針對(duì)現(xiàn)代化工業(yè)加工和自動(dòng)化生產(chǎn)線上廣泛采用的3軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制要求及特點(diǎn)，詳細(xì)介紹ACR1505型多功能運(yùn)動(dòng)控制卡的組成、特點(diǎn)及應(yīng)用，是由PC+運(yùn)動(dòng)控制器+伺服電機(jī)組成的控制系統(tǒng)。其中基于DSP和復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）的運(yùn)動(dòng)控制器充分發(fā)揮了DSP的快速數(shù)據(jù)運(yùn)算能力和C

1、引 言

在現(xiàn)代化工業(yè)加工及自動(dòng)化生產(chǎn)線上經(jīng)常要使用諸如加工中心、機(jī)器人之類的需要進(jìn)行多軸協(xié)同控制的自動(dòng)化設(shè)備。對(duì)于這些設(shè)備，一種比較常見(jiàn)的控制方式是采用“計(jì)算機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡+驅(qū)動(dòng)器”的方法，即通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件控制專用運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)控制驅(qū)動(dòng)器，達(dá)到控制自動(dòng)化設(shè)備的目的。其中，3坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)控制是多軸協(xié)同控制中最常見(jiàn)且能完成絕大多數(shù)任務(wù)要求的一種形式。本文介紹ARKER公司的ACRl505型運(yùn)動(dòng)控制卡的特點(diǎn)及其應(yīng)用。

2、自動(dòng)封裝系統(tǒng)

2.1 機(jī)械系統(tǒng)

自動(dòng)封裝系統(tǒng)的任務(wù)是首先抓取蓋片A，接著在蓋片A正面上涂膠，然后反轉(zhuǎn)180°下移動(dòng)，壓到基片上，完成封裝過(guò)程。

自動(dòng)封裝系統(tǒng)主要由移動(dòng)大平臺(tái)、自動(dòng)涂膠機(jī)構(gòu)、自動(dòng)布貼機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)4部分組成。系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了3自由度的橋架式機(jī)器人，數(shù)字控制器作為控制系統(tǒng)的核心，實(shí)時(shí)控制X、Y、Z軸的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)輸出開(kāi)關(guān)量控制電磁閥的開(kāi)啟與關(guān)閉，完成抓取、反轉(zhuǎn)、滴膠、加壓的整個(gè)封裝過(guò)程。

自動(dòng)封裝系統(tǒng)的控制系統(tǒng)工作流程如下：

（1）在移動(dòng)平臺(tái)一端設(shè)有“定位槽”，控制X導(dǎo)軌先使“翻轉(zhuǎn)定位槽”裝置移動(dòng)到平板最外端，然后將蓋片A背面向上放到“定位槽”內(nèi)，該定位槽內(nèi)每個(gè)對(duì)應(yīng)單元格的位置上有真空吸孔，通過(guò)控制真空閥實(shí)現(xiàn)蓋片A的吸附固定。

（2）抓取蓋片A固定后，控制x導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，將“翻轉(zhuǎn)定位槽”定位在平板待封裝基片B的正上方，采用真空吸盤(pán)吸附方式將基片A抓取槽翻轉(zhuǎn)180°，使基片A的背面正對(duì)布貼位置，并處于等待滴膠狀態(tài)。

（3）自動(dòng)滴膠系統(tǒng)由1個(gè)3自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人控制“翻轉(zhuǎn)定位槽”帶動(dòng)一排針頭將膠滴到固定好的蓋片A的正面上。

（4）通過(guò)節(jié)流閥控制氣缸使“翻轉(zhuǎn)定位槽”緩慢向下運(yùn)動(dòng)，使蓋片A與基片B保持一定的接觸壓力與接觸時(shí)間，同時(shí)控制噴嘴的電磁閥打開(kāi)并對(duì)蓋片A均勻地施加設(shè)定的壓力。

（5）停止抽真空。

（6）布貼完成后，進(jìn)行下一組蓋片的定位放置，以此類推。

2.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

結(jié)合自動(dòng)布貼系統(tǒng)的特點(diǎn)，選用“PC+運(yùn)動(dòng)控制器+伺服電機(jī)”的運(yùn)動(dòng)控制形式，功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。運(yùn)動(dòng)控制器利用高性能微處理器（以DSP為主）及復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）實(shí)現(xiàn)多個(gè)伺服電機(jī)的多軸協(xié)調(diào)控制，具體就是將實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的底層軟件和硬件集成在一起，使其具有伺服電機(jī)控制所需的各種速度和位置控制功能，這些功能可通過(guò)計(jì)算機(jī)方便地調(diào)用。

