基于PC机与运动控制卡的多轴控制系统设计

基于PC机与运动控制卡的多轴控制系统设计
郭茂森;商嘉峰;裴茜
【摘要】本项目采用可靠稳定的硬件系统和软件系统,满足日常生产生活中多轴运动控制的需求.具体来说,本系统借助Visual Studio集成开发环境,搭建人机交互界面,并以运动控制卡为核心,控制驱动器和步进电机,最终实现了多轴的联动控制.【期刊名称】《黑龙江科技信息》
【年(卷),期】2019(000)004
【总页数】2页(P71-72)
【关键词】运动控制卡;上位机软件;驱动器;步进电机;联动控制
【作者】郭茂森;商嘉峰;裴茜
【作者单位】南京师范大学,江苏南京 210046;南京师范大学,江苏南京 210046;南京师范大学,江苏南京 210046
【正文语种】中文
【中图分类】TP273+.5
1 概述
本文设计了基于Trio Euro 408的多轴联动控制系统，该系统由支撑单元PC，控制单元运动控制卡和执行单元步进电机构成。

其中，运动控制卡将指令翻译成电脉冲信号输入到驱动器进行信号放大，驱动器根据电信号驱动各个步进电机按步距角旋转。

其软件系统基于visual studio开发平台，层次化构建各系统功能模块。

图1 系统结构框图
2 硬件系统
硬件系统包括运动控制部分、机械传动部分和文件存储部分。

运动控制部分包含运动控制卡和限位器，机械传动部分包含驱动器和步进电机。

2.1 运动控制部分
运动控制卡。

Euro408运动控制器基于高性能的ARM11处理器，有8个灵活的
轴端口和8个电压输出。

轴端口输出脉冲，可用于控制步进输出或伺服控制，同
时也可作为模拟量编码器输出。

当被配置为反馈时，轴端口可以是增量式编码器输入，或者是三个常用绝对值编码器SSI、Amagawa和Endat中的一种，任意带一个电压输出的反馈轴都可用于形成闭环伺服。

基于Motion Perfect应用软件，用户程序利用TrioBASIC语言进行编写，可令复杂的运动简单化。

没有连接到硬件
的轴都可用作虚拟轴使用，每个轴都可进行直线，圆弧，螺旋线和空间圆弧插补，以及电子凸轮，主从运动和电子齿轮等。

2.2 机械传动部分
2.2.1 步进电机。

本系统选用步进电机作为运动控制执行元件。

步进电机的工作原理：由环形分配器送来的脉冲信号，对定子绕组轮流进行通电，每换接一次，转子前进一个步距角β。

转子角位移的大小取决于控制电脉冲数量，转速高低决定电脉冲频率，而通电相序决定了转向。

其中，m=3，z是转子齿数，k是通电状态系数。

步进驱动器收到运动控制器Euro408的发出的脉冲信号后，按照其接收到的脉冲
信号的种类和大小，驱动步进电机向着已设定为正方向的基本方向系统做出相应的转动，即做出一个步距角。

它的旋转是按着固定的脚步运行的[2]。

2.2.2 步进驱动器。

驱动器实质是一种功率放大器，它能使步进电机运转，把控制器发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移[3]。

所以电机的转速会和脉冲的频率
成正比，通过控制PC端的输入数值，UNITS转换角因子和具体运动值数值的输
入，翻译到运动控制卡中，就可以实现运动控制卡的输出脉冲的频率值大小，进而做到步进驱动器接收到的脉冲数对角位移大小的转化，进行精确调速，调节了控制卡的脉冲数就可以进行精确定位。

步进电机的分辨率是由这款步电机驱动器的细分驱动技术决定。

增多了电机转子的旋转步数，减小了电机的步距角[4]。

图2 驱动器示意图
3 软件系统
系统功能模块可分为硬件初始化、参数设定、操作模式切换、动态调度算法实现、执行运动控制、状态监控等[5]。

程序设计流程如图3所示。

图3 程序流程图
图4 编程实例
3.1 下位机软件的连接
Euro408运动控制卡使用时，首先按以太网连接方式实现运动控制卡和PC机的连接，将运动控制卡和PC机用网线连接。

其中网线一端插在PC机的网线接口，另一段插在Euro408的以太网接口。

运动控制卡的说明书所示运动控制卡的以太网接口的通讯地址是“192.168.0.250”。

3.2 软件的初始化
首先试着对运动控制卡的每个轴做初始化操作，对每个轴作相应的参数的设置。

如图4就是一段简单的轴初始化程序，它可以根据REV_IN和FWD_IN指令分别判断出反向限位和正向限位的位置，然后根据DATUM_IN可以判断原点的位置，最后DATUM（）就是原点搜寻的一个指令，括号中的不同数字代表了不同的原点搜寻方式，具体可以参照指令表的DATUM指令。

BASE（0）；ATYPE=45；UNITS=400；SPEED=5；CREEP=2；ACCEL=200 DECEL=200 REV_IN=6；FWD_IN=4；DATUM_IN=5。

3.3 下位机编程实例
当连接好下位机和设置好各个轴的参数初始化之后，就可以通过下位机软件正式对轴驱动实现在打印平台上画图的实质功能。

如图4，给出一段实现在做完原点搜寻后进行画圆的程序。

BASE（0，1）：BASE指令用于导向下一个运动指令轴的参数读/写入特定轴或轴组，表示基于X、Y轴进行操作MOVECIRC指令插补2个垂直轴在圆弧中。

运动路径由5个因素决定。

此运动为从上一运动的结束点开始的增量运动。

轴1是当前的基本轴，轴2是基本轴队列的下一轴，前4个距离参数的单位是各自轴的当前单位转换因子units。

WAIT IDLE表示WAIT IDLE指令暂停执行程序直到基本轴完成当前或缓存中的运动。

WAIT IDLE一般工作在缺省基本轴，除AXIS定义临时基本轴。

4 结论
本系统应用广泛，可应用于三维打印技术。

随着三维打印技术的发展，三维打印设备在各个行业的应用越来越广泛。

以 PC机为平台，基于运动控制卡控制技术，结合 Windows开发环境，实现了多轴系统的联合控制完成三维空间内轨迹的动态插补运动，满足了多工位、多任务、多请求的系统目标，使系统具备极强的可移植性与开放性[6]。

本文对多轴运动控制系统进行了软件的开发，以及对于硬件系统的详细描述和使用分析，进行调试，最终得到令人满意的结果。

参考文献
【相关文献】
[1]柳叶青，邓振生，陈真诚等.基于运动控制卡的控制系统的设计与实现[J].控制系统，2010，26（4）：55-57.
[2]王盈.步进电机的细分驱动及动态性能仿真[D].大连：大连交通大学，2007.
[3]李忠杰，宁守信.步进电机应用技术[M].北京：机械工业出版社，1988.12：64-67.
[4]（美）John F.Wakerly著，林生，葛红，金京林译.数字设计原理与实现[M].北京：机械工业出版社，2007.
[5]张浩，唐敦兵，郑庆康，基于运动控制卡的多轴联动控制系统设计[D].南京：南京航空航天大学，2018.
[6]刘思捷．CANopen协议在伺服系统中的软件实现与植入研究[D].武汉：华中科技大学，2011．。