制系統(tǒng)的功能包括：速度控制 點位控制（點到點）。有很多方法可以計算出一個運動軌跡，它們通常基于一個運動的速度曲線如三角速度曲線，梯形速度曲線或者S型速度曲線。 電子齒輪（或電子凸輪）。也就是從動軸的位置在機械上跟隨一個主動軸的位置變化。一個簡單的例子是，一個系統(tǒng)包含兩個轉(zhuǎn)盤，它們按照一個給定的相對角度關系轉(zhuǎn)動。電子凸輪較之電子齒輪更復雜一些，它使得主動軸和從動軸之間的隨動關系曲線是一個函數(shù)。這個曲線可以是非線性的，但必須是一個函數(shù)關系。
運動控制器對伺服電機的控制功能是非常強大的，可以控制伺服電機帶動運動控制軸完成各種復雜而精確的運動。運動控制器以單個電路同時控制4個伺服系統(tǒng)或步進電機系統(tǒng),可進行各軸獨立的定位控制、速度控制,亦可在任意2軸或3軸中進行圓弧、直線、位模式插補�？刂齐娐纺芘c8/16位數(shù)據(jù)總線接口,通過命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)等寄存器實現(xiàn)4軸3聯(lián)動的位置、速度、加速度等的運動控制和實時監(jiān)控、實現(xiàn)圓弧、直線、位模式3種模式的軌跡插補,輸出脈沖頻率達到4MHz,每軸都有伺服反饋輸入端、4個輸入點和8個輸出點,能獨立地設置為恒速、線性、非對稱S曲線加/減控制、非對稱梯形加/減速控制方式,并有2個32位的邏輯、實際位置計數(shù)器和狀態(tài)比較寄存器,實現(xiàn)位置的閉環(huán)控制,另外,運動控制器還能實現(xiàn)自動搜尋原位、輸入信號濾波器、同步動作、輸出脈沖32位,圓弧/直線插補脈沖范圍32位、完成S曲線加/減速的非對稱、手動設定模式、位置計算器的可變環(huán)形、Z相輸入的實位計數(shù)器的清除、實位計算器的增減反轉(zhuǎn)等功能。
1.2.4 三種控制方式的比較
采用PLC來控制伺服電機是工業(yè)生產(chǎn)中的主要方法，這種方法可以實現(xiàn)的控制功能較多，而且穩(wěn)定可靠，控制成本低。采用單片機來控制伺服電機能夠?qū)崿F(xiàn)的功能單一并且控制方式復雜，只適合于教學中對單片機控制功能的研究。采用運動控制器來控制伺服電機雖然成本比較高，但是運動控制器在控制伺服電機方面的功能非常強大，理論上講是最適合用來控制伺服電機的設備，很適合教學研究中來探究伺服電機的控制。
PLC系統(tǒng)作為控制裝置時，雖具有PLC系統(tǒng)的靈活性、一定的通用性，但是對于精度較高（如插補控制）、反應靈敏的要求時難以做到或編程非常困難，而且成本可能較高。隨著技術進步和技術積累，運動控制器應運而生了，它把一些普遍性的、特殊的運動控制功能固化在其中（如插補指令），用戶只需組態(tài)、調(diào)用這些功能塊或指令，這樣減輕了編程難度，性能、成本等方面也有優(yōu)勢。
可以這樣理解：PLC的使用不局限于CNC，只是一種普通的運動控制裝置。運動控制器是一種特殊的PLC，專職用于運動控制。
綜上所述，為了更好地探究伺服電機的性能，為了找出更多的控制功能，我最終決定采用運動控制器來控制伺服電機。

