基于labview的运动控制系统的软件设计

第一章绪论
1.1课题来源以及研究的背景、目的和意义
1.1.1课题来源
本课题来源于某自动测试系统研究项目中的一部分，研究的硬件平台是一个四轴的运动执行机构，主要工作是设计出上位机软件和运动轨迹规划，要求软件具有易操作性、简单高效性、兼容性，实现运动执行机构的两个动子在X、Y两个方向上的协调运动快速精确的移动到指定的位置，误差范围控制在±3um内。

1.1.2课题研究的背景、目的和意义
随着科技的飞速进步和社会的快速发展，于20世纪末，运动控制开始快速发展，并成为了自动化技术的一个关键的分支。

现代文明社会以及和谐社会的标志之一便是生活质量及水平，运动控制技术的发展也同时推动并代表了生活质量及水平。

在现代工业中，运动控制涉及了极其广泛的领域，并迅速地向前推进着，已经涵盖了汽车、纺织机械、冶金机械、家用电器、工业机器人等领域[1]。

虽然运动控制发展的时间并不算悠久，但是运动控制技术的提高也随着制造业对于产品加工的要求的提高在不断地水涨船高。

这也就导致了运动控制技术非常迅速的发展开来，尤其在高科技技术的方面为其提供了极为广阔的发展空间及市场。

现如今，运动控制技术及系统的普及和应用在自我进步的途中，影响了更多的产业，并与微电子技术、传感器技术等技术的发展和科技的进步相辅相成。

与此同时，运动控制在工业化技术中，承担起了重大的任务，因此，对于此技术进行分析，不但能够更深一层次的了解它的理论，还可以更好的在实际生活当中运用。

总而言之，运动控制技术的发展与其相关的技术的发展是共同进退的，其发展空间是巨大的，其将会创造的价值是不可估量的。

运动控制技术正逐渐成为一门具有显著特点，广泛应用于工业、军事及商业等领域，能够产生巨大经济效益的高新技术。

1.2运动控制系统的发展和研究现状
人类对运动的控制可以追溯到我国古代用来指示方向的指南针，为中国的马均于公元235年研制的用齿轮传动、能自动指示方向的指南车模型。

指南车作为人类历史上第一架有稳定的机械结构，巧妙地运用了负反馈原理，非常类似于现在的恒值控制系统。

指南车的创造标志着中国古代在齿轮传动和离合器的应用上已取得很大成就。

此外，还陆续出现了如计里鼓车、水运仪象台等运动控制装置。

1769年瓦特发明的蒸汽机，推动了工业革命的进一步发展，将运动控制装置用于工业化生产。

而被世界所承认为第一个自动控制系统的是瓦特于1788年使用飞球调节器对蒸汽机运动速度控制的系统。

其实，在工业革命以后才真正的将运动控制装置运用到工业化生产当中。

早期的运动控制技术还是比较稚嫩的[2]，在各种运动装知道不断发明及更新之下，运动控制系统才慢慢的发展起来，这个过程是艰辛且漫长的。

最早的运动控制技术与现今的相比是有很大的不同的，它实际上是一种可以独立运行的控制器，它主要随着机器人技术等技术的发展而发展的。

这一类的控制器是可以独立运行的，并不需要另外的处理器及操作系统的支持，它主要是针对于专门的数控机械及其它的自动化设备而设计的[3]。

运动控制系统有三种传动方式，分别为电气传动（电力拖动）的运动控制系统、液压传动的运动控制系统以及气压传动的运动控制技术。

在电机发明之后，电力拖动的运动控制系统即电气传动运动控制系统也慢慢发展起来，从1821年后开始不断的发展。

相对于电气传动的运动控制系统，液压传动的运动控制系统的历史会显得悠久一些。

液压传动的历史已经有300年，是从17世纪中叶帕斯卡提出的静压的传递原理及18世纪末英国制成世界上第一台水压机来算起的，但是在19世纪才真正的运用在工业生产当中。

而气压传动的运动控制系统是在19世纪初期出现的，气压传动的运动控制系统是在1829年于工程上出现的多级空气压缩机为基础来实现的，这种多级空气压缩机为气压传动的发展创造了极其有利的发展条件。

