基于运动控制卡的转台控制系统设计

高群 马俊林

摘要：设计了一种转台运动控制系统。采用凌华PCI-8014A运动控制卡产生脉冲和方向等控制信号给伺服驱动器驱动伺服电机。采用VC++ 编写控制程序软件，通过调用运动控制卡的函数库，实现转台系统的转速，加减速的实时闭环控制，达到了良好的控制效果。

关键词：运动控制卡；伺服控制系统；VC++

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）06-0220-02

Designof Turntable Control System for DMD Based on Motion Control Card

GAO Qun， MA Jun-lin

（Research and Development Center for Opto-electronic， Changchun Institute of Optics ， Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences， Changchun 130033， China）

Abstract： A turntable motion control system is designed. The signals of pulse and direction are produced by the ADLINKs PCI-8134A motion control card and passed to the servo driver driving the servo motor. The control program software is writed by VC++. It realizedthe real time closed loop control of turntable systems speed ，acceleration and deceleration and achieved good control effect.

Key words： motion control card；servo control system；VC++

随着工业的迅速发展，生产制造领域的自动化程度越来越高，人们对数控系统的灵活性要求越来越高。传统的数字运动控制装置主要采用单片机配合外围电路、PLC等实现，运动功能单一，灵活性很差，适用于简单的运动控制，不便于系统集成，已经难以满足现代控制系统的控制需求[1-3]。而基于数字信号处理器的运动控制卡，具有运行速度快，可以实现复杂算法，可以满足对于响应速度和精度要求很高的运动控制系统中，因此得到广泛应用。基于DSP的运动控制卡一般采用32位PCI总线设计，与工业计算机即可组成一个完整的控制系统，实现信号的采集，闭环控制，IO控制等功能。

本文采用基于PCI总线的4轴运动控制卡实现转台伺服控制系统的设计。利用VS2008开发语言设计了系统控制软件，通过调用运动控制卡提供动态链接库中的运控函数实现所需的运动控制功能。

1 转台硬件系统设计

1.1 转台控制系统硬件组成

转台控制系统硬件组成如图1所示。主要由：工控机、运动控制卡、接口板、伺服驱动器、伺服电机、转台组成。工控机为研华IPC-610L，运动控制卡为凌华公司的PCI-8134A四轴运动控制卡，接口板为DIY-68Y-SGII0，伺服驱动器为安川SGDV-2R8A01B002000，伺服电机为安川SGMJV-04A3E6S。运动控制卡与工控机组成上位控制单元，工控机负责信息和数据交互管理。运动控制卡通过接口板与各路伺服驱动器相连，伺服驱动器采用位置控制模式，接收到脉冲控制信号驱动电机运转。同时，将电机同轴连接编码器的反馈信号回传给运动控制卡，最终实现转台的闭环控制。

1.2 运动控制卡

PCI-8134A是一款基于PCI总线的4轴运动控制卡，具有响应快、低功耗、通用性强等优点。用于实现转台系统的速度、位置的实时闭环控制[4]。具体使用的控制引脚如表一所示。所有引脚为光耦隔离。工控机通过专用通信接口给运动控制卡发送位置控制指令，主要包括位置脉冲信号和方向信号，运动控制卡按照指令要求，控制伺服驱动器驱动伺服电机按照规定的速度以及加减速度运行。同时接收原点信号、正/负限位等电平信号，以及伺服驱动器返回的编码器脉冲信号，以获得位置反馈信息，实现位置闭环控制。

1.3 伺服驱动器参数整定

为了节约空间和成本，在满足系统功能需求的前提下，转台与伺服电机输出轴直连。伺服驱动器内部采用位置、速度双闭环控制。原理框图如图2所示。由于系统的转动惯量较大，经测定转动惯量比为800%，为了保证转盘平稳的启停以及低速匀速稳定的运行，速度环增益与位置环增益取较小的值，速度积分时间常数也选择较小值。

2 控制系统软件设计

2.1 控制系统主要功能

1） 按固定角度正反向运行；

2） 用于周期测试的正反圆周运动；

3） 转台回原点初始化；

4） 系统急停；

5） 实时反馈当前角度值及各个IO口状态信息。

2.2 PCI-8134A函数功能库

PCI-8014A运动控制卡提供了Windows动态链接库，支持VC++/VB/Delfhi等编程语言。封装了丰富的运动控制相关函数，已满足各种设计需求。用户只需调用相应的运动控制函数就可以实现单轴独立、2轴线性插补、多轴独立等运动，以及其它一些系统设计所需要的操作函数。主要用到的函数如表2所示。

2.3 转台软件程序设计

本文采用VS2008开发环境，基于MFC面向对象程序设计编写控制程序。通过调用动态链接库中的函数实现所需运动控制功能。具体操作步骤如下：通过软件初始化打开运动控制卡，配置运动参数，如加减速度、IO口高低电平有效方式以及回零方式等参数；通过原点搜索找到转台机械原点；执行转台控制程序完成运动功能；通过软件界面实时反馈显示当前系统工作状态，包阔位置信息及IO状态等；根据需求最多可以实现四轴并行工作；最终运动结束关闭运动控制卡。软件的运动控制流程图如图3所示。

2.4 转台软件人机交互界面

软件主要实现3个转台的定值旋转控制以及按系统测试需求运转。在VS2008下创建基于对话框的MFC应用程序。程序编译运行后的主界面如图4所示。3个转台独立控制。通过_8134_set_servo（）函数给指定伺服电机上、下电。利用函数_8134_start_tr_move（）可以控制电机按照设定好的加减速度以及方向旋转固定角度。“Home”键调用_8134_home_move（）实现转台返回机械原点。待系统返回原点后，使能“Messure”键，让转台按照规划好的轨迹运行。点击“Stop”按键可以立即停止转台运动。设计定時器每100ms调用_8134_get_position（）、_8134_get_io_status（）、_8134_motion_done（）函数，返回伺服的位置、IO状态、是否到位等信息，将其显示在主界面上。“BIAS”按钮可以实现当前位置置零操作，已方便观察相对位移变化。

3 总结

本文采用运动控制卡+工控机模式，搭建了转台控制系统，通过实验调整伺服驱动器参数以保证转台平稳运行。在Windows平台上利用VC++编程语言开发了转台控制系统软件，实现3转台独立控制，达到了良好的控制效果满足了系统设计的需求。

参考文献：

[1] 付小卫，唐厚君.基于PCI型运动控制卡的Windows数控系统设计[J].工业控制计算机，2005，18（8）：69-70.

[2] 郑晓峰，方凯，黄迎华. 一种基于DSP和FPGA的多轴运动控制卡的设计[J]. 自动化与仪器仪表，2006（4）：18-20.

[3] 周惠芳，王迎旭. 基于PLC的步进电机定位控制系统设计[J].机电一体化，2013（4）：73-77.

[4] 凌华科技. PCI-8014/PCI-8014A四轴伺服/步进电机运动控制卡用户手册[Z].2012.