基于運動控制卡的多軸聯動控制系統設計

張浩，唐敦兵，鄭慶康

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

伺服電機常見的控制方式多為單片機控制、DSP控制、ARM控制以及PLC控制等。這些控制方式的實現較為復雜，需從底層開發做起，配線復雜，開發周期長。而通訊運動控制的方式可以避免傳統脈沖控制方式帶來的系統兼容性和穩定性問題。設計的多自由度煤樣抓取系統作為機電一體化設備，其控制核心在于多軸聯動插補運動。本文設計了基于運動控制卡的開放式多軸聯動控制系統，其核心技術在于開放式模塊體系結構平臺與多軸運動伺服控制系統[1]。控制系統的整體架構以PC機為支撐單元，以運動控制卡為控制單元，以伺服電機為執行單元。采用DMCNET通訊控制的方式，實現多軸高速聯動，以滿足多工位、多任務、多目標的機械手動態調度需求。基于Microsoft Visual Studio開發平臺，層次化構建各系統功能模塊，開發了軟件系統。

1 硬件控制系統設計

硬件控制系統主要包含PC機、運動控制卡、伺服系統以及各類反饋傳感器。控制系統硬件架構如圖1所示，該架構易于保證系統進行模塊化和開放式設計，增強系統的擴展性。

圖1 控制系統結構圖

PC機是系統的上位機管理層，負責搭建系統數據庫，系統的控制指令以及數據信息均需經過數據庫進行存儲與處理。用于內嵌PID控制算法實時處理運動數據信息，通過建立PC機與運動控制卡間的通訊，精確調整電機轉速，完成機械手終端的路徑規劃。此外PC機還用于機交互界面的管理以及多軸聯動系統的監控。

運動控制卡通過PCI插槽內嵌在PC機中，系統采用PCI總線型運動控制卡-PCI-DMC-B01。PCI總線傳輸效率高，支持即插即用，數據吞吐量大。運動控制卡實現運動模式切換、參數調節、路徑監測等細節操作。多伺服電機的協同控制基于運動控制卡的微處理器(DSP)，其共享多伺服電機的參數數據。程序設計過程中通過調用運動控制卡的動態函數庫，整合處理關聯參數，生成高速脈沖指令，實現多電機同步驅動。設計運動控制卡通過DMC-NET總線高速連接伺服系統以及遠程擴展模塊，該架構大大提升了系統的整合能力。

伺服電機控制方式采用的是位置(PR)控制，脈沖輸出模式采用CW/CCW方式。伺服驅動器通過讀取數據緩沖區的通訊指令，實現對工作電機運轉參數的實時調節。伺服驅動器通過采集電機編碼器以及光柵尺的位置反饋信號，校正電機的運動控制參數，構成全閉環控制系統，實現多軸聯動的精準定位[2]。此外控制系統還包括限位、故障、報警以及原點信號等電路。

2 軟件控制系統設計

2.1 控制系統功能要求

針對終端機械手的具體功能，控制系統需滿足以下4點要求：

1) 控制系統能夠實現四軸聯動，完成三維空間任意軌跡的插補運動，重點介紹x、y、z軸的協調控制。

2) 控制系統能夠實現任意工況下的回原點操作。

3) 控制系統能夠快速響應多工位、多任務、多目標的動態請求，以最優路徑完成動態調度。

4) 控制系統能夠實現現場監控與手動調控功能。

2.2 控制系統程序實現

PCI-DMC-B01運動控制卡封裝動態函數庫，支持Windows環境下的實時系統開發。依托VS平臺，設計軟件系統，主要實現系統數據處理、界面顯示、手動調試等功能的模塊化集成。軟件系統開發總體思路采用模塊化設計，各模塊對應既定的功能集成[3]。

系統功能模塊可分為硬件初始化、參數設定、操作模式切換、動態調度算法實現、執行運動控制、狀態監控等。程序設計流程如圖2所示。

圖2 系統程序設計流程圖

1) 控制系統硬件初始化

系統程序設計的第一步是實現對運動控制卡及通訊總線等硬件設備的初始化，主要函數見表1。

表1 初始化函數

通過調用動態函數庫中的相關函數，指定運動控制卡適配卡號，可實現運動控制卡的初始化操作，將所有寄存器恢復為默認狀態。

2) 運動控制

采用DMCNET通訊控制的方式，上位機管理系統下達控制指令，運動控制卡通過DMC-NET通訊方式操作伺服驅動器寄存器，實現電機運動控制。系統中多軸插補軌跡的實現是基于單軸運動控制，單軸可完成點位運動和連續軌跡運動。電機可實現S-Curve曲線與T-Curve曲線方式加減速，運動過程中可實現速度、位置以及轉矩調節。最終實現系統三軸線性插補運動控制、二軸圓弧插補運動控制以及三軸螺旋插補運動控制等操作，完成終端機械手三維空間任意軌跡的連續運動。

3) 全閉環控制方法實現

針對終端機械手定位精準、運動平穩的控制要求，結合經典PID算法，本文PID算法結合速度與加速度前饋增益以及前饋低通濾波器的特點，提出雙環PID調節控制的方法，并采用擾動觀察器來抑制低頻擾動，調節比例、積分、微分3個環節來實現對系統的控制。控制算法框圖如圖3所示。

