基于运动控制卡的多轴联动控制系统设计

基于运动控制卡的多轴联动控制系统设
计
摘要：在QT集成开发环境下，基于RT Linux平台，通过PC机以及运动控
制卡主从式控制结构，设计多轴联动控制系统，满足动态调度多任务请求的同时，从该系统的硬件、软件控制系统设计入手，实现并验证该系统多轴联动的任意轨
迹插补运动可靠稳定性。

关键词:运动控制卡；多轴联动；开放式控制系统
引言：伺服电机由于长期使用脉冲控制方式，影响系统兼容稳定性，因此需
采用总线型伺服电机作为动力装置。

在本文中，借助QT开发平台，设计开放式
多轴联动控制系统，结合EtherCAT 工业现场总线，并采用高稳定性的工控机、
高速高精多轴运动控制卡、总线型伺服电机，构建开放式模块体系结构平台，以
满足调度多目标、多工位的应用需求。

一、硬件控制系统设计
硬件控制系统整体结构具有较强的拓展性，可以满足系统模块化设计要求，
对于硬件控制系统结构的分析需要从PC 机、运动控制卡、伺服系统、反馈类传
感器等部件入手：
首先，PC 机作为系统的管理层，其主要功能包含以下几点：第一，建立HMI
交互界面；第二，规划加工路径，产生加工程序，优化路径以及速度规划；第三，和运动控制卡之间做高速数据交互；第四，PC 机还具有监控以及管理功能，实
时关注多轴联动系统运行动态，并加强对交互界面的管理。

其次，本文当中运动控制卡主要选取HUST品牌的A6E总线型运动控制卡
A6EC-6型。

该运动控制卡独立于PC之外不依赖PC的稳定性，这使得控制耦合度
大幅度降低。

不仅能够容纳大量的数据，同时也可以产生较高的总线传输效率。

运动控制卡当中的微处理器，可以将参数整合，形成高速位置指令，通过EtherCAT总线与伺服系统远程拓展模块进行连接，从而能够同步驱动和控制多颗
伺服电机，提升运动控制卡构件系统整合能力。

再次，硬件控制系统结构当中的伺服电机系统主要功能为通过位置控制方式
接收电机编码器位置反馈信号，从而根据信号实时调节运动控制参数，构建封闭
的循环控制系统，准确寻找多轴联动位置和方向。

控制系统结构图
二、软件控制系统设计
（一）控制系统功能要求
终端应用对控制系统的功能性要求，主要有以下几点：第一，完成六轴联动，严格控制x、y、z、a、b、c轴，满足插补运动以不同运动轨迹形态在三维空间
内的活动要求；第二，需要注意的是，无论何种工况，控制系统都必须能够返回
原点；第三，控制系统需要选取最优路径，以此来响应多任务、多目标动态调度
请求；第四，软件控制系统需要同时具备手动调控以及现场监控的功能。

（二）控制系统程序实现
在本文当中，借助QT平台以及运动控制卡所设计的软件系统，具有模块化
的特性，并且集数据收集整理、调试等功能为一体，主要分为硬件初始化、参数
设定、动态调度、加减速控制、运动指令解码、算法实现、状态监控操作模式切
换等不同系统功能模块。

1.控制系统硬件初始化
运动控制卡、通信总线等作为系统程序的主要硬件设备，为了达到系统控制要求，需对其进行初始化操作。

而其中关于运动控制卡的初始化操作需要借助动态函数，运用适配运动控制卡号作用于伺服系统寄存器，完成初始化操作过程。

2.运动控制
电机运动控制流程为：PC下达控制指令至运动控制卡，EtherCAT总线通讯驱动并操作寄存器，完成控制过程。

同时在三维空间内，为了方便终端机构进行连续的任意轨迹运动，需要采用单轴运动控制点位运动和连续轨迹运动，控制S －Curve 曲线与T－Curve曲线加减速度，以此来达成控制三轴线性插补运动、三轴螺旋插补运动、二周圆弧插补运动等操作的控制。

3.全闭环控制方法实现
实现全闭环控制方法需要采用PID算法，并根据加速度前馈增益、低通滤波器特性。

借助扰动观察器等相关设备，实施调节比例、积分微分等相关环节，实现双环PID调节控制过程。

需要注意的是，为了规避积分饱和问题，用户可以在PID算法的帮助下通过操作寄存器参数，以此来进行增益切换。

加快系统的响应速度，并且通过所增加的前馈环节，补偿系统相差和增益，改造系统控制极点，以此来对控制系统进行实时的追踪。

闭环控制器所具有的鲁棒性以及抗干扰抑制能力。

，可以抵消系统多轴联动高低频振荡问题。

其扰动抵销过程为：输出对象在采集系统当中，转换为理论输入，通过比对理论输入和实际输入变量，获得扰动量传输至输出对象，完成抵消过程。

4.HMI用户软件设计
调控硬件系统组件需要借助多轴联动系统控制界面平台，输出指令并进行远程操作。

通过后台驱动器实时监测系统运行概况，从而能够有效的匹配界面设计和模块化功能程序。

单轴联动系统控制界面共分为六大功能窗口区块。

其区块的主要功能和优势
有以下几点：
第一，区块与运动控制卡以及伺服单元有着密切的关联，恢复运动控制卡的
初始化状态，在伺服系统当中设置查找、选择等功能，都与区块有着直接的连接；第二，转变伺服电动机操作模式，需要依靠区块查找并匹配适宜的动态函数来进
行控制；第三，系统初始速度参数、时间参数、速度运动参数等都需要通过区块
发布运动指令来获取；第四，在RESET按钮指令的帮助下，区块不仅可以重设系
统命令，同时也能够实时监测伺服电机运行概况。

多轴联动界面主要分为七大功能窗口区块。

其与单轴联动功能不同的是，多
轴联动可以精准的把握单轴运动，并且自身所富有的功能界面也要高于单轴联动
界面。

两者的相似之处在于初始化运动控制卡、设置运动参数、监测电机运行等。

多轴联动控制系统的操作流程为：运动控制卡接收PC机所发出的运动指令，并将指令传输至伺服电动机，从而进行线性模组移动，最终得到的定位信息主要来自于光栅尺位置以及伺服电机编码器反馈信息。

为此在本文当中，针对目标位置加
速度、运行速度等设置不同的参数并进行实验，得出最终反映各种高速动态响应
的实验数据，包含0.5米的正反向误差、58 μm以及15.6μm的重复定位和综合
定位精度、10μs的三轴联动响应速度。

经过比对可以发现，多轴高速联动定位
得以更加精确，可以放心的应对多工位复杂动态调度需求。

三、结论
综上所述，借助windows开发环境以及QT平台，并且通过使用C以及C++编
程语言读取运动控制卡动态函数库数据，在多伺服电机的协调控制下研制出多轴
联动试验平台界面。

在本文中所设计的多轴联动控制系统，可以控制单轴速度、
二轴线性以及三轴线性插补运动，同时还能够借助该系统更加方便的显示伺服电
机运动轨迹，设置运动参数。

经过最终的实验，验证该系统具有足够的可靠稳定性。

参考文献：
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