基于LabVIEW的伺服電機測控系統(tǒng)設(shè)計*

張日紅，朱立學(xué)，楊松夏

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 機電工程學(xué)院，廣東 廣州 510225)

0 引言

由于伺服電機的精度高、高速性能好、適應(yīng)性強以及運行穩(wěn)定等優(yōu)點，因而得到眾多科研人員的青睞。在機械運動控制研究領(lǐng)域中，伺服驅(qū)動控制是一個非常重要的研究課題，也是一個非常綜合性的研究課題，其普遍應(yīng)用于自動化CNC數(shù)控設(shè)備、自動化儀表車床、紡織業(yè)以及生產(chǎn)加工與制造進程控制系統(tǒng)中,它關(guān)系到機械電子工程、自動化控制以及計算機技術(shù)等學(xué)科[1-3]。與此同時，隨著電子計算機應(yīng)用技術(shù)的高速發(fā)展，使得虛擬儀器也逐漸得到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的認同及推廣。伴隨著運動控制卡等一系列硬件的開發(fā)，在眾多領(lǐng)域的研究、制造和開發(fā)中，LabVIEW虛擬儀器測控程序得到了非常廣泛的應(yīng)用，通過LabVIEW編程語言調(diào)用運動控制卡的內(nèi)置函數(shù)對系統(tǒng)進行高精度的控制是全新的控制方案。運用LabVIEW編程語言進行由運動控制卡、伺服電機及其驅(qū)動器所組成的單軸或多軸伺服控制系統(tǒng)開發(fā)具備系統(tǒng)調(diào)試方便、穩(wěn)定性高等優(yōu)點[4，5]。

1 伺服電機控制系統(tǒng)的硬件配置

圖1為單個伺服電機控制的硬件接線示意圖。硬件系統(tǒng)由ECMA-C20602SS伺服電機、ASD-B2-0221-B伺服驅(qū)動器、PCI-1245運動控制卡、ADAM-3952接線端子板、24 V直流電源和電腦等組成[6]。AC220 V電源為伺服驅(qū)動器的主要電路和控制回路供電，伺服電機的動力線需接入到伺服驅(qū)動器的U、V、W接線端，伺服電機的編碼器信號線與伺服驅(qū)動器的CN2口直連。伺服驅(qū)動器上的CN1接口的控制與檢測信號要對應(yīng)接入到接線端子板ADAM-3952上。接線端子板ADAM-3952通過信號電纜PCL-10251接入到電腦PCI插槽上的運動控制卡PCI-1245。電機的剎車線(棕和藍)必須接24 V電源，否則電機無法運轉(zhuǎn)。ADAM-3952接線端子板控制與檢測信號的配置情況如圖2所示。

圖1 單個伺服電機控制系統(tǒng)硬件接線示意圖

圖2 ADAM-3952接線端子板信號配置

2 基于LabVIEW的伺服電機控制程序設(shè)計

2.1 伺服電機控制的界面設(shè)計

伺服電機程序控制界面如圖3所示。點擊LabVIEW左上角的運行按鈕，Device Type內(nèi)便顯示PCI-1245，表示已讀取到板卡信息，之后點擊Open Board及Servo On，此時可以檢測伺服電機能不能自動轉(zhuǎn)動，DeviceOpened、AxisOpened、Servo_On的指示燈變亮表明伺服電機可以正常運行。控制界面還可以設(shè)定伺服電機的運行角度和運行速度，設(shè)定好后點擊獨立運行，伺服電機單獨運行的角度和速度便實時顯示在界面上。如果要進行四軸聯(lián)動，4臺伺服電機的運行角度和速度都設(shè)定好之后，點擊四軸聯(lián)動按鈕即可。通過點擊控制界面上的電機復(fù)位按鈕，可以使電機以找圓方式Z相脈沖返回至機械原點[7，8]。控制界面上的Reset Counter可以將伺服電機的軸位置信息Axis Position清除，即清除當前脈沖發(fā)送出的脈沖總數(shù)，脈沖總數(shù)可以計算電機一共轉(zhuǎn)多少圈。在點擊伺服電機復(fù)位按鈕前，如果電機少于4個，則需要選擇相應(yīng)的伺服電機，否則四軸一起復(fù)位，如果有1個軸沒有電機則會一直在發(fā)脈沖找圓，需要陸續(xù)點擊CloseBoard、OpenBoard以及Servo On。伺服電機軸運行速度的單位為PPU/s，表示伺服電機每秒發(fā)送的脈沖數(shù)。

圖3 伺服電機程序控制界面

2.2 程序控制流程

運動控制卡使用DSP、FPGA作為底層運算的控制器，所以在運行所有的運動控制功能時，底層的DSP架構(gòu)可以使運動控制卡不受計算機CPU負載所引起的延遲和連續(xù)性的影響，可以在滿足精確運動中同步應(yīng)用需求的情況下，完成運動軌跡和時間計算控制[9]。通過研華公司提供的可支持32/64位窗口操作系統(tǒng)的完整窗口動態(tài)驅(qū)動程序Common Motion API共享驅(qū)動平臺以及其足夠的應(yīng)用例程，可以較為便利地進行控制系統(tǒng)的配置、診斷及程序開發(fā)[10]。伺服電機控制程序編寫中需要調(diào)用的API應(yīng)用程序編程接口函數(shù)描述見表1，伺服電機程序控制流程見圖4。

圖4 伺服電機程序控制流程

表1 運動控制卡的主要API函數(shù)

3 實驗驗證

根據(jù)硬件電路原理圖，將所有的硬件通過規(guī)定的線纜接好，擺放整齊，并將運動控制卡插入到計算機相應(yīng)的PCI卡槽內(nèi)，具體的實物連接如圖5所示。驅(qū)動器參數(shù)配置如下：將P1-00設(shè)置為2(脈沖方向控制方式)；將P1-01設(shè)置為0(位置控制模式)，默認為臺達B2系列伺服電機；P1-44和P1-45分別為電子齒輪比的分子和分母，默認值為16和10，我們這里設(shè)定P1-44的值為1 600，P1-45保持默認值不變，這樣每當有1 000個脈沖發(fā)送至伺服驅(qū)動器時，伺服電機就會轉(zhuǎn)一圈，位置指令的脈沖數(shù)等于電子齒輪比與指令脈沖輸入之積,而伺服電機正反轉(zhuǎn)只由脈沖的正負來選擇。單軸獨立運行或四軸聯(lián)動運行時分別設(shè)置好其中一個或4個軸的速度和運行角度后，點擊獨立運行或四軸聯(lián)動運行按鈕后，可以在主面板的右下角觀測到軸的實時運行角度和速度正在根據(jù)設(shè)置的數(shù)值而發(fā)生變化，而Axis Position為當前驅(qū)動器已接收的脈沖數(shù)。點擊電機復(fù)位按鈕后，可以發(fā)現(xiàn)電機根據(jù)設(shè)定的速度緩緩進行復(fù)位，回歸原點，在主面板可以觀察到運行過程中的數(shù)據(jù)。

圖5 伺服電機硬件連接

4 結(jié)論

本文以研華運動控制卡、臺達伺服驅(qū)動器及伺服電機等為硬件搭建了伺服電機運動控制系統(tǒng)，在LabVIEW圖形化語言開發(fā)環(huán)境下，實現(xiàn)了單軸和多軸伺服電機的獨立運行和聯(lián)動運行、運行參數(shù)實時監(jiān)測和電機復(fù)位等功能，為進一步實現(xiàn)伺服電機的運動軌跡和時間計算控制奠定了基礎(chǔ)。