圖3 PCI-DMC-B01控制算法框圖

本文PID算法允許用戶通過操作寄存器參數來實現增益切換功能，決定積分環節是否發揮作用，避免積分飽和現象。由于終端機械手的運動軌跡前期已離線規劃完成，因此在連續運動狀態下，可獲得前饋信號的各階導數與超前量，從而實現對控制系統的極點進行前期改造。通過設置速度和加速度前饋增益，可提升系統動態響應速度，減小跟隨誤差[4]。此外前饋環節的增加還可以實現對系統的相差和增益進行補償，實現控制系統的完全追蹤。

為消除多軸聯動過程中的高低頻震蕩現象，系統增加了閉環控制器。核心點在于該控制器的魯棒性以及針對不確定擾動的抑制能力。通過采集系統的輸出對象，經逆變換后作為系統的理論輸入，與實際輸入變量做比較，得到系統的擾動量，然后將擾動補償給輸出對象，即可抵消擾動的影響。通過逐步增大比例增益Kp，直至電機出現微震跡象。再降低Kp，增大Kd，降低系統超調量，實現系統參數整定操作。在電機運行過程中，可通過設置驅動器相對應的參數，選擇電機加減速方式，該控制系統實現電機參照T-Curve和S-Curve速度剖面下的相對于絕對坐標進行加減速操作，具體實現us層級的速度快速響應變化。

4) Windows用戶軟件設計

基于VS開發平臺，進行多軸聯動系統控制界面設計，可實現啟動多線程操作，運動指令手動設置，驅動器狀態監測等功能。界面設計與模塊化功能程序相匹配，可以有效調控硬件系統組件。本文對主要界面進行簡要介紹。

圖5為單軸操作接口界面，窗口區分為6大功能區塊。① 區塊實現運動控制卡的檢索與初始化，伺服擴展單元的查找、選擇、站號設置等功能。② 區塊通過調用相對應的動態函數庫函數，實現伺服電機操作模式的切換。函數的具體定義如表2所示。③ 區塊用于設置運動指令，包含初始速度、最大速度、運動行程、加速時間等參數，實現伺服電機不同運動狀態的調節。④ 區塊通過獲取命令數值、反饋值、速度值、運動狀態等參數，實現對伺服電機運動的監測。此外，可通過Reset按鈕執行重置命令。⑤ 區塊實現伺服電機運動速度與位置置換操作。⑥ 區塊主要用于執行運動指令為正轉、反轉與停止等操作。

圖5 單軸運動控制界面

表2 運動模式函數

圖6為多軸聯動操作界面，窗口區分為7大功能區塊。多軸聯動功能的實現基于單軸運動的精確控制，后者的功能界面也是前者的高度集成。兩者的界面形式存在諸多相同點，諸如運動控制卡的初始化、運動參數的設置與監測以及運動指令的執行等操作。差異性體現在以下幾點：

1) 增添了二軸、三軸線性插補，三軸螺旋插補、二軸圓弧、螺旋插補等運動模式。

2) 增添了圓弧中心坐標、螺旋高度、z軸深度等參數設置。

3) 實現了多軸協調控制，完成了多軸聯動操作。

通過點擊⑤區塊的命令執行按鈕，即可實現多軸聯動操作。

圖6 多軸聯動控制界面

結合現有三坐標實驗平臺，進行多軸聯動控制系統的現場聯調。PC機通過運動控制卡發出運動指令，伺服電機帶動線性模組移動。通過光柵尺反饋位置以及伺服電機編碼器反饋信息獲取定位信息。通過多次實驗，設定不同的目標位置、運行速度、加速度等參數。經過數據處理，得到結果為各軸高速動態響應：正反向誤差：0.5 m；重復定位精度：58 μm；綜合定位精度：15.6 μm；三軸聯動響應時間10 μs內。

該測試結果與傳統的控制器加配線的方式相比，定位精度都有所提高，實現了多軸的高速聯動，滿足了多工位的復雜動態調度請求。

3 結語

以PC機為平臺，基于運動控制卡的通訊控制技術，結合Windows開發環境，在VS平臺上開發上位機管理軟件，實現了多伺服電機的協調控制，使終端機械手能夠完成三維空間內任意軌跡的動態插補運動，滿足了多工位、多任務、多請求的系統目標，使系統具備極強的可移植性與開放性[5]。

利用PCI-DMC-B01運動控制卡提供的動態函數庫，采用C#編程語言編制多軸聯動的實驗平臺界面。該界面實現了單軸速度、位置運動控制，二軸線性以及圓弧插補運動控制，三軸線性、螺旋插補運動控制。在該界面上，可方便設置、監測多伺服電機的運動參數，實現運動軌跡顯示功能。最終結合四自由度煤樣抓取實驗平臺，充分驗證了該控制系統的可靠性與穩定性。

[1] 江小玲，舒志兵. 基于CAN總線多軸伺服電機的同步控制[J]. 機床與液壓，2012,40(8)：120-122.

[2] 劉洋. 永磁同步電機伺服系統實用技術的研究 [D]. 南京：南京航空航天大學，2010: 20-36.

[3] 張劍，殷蘇民. 基于運動控制卡的開放式數控系統研制[J]. 機床與液壓，2003(3)：171-175.

[4] 魯文其，胡旭東，史偉民，等. 基于擾動補償算法的拉床主溜板雙伺服同步驅動控制策略[J]. 機械工程學報，2013,49(21)：30-37.

[5] 劉思捷. CANopen協議在伺服系統中的軟件實現與植入研究[D]. 武漢：華中科技大學，2011.