計(jì)算機(jī)的主要功能是根據(jù)具體裝置的運(yùn)動(dòng)控制類型優(yōu)化指令形式，它屬于上層控制。伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器是主要的執(zhí)行部件，具體完成運(yùn)動(dòng)控制。運(yùn)動(dòng)控制卡根據(jù)上層計(jì)算機(jī)給出的指令，結(jié)合具體的伺服系統(tǒng)類型，將其指令轉(zhuǎn)化為伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

圖1 控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)框圖

3、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

由于DSP具有高達(dá)數(shù)10MHz的數(shù)據(jù)吞吐能力和短至幾十ns的指令周期，非常適合于大量數(shù)據(jù)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。采用基于DSP的運(yùn)動(dòng)控制器與PC一起構(gòu)成控制系統(tǒng)，它可以將Windows強(qiáng)大的圖形用戶接口、多任務(wù)能力、強(qiáng)大的硬件和軟件兼容能力與基于DSP的運(yùn)動(dòng)控制器的伺服、插補(bǔ)和實(shí)時(shí)計(jì)算能力結(jié)合在一起，為用戶提供高速、高精度和低成本的現(xiàn)代化控制。

3.1系統(tǒng)組成

基于DSP的ACR1505型多軸運(yùn)動(dòng)控制卡使用120MHz、32字節(jié)浮點(diǎn)TMS320VC33型DSP作為CPU，提供了全新的高性能技術(shù)和Windows平臺(tái)。它是高性能伺服運(yùn)動(dòng)控制器，通過(guò)靈活的高級(jí)語(yǔ)言能同時(shí)控制1-4個(gè)軸（最多可擴(kuò)展到8個(gè)軸），既可單步執(zhí)行程序，也可執(zhí)行存儲(chǔ)于控制器內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)程序和PLC程序，還可以進(jìn)行伺服環(huán)更新及以串口、并口、總線3種方式與上位機(jī)和多個(gè)控制卡進(jìn)行通信。控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 運(yùn)動(dòng)控制器的硬件結(jié)構(gòu)

核心DSP主要完成位置和速度的PID控制、插補(bǔ)迭代運(yùn)算、開(kāi)關(guān)量輸入，輸出PLC控制等實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù)，以及程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及上下位機(jī)的通信。采用復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）來(lái)進(jìn)行外設(shè)的尋址和最終信號(hào)的輸出。由于其極短的傳輸延遲、大量的用戶可用I/O口、內(nèi)部連線和可編程資源較為豐富，因而可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的時(shí)序和組合邏輯，能大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。同時(shí)由于其不可讀，與DSP配合使用具有較好的軟件保密性能，并且編程簡(jiǎn)單方便，通過(guò)修改CPLD的軟件程序而不改變硬件就能方便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的升級(jí)。

模擬量控制電路將速度信號(hào)數(shù)字量用D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成一10V～+10V的模擬信號(hào)，輸出接模擬信號(hào)輸入的電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)模塊。反饋電路是由CPLD構(gòu)成的4路12位可逆脈沖計(jì)數(shù)器，接收差分光電編碼器信號(hào)，對(duì)編碼脈沖進(jìn)行循環(huán)計(jì)數(shù)。通信電路通過(guò)PCI接口器件與PC的PCI總線相連，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)的工作過(guò)程如下：電機(jī)反饋信號(hào)取白與電機(jī)同軸的光電編碼器產(chǎn)生的A相和z相脈沖，經(jīng)由CPLD構(gòu)成的正交脈沖計(jì)數(shù)器循環(huán)記錄脈沖數(shù)。DSP定時(shí)讀取計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，計(jì)算各電機(jī)的當(dāng)前速度和位置，并通過(guò)由插補(bǔ)程序計(jì)算出的進(jìn)給指令計(jì)算電機(jī)跟蹤的誤差，通過(guò)增量式PID算法求出發(fā)給電機(jī)的控制信號(hào)，輸出到DAC，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。在控制運(yùn)算間隙，DSP完成和上位機(jī)的通信，取得指令，并將電機(jī)的狀態(tài)信息反饋給上位機(jī)。

3.2 控制算法

運(yùn)動(dòng)控制卡的控制采用增量式PID的控制算法。經(jīng)典的PID控制表達(dá)式為：

其中，uk（t）為輸出函數(shù)，kP為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)，e（t）為給定量和輸出量的偏差。

對(duì)（1）式進(jìn)行數(shù)字化離散處理后，可得到增量式PID算式：

式中，△ui為增量輸出，T為采樣周期，ei為當(dāng)前的差值，ei-1為ei前一次的差值，ei-2為ei-1前一次的差值。

4、軟件設(shè)計(jì)