很长的一段时间，这三种传动方式一直在相互配合，取长补短中不断的发展，并且形成了很多混合式的运动控制系统，这不得不得益于它们在现实工业及生活中的广泛应用。

以上提过，早期的运动控制技术，可以独立运行，并完成运动控制功能、人机交互
的功能和工艺技术要求的功能等。

这种早期的运动控制技术，一般早已设计好了功能，用户只需要很简便的操作，就可以是控制器完成相关的动作。

但是，其缺点也是不容忽视的，这种控制器不能够跨行应用，只能在制定的行业中运用。

针对于这种缺点，运动控制技术的提高便被提上了不可或缺的日程，它的发展则成为了市场的必然需求，对于它的研究发展也成为了各国自助研究的重中之重。

美国于1987年开始了由国家组织的对开放式运动控制系统的研究，并成功的取得了很多的研究成果。

经过对运动控制系统的长时间研究，研究人员们提出了一个名为“OMAC APT”的规范，使很多在这方面研究的项目都有效的进行[4]。

在强劲的市场需求的推动下，在1900年，世界上的很多发达国家（如美国）进入了快速发展的阶段[5]。

当前，随着控制理论的不断的发展及其在各产业领域的广泛应用，新型的控制方法及手段被不断的推出[6]，且已经被越来越多的应用在运动控制系统个个方面，使其达到了一个备受瞩目的市场规模[7]。

与此同时，运动控制理论和各种运动控制系统形成两性的循环趋势，相辅相成，互相促进，由此可以预见，在不远的将来，运动控制系统的发展必将会日新月异，臻于至善。

1.3本文主要研究内容
本课题的研究内容是一个四轴运动控制的实验平台，选择了“PC机+运动控制卡”的运动控制方式，本系统基于图形化编程语言LabVIEW2011为软件的开发平台，通过CLF节点调用PCI-4P运动控制卡提供的MCCLPCI_50.dll编写了与LabVIEW兼容的驱动程序，在Windows XP操作系统上对PCI-4P控制卡进行二次开发。

该课题的任务是通过软件来控制实验平台完成直线、点对点、圆运动等。

在计算机控制下可以同时协调运动进行测量显示，通过Get函数读取实时坐标完成误差的插补，实现运动时对电机的精确闭环控制。

本论文的主要内容有:
（1）查阅大量相关资料，充分了解目前运动控制系统的发展现状和应用前景，并对其关键技术和特点进行了研究，建立了课题实际研究工作的理论基础和环境。

（2）学习掌握多轴运动控制实验平台的机械结构以及运动控制过程，为该运动控
制软件的研究和开发奠定了基础。

（3）研究了典型的运动控制系统硬件总体方案，从而得出本系统采用的硬件系统设计方案，选择了“PC机+运动控制卡”的控制方案。

然后根据用户要求选择了电机和驱动器及运动控制卡，学习并掌握了运动控制卡的参数库参考手册和用户使用手册，包括它的参数和运动指令还有运动程序。

掌握了利用PCI-4P运动控制卡开发运动控制系统的方法。

（4）经过分析比较选择了LabVIEW作为开发软件，并介绍了它的编程环境设计步骤和运动控制，详细介绍了动态链接库的调用步骤，为以后编写运动控制程序打好了基础。

（5）在Windows XP操作系统上，利用LabVIEW2011软件研究和设计了运动控制上位机控制软件，包括用户界面、参数设置模块、运动控制模块、图形和坐标显示模块、归位模块、报表生成模，并介绍了各个模块的功能以及具体的实现步骤。

（6）对初步设计完成的运动控制系统软件进行测试，比如初始化系统是否成功，能够实现多种运动形式，是否按指定的运动轨迹运动，且满足精度的要求。

1.4本章小结
本章首先介绍了运动控制技术研究的背景、目的、及意义，然后重点描述了国内外运动控制技术的发展现状和研究现状，最后对整个软件设计的过程进行了详细的介绍。

第二章运动控制系统的基本理论及硬件搭建
2.1运动控制系统的概念以及组成
2.1.1运动控制系统的概念
运动控制系统作为为自动控制系统的分支之一，主要对各种运动的设备以及装置进行控制。

