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。

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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

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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

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。