4.1“PC+運(yùn)動(dòng)控制器”運(yùn)動(dòng)控制軟件的特點(diǎn)

針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡開(kāi)發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制軟件在PC上運(yùn)行，它由底層運(yùn)動(dòng)控制軟件和用戶操作界面組成。底層運(yùn)動(dòng)控制軟件告訴運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行直線和圓弧等插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)所需的所有參數(shù)及對(duì)I/O口進(jìn)行操作，同時(shí)接收運(yùn)動(dòng)控制卡上返回的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及輸入口狀態(tài)等參數(shù)。

運(yùn)動(dòng)控制卡按接收到的指令自行控制伺服電機(jī)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)及對(duì)I/O口進(jìn)行操作。

用戶操作界面把操作員與底層運(yùn)動(dòng)控制軟件連接起來(lái)，輸入所有運(yùn)動(dòng)參數(shù)，控制運(yùn)動(dòng)過(guò)程及顯示各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等。

4.2 軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軟件開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)是控制卡與PC的通信以及上層系統(tǒng)操作調(diào)度管理軟件的編制和故障診斷、參數(shù)輸入、程序編輯等非高實(shí)時(shí)性的任務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)。由于控制卡提供了極其有效的開(kāi)放軟件包ACR-View和API函數(shù)，與控制卡通信和交換信息只需調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)acrownt.dll里面包含的函數(shù)庫(kù)里的相應(yīng)功能函數(shù)或使用其提供的各種事件和方法，所以省去了繁重的通信驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，不必直接與控制卡硬件打交道，用Visual Basic語(yǔ)言即可方便的實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的操作。

在Windows操作系統(tǒng)下，以Visual Basic6.0為開(kāi)發(fā)工具，采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒?，充分利用控制卡配套的?dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中的函數(shù)，開(kāi)發(fā)伺服控制系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的基本功能。可實(shí)現(xiàn)的具體功能包括windows友好人機(jī)接口界面、系統(tǒng)初始化預(yù)處理、狀態(tài)監(jiān)控、坐標(biāo)位置和轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)顯示、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)化配置等。

軟件程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)位置的信號(hào)采集，對(duì)電機(jī)速度信號(hào)進(jìn)行PID算法控制，對(duì)多軸進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，對(duì)被控對(duì)象的各種傳感器信號(hào)和控制開(kāi)關(guān)等多個(gè)開(kāi)關(guān)量進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)，對(duì)DSP內(nèi)部存儲(chǔ)器中的加工程序進(jìn)行管理。可以從上位機(jī)接收單獨(dú)的動(dòng)作指令，并對(duì)上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息反饋，實(shí)現(xiàn)在自動(dòng)和手動(dòng)等多模式下運(yùn)作。系統(tǒng)的初始化在ACR-View設(shè)置的過(guò)程中完成，主要進(jìn)行控制卡參數(shù)的設(shè)置。系統(tǒng)的運(yùn)行有許多狀態(tài)需要實(shí)時(shí)監(jiān)控，這里利用timer定時(shí)器控件，在程序運(yùn)行時(shí)，計(jì)時(shí)器控件每隔一定時(shí)間間隔產(chǎn)生一次Timer事件，周期性的控制某些操作。

控制器提供可擦寫(xiě)存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)用戶常用的參數(shù)、變量及數(shù)組，因此在進(jìn)行調(diào)試工作之前必須對(duì)一些固定不變的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并且保存在可擦寫(xiě)存儲(chǔ)器中。這些參數(shù)包括電機(jī)類型設(shè)定、編碼器反饋方式、極限位置設(shè)定和扭矩極限設(shè)定等，參數(shù)設(shè)置界面如圖3所示。設(shè)定這些參數(shù)的目的是確保系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)飛車(chē)情況或者在出現(xiàn)異常情況的時(shí)候能夠保護(hù)系統(tǒng)。對(duì)于一些常常變化的參數(shù)，如PID參數(shù)、行程開(kāi)關(guān)極性、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)極性等，可以在調(diào)試過(guò)程中不斷進(jìn)行設(shè)置來(lái)達(dá)到最佳的控制效果。

圖3 參數(shù)設(shè)置界面

5、結(jié)束語(yǔ)

基于PCI總線的“PC+運(yùn)動(dòng)控制器+伺服電機(jī)”的數(shù)字化控制系統(tǒng)具有信息處理能力強(qiáng)、功能全面、高速、高精度、高可靠性、易擴(kuò)展升級(jí)及易實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互等優(yōu)勢(shì)，提高了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性，降低了成本，成效顯著。

編輯：jq