简单来说，运动控制会在复杂的条件下，对机械运动部件的位置、速度的控制方案或者指令呈现为预期的机械运动，具体表现为预期的运动轨迹和规定的运动参数。

运动控制系统具有一定的动态性以及实时性，一般是以电动机作为控制对象的，并针对其速度、姿态和位移来进行[8]。

运动控制系统通常以控制器作为核心，执行机构为电力电子、功率变换装置。

运动控制现在被广泛应用在工业当中，如包装、纺织、印刷和装配等。

2.1.2运动控制系统的组成
一个完整的运动控制系统就好比一个完整的人体，任何组件都不可以缺少，大概分为硬件和控制软件如图2.1所示。

细细分来，完整的运动控制系统是有许多种类的，一个典型的运动控制系统的构成部分如下图所示。

其中运动控制器像人类的大脑一般，发布着各种运动指令，而作为人类血液的是控制软件，但是软件是需要依赖于硬件的。

除此之外，电动机和驱动器是人体的肌肉，它为系统的运行提供了动力，使系统能健康的运行。

眼睛是我们必不可少的一部分，反馈装置就充当了这个器官的作用，它会把电动机的位置和结果反馈至控制器，使其向着正确的结果下达指令[9]。

图2.1典型运动控制系统构成图
2.2运动控制原理
运动控制是指将预定的控制方案和控制指令转变为期望的机械运动，以实现执行机构精确的位置控制、速度控制和加速度控制等[10]。

对于多轴运动控制系统来说，为实现执行机构不同方位和速度的运动，必须同时控制多个轴的相互联动。

所谓多轴联动是指在运动平台上的多个坐标轴上进行多轴协同作业，以实现期望的控制要求。

定位精度是衡量一个运动控制系统好坏的关键指标之一，而影响定位精度的因素有很多，比如负载、摩擦、扰动等，因此为实现高精度的定位控制，必须对控制系统所选的定位装置有很高的要求，定位装置的精度很大程度上决定了该套系统的定位精度[11]。

结合本文所研究的平面电机运动控制系统，其定位精度的高低基本由所选的平面电机LMSP的性能特点来决定。

当然，系统所选择的运动控制器、驱动器、外围设备以及控制方法、速度和加速度大小等也会直接影响到系统的定位精度。

2.3运动控制系统的分类
1.按照伺服控制方式分类
运动控制系统根据控制方式分类为三类分别为：开环控制系统、半闭环控制系统和全闭环控制系统。

（1）开环控制系统：此类系统为数字式运动控制并且应用最为广泛，通常都会采用步进电动机。

开环控制系统其优点是结构简单，系统的成本低，操作方便等，开环控制系统发出的指令是单向的，操作人员接通机器电源、按下工作按钮后，运动控制器根据自身的自动加工程序向电动机驱动器发送脉冲P指令，驱动器采集指令脉冲的频率、脉冲数，并对控制信号进行功率放大，通过调节步进电机线圈的电流i从而控制步进电机的运动，步进电机将电流信号转换为机械运动，输出相应的转速和转角α，传动机构将电动机输出的转角信号转换为运动平台的位移量如图2.2所示，故不存在稳定性问题。

其缺点是平台真正的运动情况没有反馈到运动控制器，机械传动误差不经过反馈校正，位置控制精度不高[12]。

图2.2开环控制系统
（2）半闭环控制系统：此类系统也为数字式系统，比开环控制系统的控制精度高，成本也有所提高，参数设置也相对复杂，这种系统中的电动机都配有旋转编码器如图2.3所示，它将电动机输出的转速、转角信号反馈到电动机驱动器中，在电动机驱动器闭环控制下，可以确保电动机输出的转角位置十分精确。

目前交流伺服电动机、直流伺服电动机，以及部分步进电动机都配有旋转编码器，其驱动器都具有位置闭环控制功能。

对系统造成的误差，电机驱动器和运动控制器都不能进行补偿。

图2.3半闭环控制系统
（3）全闭环控制系统：此类系统不仅有数字式闭环控制系统、更多的为模拟式系统。

优点是静态定位精度高，缺点是系统设计和调整复杂，稳定性不高。

在全闭环控制系统的运动平台上采用光栅尺等检测元件直接对被控机械平台的实际位置，并反馈给运动控制器[13]。

控制器对传动机构、运动平台和负载产生的各种误差产生的反馈信号随时调整发送给电动机驱动器，使其立即得到补偿，这样运动控制平台的误差一直控制在误差精度范围内。

这样就消除了系统误差，是对半闭环控制系统的改进。

如图2.4所示。

图2.4闭环控制系统
2.按结构分类
运动控制系统按结构分类可以分为三类：集中控制系统、分布控制系统和现场总线控制。

（1）集中控制系统：集中控制系统（Concentrated Control System，CCS）是第一代计算机控制系统如图2.5所示。

其优点是结构简单，缺点是可靠性较低，当控制对象多时，实时性也不好，由于计算机直接面向对象，如果其中一个环节发生故障，整个系统将会瘫痪，但数字计算机取代了传统的模拟仪表，使控制系统发生了质的飞越。