1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
通用運動控制技術作為自動化技術的一個重要分支，在國外一直處于高速發(fā)展的階段，應用范圍也越來越廣。全球主流運動控制器大都是外國的一些知名廠家生產(chǎn)。通用運動控制器作為一個獨立的工業(yè)自動化控制類產(chǎn)品，已經(jīng)被越來越多的產(chǎn)業(yè)領域接受，并且它已經(jīng)達到一個引人矚目的市場規(guī)模。根據(jù)近期國外的一份研究，世界運動控制器市場已超過40億美元，并且仍在高速增長。運動控制器已經(jīng)從以單片機或微處理器作為核心的運動控制器和以專用芯片作為核心處理器的運動控制器，發(fā)展到了基于PC總線的以DSP和FPGA作為核心處理器的開放式運動控制器。運動控制技術也由面向傳統(tǒng)的數(shù)控加工行業(yè)專用運動控制技術而發(fā)展為具有開放結構、能結合具體應用要求而快速重組的先進運動控制技術�；诰W(wǎng)絡的開放式結構和嵌入式結構的通用運動控制器逐步成為自動化控制領域里的主導產(chǎn)品之一。高速、高精度始終是運動控制技術追求的目標。充分利用DSP的計算能力，進行復雜的運動規(guī)劃、高速實時多軸插補、誤差補償和更復雜的運動學、動力學計算，使得運動控制精度更高、速度更快、運動更加平穩(wěn)；充分利用DSP和FPGA技術，使系統(tǒng)的結構更加開放，根據(jù)用戶的應用要求進行客制化的重組，設計出個性化的運動控制器將成為市場應用的兩大方向。
我國在運動控制器產(chǎn)品開發(fā)方面相對落后，國內(nèi)有幾家公司涉足這個領域，但實際上，大多是在國內(nèi)推廣國外生產(chǎn)的運動控制器產(chǎn)品，或者是在國外的技術上進行一些修改。我所使用的運動控制器的生產(chǎn)廠家固高科技便是其中一家公司。另外，我國的科研工作者也成功研發(fā)了兩種數(shù)控平臺華中I型、藍天I型等4種基本系統(tǒng)，這些系統(tǒng)采用模塊化、嵌入式的軟硬件結構。其中華中I型較具代表性，它采用工業(yè)PC機插接口卡的結構，運行在DOS平臺上，具有較好的模塊化、層次化特征，具有一定的擴展和伸縮性。但從整體來說這些系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)，不是獨立的開放式運動控制器產(chǎn)品。目前，我國的經(jīng)濟發(fā)展較快，市場對于先進運動控制設備的需求越來越大。
1.4 論文的主要研究內(nèi)容和安排
本文的主要工作有一下幾部分，首先是要分析一下當前存在的幾種控制伺服電機的方法，比較出它們在控制伺服電機方面的優(yōu)點與缺點。然后決定采用哪種控制方式來研究伺服電機的控制。接著對選定的控制方法（采用運動控制器來控制伺服電機）進行深入了解，分析它的控制原理，以及它控制伺服電機的整個運動過程。對運動控制器的硬件部分做一些分析。然后了解運動控制器的軟件編程方法，學習如何使用運動控制器來控制電機。具體研究內(nèi)容如下：
（1）陳述了伺服電機的類型以及伺服電機的幾種控制方式。然后具體分析一下當前存在的三種伺服電機的控制設備：單片機、運動控制器、數(shù)控系統(tǒng)，比較它們的優(yōu)點與缺點決定采用哪種方法來控制伺服電機。介紹了國內(nèi)外運動控制器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。
（2）具體分析了一下運動控制器控制伺服電機的硬件原理。然后對選擇的運動控制器進行了介紹。重點在于分析運動控制器的硬件部分。包括硬件部分的選型以及它們的工作原理。
（3）介紹本課題中的軟件設計部分，也是本課題中的核心部分。首先對采用哪種編程語言進行了分析，確定了程序的框架。其次講了程序中窗口的設計。接著介紹了代碼中使用到的Windows程序設計中的一些方法，包括消息映射、條件編譯等。然后對程序中使用的運動控制器庫函數(shù)中的一些重要的功能函數(shù)作了介紹。最后講了一下在程序中類的設計。
（4）介紹了程序調(diào)試過程中遇到的問題以及解決的方法。
（5）全文的總結和展望。對現(xiàn)有工作和成果做了總結，闡述了不足之處和改進方案。對在畢業(yè)設計中得到收獲進行了陳述。