图2.5计算机集中控制系统
（2）分布控制系统：分布控制系统（Distributed control system，DCS）它的优点集中管理，分散控制使得系统的可靠性提高，局部的故障也不会造成系统的瘫痪酿成重大损失。

它一般分为三层：工作站层（监督管理）、控制层（完成系统的基本控制功能）、设备层[14]。

由于分布控制系统为多级主从结构，底层单元之间进行信息交流如图2.6所示。

图2.6计算机分布控制系统
（3）现场总线控制系统：随着计算机网络技术的飞速发展，基于以太网通信的现场总线控制系统（Fieldbus control system，FCS）应用而生，它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术、智能仪表技术等多种技术手段，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数模信号控制的局部性，构成一种全分散、全数字化、智能化、双向、互连、多节点的通信与控制系统。

如图2.7所示。

图2.7现场总线控制系统结构
采用现场总线控制系统可以方便地实现大型、复杂设备的控制，尤其是自动生产线的控制，更离不开现场总线控制系统。

由图可以看出，现场总线控制系统分为以下三个层次。

第一层为信息层。

由工作站、监控终端、数据库等组成。

该层运行CAD、CAM、PMC等设计、管理软件，生成图纸、加工程序、生产计划等信息，并通过工业以太网将信息下达至控制层，同时监视生产加工过程、存储加工信息[15]。

第二层为控制层。

由各种运动控制器组成。

该层中的运动控制器运行各自的应用程序，接受信息层的控制指令，通过现场总线和其它控制器交互信息，并通过现场总线协调统一地控制下一层的各种执行元件有序地动作。

而且，运动控制器通过现场总线向总线型电动机驱动器发送的运动指令不再是脉冲信号，而是数字信号。

这样使控制器与驱动器之间的配线变得非常简单。

第三层为设备层。

由执行元件、运动平台和传感器组成。

各种执行元件在控制层的控制下，驱动各种运动平台完成各种加工动作，各种传感器将设备的状态反馈至控制层。

3.按专业分类
运功控制系统按专业分类可分为机械系统、硬件系统（也称电气系统）和软件系统
三个子系统。

（1）机械系统:机械系统（mechanics）由平台、导轨、丝杠、同步带、减速器、轴及轴承座、联轴器、电动机、气缸、液压缸等零部件组成，将电动机的旋转运动、气缸或液压缸的往复运动通过各种机构转换为各种特殊要求的动作。

机械系统由机械工程师进行设计、选型、加工、组装和调试等。

（2）硬件系统:硬件系统（hardware）由计算机、运动控制器、电动机及驱动器、电源、电磁阀、继电器、接口电路、传感器、人机界面、开关按键等电气元件组成，通过计算机和运动控制器执行应用软件，控制电动机、气缸或液压缸等元件运动，并通过传感器、开关等元件检测机械系统的状态并反馈至运动控制器。

硬件系统一般由电气工程师、电子工程师进行设计、选型、组装和调试等。

（3）软件系统:软件系统（software）由运动控制器或计算机中的操作系统、硬件驱动程序、运动控制器底层软件、运动控制指令集、运动控制专用函数库、用户应用程序等组成。

对用户而言，只需要软件工程师使用运动控制指令集或专用函数库，使用专用软件或Visual BASIC、Visual C++等软件编写自己的应用程序，实现对硬件系统和机械系统的控制[16]。

2.4运动控制器
如果把运动控制系统比作一个人，那么运动控制器就是运动控制器的大脑，是它的灵魂。

其主要任务是：产生控制命令，并使系统输出信号跟随参考位置。

选择原则满足开放性（具有维护、扩展方便的特点）、可扩展性、可互换性和可移植性（使开发使用简单）[17]。

常见的运动控制器主要有：PLC（可编程逻辑控制器）、独立式运动控制器、运动控制卡、专用运动控制器等，它们的特点如下。

1.PLC
对开关量进行逻辑控制是PLC的主要功能，除此之外，它还具备着简单的运动控制、数据处理、运算等功能。

当进行单轴点到点定位以及速率这些简单的运动控制应用时，最理想的选择便是PLC的控制器。

在PLC发挥其功能时，往往采用的人机界面是
触摸屏。

PLC的运动控制功能虽然相对来说比较简单，但是其具有的工作可靠、编程简单的有点是无可厚非的，且其控制器现在还可以提供软件工具，大大简化了编程、日志和报警管理，为了减少系统的尺寸和费用还可以通过直接给现有PLC增加运动模块。

2.独立式运动控制器
独立式运动控制器控制电动机运动能力相比PLC强大，它一般是包含着显示屏、按键以及功能完善的控制指令不仅如此，它还具有各种的通信接口。

独立式运动控制器提供应用解决方案的能力也很强大，不论是小型单轴机器，还是通过分布式网络构建的大型机器，它都可以为其提供解决方案。

不仅如此，独立式运动控制器同样具有编程简单的优点，可完成直线插补、轨迹控制、圆弧插补等功能。

3.PCI总线型运动控制卡
基于PC机的运动控制卡随着工业计算机的出现后慢慢出现，其采用VB、VC等软件编写程序时功能十分强大，这是基于其运算速度快，且存储量巨大的优点上的，同样，也离不开Windows系统丰富的软件资源。

每一种运动控制器都有其特有的特点，运动控制卡也不例外，它具有两个比较显著的特点，其一为以上所提的编写程序功能十分强大，其二为使用运动控制卡便于运动控制器轴数扩展。

运动控制卡在具备其特点的同时，也具有工作稳定性、可靠性差的缺点。

4.专用运动控制器
专用运动控制器是针对特定的设备专门设计的运动控制器，如绣花机控制器、缝纫机控制器、喷绘机控制器等。

专用运动控制器通常以单片机、ARM等芯片为核心设计，其集成度高、价格便宜、使用方便，软件是为专用设备特殊设计的，客户可直接使用。

其硬件、软件的设计都充分考虑了专用设备的工艺要求[18]。

从以上描述可以看出，“PC机+运动控制卡”构成多轴运动控制器的控制方案更具优势，所以本系统采用“PC机+运动控制卡”的控制模式设计多轴运动控制系统。

2.5运动控制系统硬件的搭建
2.5.1硬件总体系统设计方案
本文研究的硬件平台是一个四轴的运动执行机构，主要工作是为了精确控制移动的位置。

这个位置的移动是平面运动，也就是X、Y两个坐标方向的运动。

通过两个方向的协调运动使动子快速精确的移动到指定的位置。

其设计方案如下图2.8所示，运动控制卡与PC之间采用PCI总线的方式进行通讯，运动控制卡与电机驱动器及外部信号使用运动卡转化平台连接，本系统可以使用伺服电机主要应用在需要精确位置控制的开闭环控制系统中。

图2.8系统方案设计图
2.5.2电机的选择
为了达到宽广而平滑的调速范围、具有快速的响应速度、具有较硬的机械特性和调节特性，本文要选择的电机是台湾HIWIN公司生产的双动子直线伺服平面电机（Linear Servo Planar Motor，LMSP）,它是一个内置位置传感器的平面电机。

HIWIN的LMSP 不同于传统的平面步进电机，在高速运动下伺服电机的推力远大于步进电机的。

此外，LMSP还有很多引人注目的功能，如偏航控制，自动校准，自动归位，误差补偿等。

双动子LMSP由一个齿状结构的平面定子和两个带位置传感器的动子组成，如图2.9所示为该平面电机的实物图。

多个动子可用于重复的运动路径，但需要更多的驱动器相对应。

在LMSP动子中有4个电磁模块，每个模块均由2相电流驱动，即A相和B相，并通过产生磁阻力驱动动子到达一个平衡点[19]。

LMSP动子具有X1、X2、Y三个类比式位置传感器，X轴具有双传感器（X1和X2传感器成中心对称分布）以控制旋转角度不偏，用来报告动子X方向的更新位置，Y轴位置传感器用来报告动子Y方向的更新位置。

LSPM是将电能直接转换成二维平面平移运动的机械能，无需引入机械转换或传动机构，且运动平面保持在同一高度的执行装置。

平面电机具有结构简单、控制精度高、速度高和稳定性强等特点，故常被应用于高精度控制领域中。

LMSP不同于传统的平面步进电机，它采用独特的气浮结构，使其运动摩擦力接近于0，且在高速运动下LMSP 的推力远大于步进电机的。

LMSP最大推力75N，最大速度0.9m/s，X、Y工作平台精度±5um，位置传感器分辨率1um。

LMSP平面电机主规格为：定子面积：600×600mm，动子尺寸：154×184mm。

图2.9平面电机实物图
LMSP为线性步进2相马达搭配位置回馈系统所构成的双轴伺服系统。

驱动时搭配LMDX控制驱动器使用。

马达要正常动作前会先实施对齿；此马达可以开回路，也可以闭环路驱动，LMDX控制驱动器具有脉冲模式（STEP/DIR模式）及独立作业模式[20]。