第二章 系統(tǒng)硬件設計

2.1 電機控制系統(tǒng)
現(xiàn)在運動控制器的生產(chǎn)廠家很多，運動控制器的控功能也越來越強�？晒┪覀冞x擇的運動控制器種類很多。實驗室提供的是由固高科技生產(chǎn)的GT-400-SV-ISA-G運動控制器。
2.1.1 電機控制系統(tǒng)的基本組成
一個運動控制器要有用以生成軌跡點（期望輸出）和閉合位置的反饋環(huán)。許多控制器也可以在內(nèi)部閉合成一個速度環(huán)。 一個驅(qū)動或放大器用以將來自運動控制器的控制信號（通常是速度或扭矩信號）轉(zhuǎn)換為更高功率的電流或電壓信號。更為先進的智能化驅(qū)動可以自身閉合位置環(huán)和速度環(huán)，以獲得更精確的控制。 一個執(zhí)行器如液壓泵、氣缸、線性執(zhí)行機或電機用以輸出運動。 一個反饋傳感器如光電編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器或霍爾效應設備等用以反饋執(zhí)行器的位置到位置控制器，以實現(xiàn)和位置控制環(huán)的閉合。 眾多機械部件用以將執(zhí)行器的運動形式轉(zhuǎn)換為期望的運動形式，它包括齒輪箱、軸、滾珠絲杠、齒形帶、聯(lián)軸器以及線性和旋轉(zhuǎn)軸承。 通常，一個運動控制系統(tǒng)的功能包括：速度控制 點位控制（點到點）。有很多方法可以計算出一個運動軌跡，它們通�；谝粋�運動的速度曲線如三角速度曲線，梯形速度曲線或者S型速度曲線。 電子齒輪（或電子凸輪）。也就是從動軸的位置在機械上跟隨一個主動軸的位置變化。一個簡單的例子是，一個系統(tǒng)包含兩個轉(zhuǎn)盤，它們按照一個給定的相對角度關系轉(zhuǎn)動。電子凸輪較之電子齒輪更復雜一些，它使得主動軸和從動軸之間的隨動關系曲線是一個函數(shù)。這個曲線可以是非線性的，但必須是一個函數(shù)關系。


圖2.1 電機運動控制器系統(tǒng)原理框圖

本課題使用的運動控制器的型號是GT-400-SV-PCI-G
GT代表是固高科技的GT系列（其他系列還有例如GE系列、GO系列、GTS系列）。
400代表可控軸的數(shù)目（200:兩軸。300:3軸。400:4軸）。
SV代表輸出類型（SV：模擬量或脈沖量。SP：脈沖量，有編碼器讀數(shù)功能。SG：高頻脈沖輸出(1MHZ)。SD:占空比可調(diào)脈沖輸出。SE：低頻脈沖輸出(256KHZ)）。
PCI代表總線類型（ISA：ISA總線。PCI：PCI總線。）
G代表接口板類型（G：標準型。A：A/D轉(zhuǎn)換型。R：驅(qū)動繼電器型。O：定制型）
GT系列運動控制器硬件組成:
1、運動控制卡；
2、對于PCI總線卡，具有PCI插槽的IBM-PC或其兼容機
3、具有增量式編碼器的伺服電機或者步進電機；
4、驅(qū)動器
5、驅(qū)動器電源
6、-12V—+24V電源（用于接口板電源）；
7、原點開關、正負限位開關（根據(jù)系統(tǒng)需要可選）；
伺服電機即可以選擇交流伺服電機也可以選擇直流伺服電機�？刂扑欧姍C時，控制器輸出+/-10V模擬電壓控制信號。選用伺服電機時，應選配七相應的伺服驅(qū)動器及配件。
對于控制步進電機，運動控制器提供兩種不同的控制信號：正脈沖/負脈沖、脈沖/方向。這樣，控制器可以與目前任何類型步進電機驅(qū)動器配套使用。在控制步進電機時，控制模式為開環(huán)控制，不需要編碼器。對于SP卡，可以讀取編碼器信號。采用見圖2.2。


圖2.2 GT系列運動控制器組成的控制系統(tǒng)典型連接

2.1.2 伺服電機的選型
對于軸運動用的電機，要求雖然不是特別高的，但是為了實現(xiàn)對軸的高精度控制，這一點卻不是一般的電機可以勝任的。對于其的選擇，我們應該考慮到以下幾點：
考慮電機的轉(zhuǎn)動穩(wěn)定度，即要能很好的鎖定其轉(zhuǎn)動角速度，這樣對于控制軸的運動就可以從動力上得到了第一步的控制，所以需要考慮電機轉(zhuǎn)動時的線性平穩(wěn)度的問題。這樣我們就得用閉環(huán)工作的電機，例如：直流伺服電機，直流無刷伺服電機，交流伺服電機，普通無刷電機，步進電機等。
考慮電機的轉(zhuǎn)速，要考慮軸的最高運動速度和低速的精確對準問題。
考慮軸運動提速快慢的問題，即電機的扭矩和輪子直徑的問題。
考慮伺服電機供電的問題。
考慮到電機在軸上安裝的問題。
考慮對電機控制實現(xiàn)的容易程度的問題。
考慮到對電機及 ……（未完，全文共40851字，當前僅顯示7348字，請閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：基于運動控制卡的控制程序和界面設計》）