基于VB的四軸運動控制系統設計

摘 要：采用“PC+運動控制卡”的運動控制方案，設計了基于VB的四軸運動控制系統，通過調用控制卡的運動函數庫實現單軸點動、連續運動以及直線和圓弧插補等功能。詳細說明了運動控制系統的組成及運動控制系統的軟件設計。

關鍵詞：VB；運動控制卡；運動控制系統；運動函數庫

引言

為了提高產品質量和產量，運動控制系統正在不斷地深入到各個領域并得以迅速發展，運動控制系統在各類控制工程中有著廣泛的應用前景。其應用范圍涵蓋數控加工業、汽車制造業和機器人等多個領域。通過開發實時多軸運動控制系統軟件來滿足實際工作的需求，已經成為備受關注的研究課題[1，2]。

近年來，PC+運動控制卡模式的運動控制系統得到了廣泛應用。它具有結構簡單、開放性易實現、成本相對較低等優點[3]。文章的控制系統也采用PC+運動控制卡模式。

1 系統硬件設計

整個系統由運動執行機構及運動控制系統組成，PC為控制系統的上位機，運動控制卡為下位機，系統設計方案如圖1所示。

PC主機與控制卡通過PCI通訊方式實現信息交換，PC機通過調用運動控制卡動態鏈接庫向控制卡發出運動指令，運動卡接收來自上位機的指令后向驅動器發出控制脈沖信號，控制卡可以控制所發出脈沖的頻率、個數及頻率變化率，從而能滿足電機各種復雜的控制要求[4，5]，主機也可以通過總線讀取運動控制卡的輸入信號，如通用輸入口、限位信號、原點開關等，經判斷并執行相應運算后向運動控制卡發出相應執行指令。

系統采用的運動控制卡是深圳固高公司生產的基于PCI總線的型號為GTS-400-SV的高性能運動控制卡，該控制卡可以同時控制4個軸，實現多軸協調運動。

圖1 運動控制系統的硬件結構框圖

系統其中一個軸的電路連接方式如圖2所示，控制卡的脈沖信號及方向信號發送給驅動器，經放大處理后驅動步進電機運動，LIM+和LIM-分別連接對應軸的正向限位和負向限位開關，HOME為原點觸發信號的輸入引腳，連接原點開關[6]。

圖2 電路連接圖

2系統軟件設計

固高運動控制卡的控制系統可以使用VC、VB和Delphi等支持動態鏈接庫的開發工具來編寫[7]。文章的運動控制系統的控制軟件采用VB（Visual Basic）語言進行設計。VB是面向Windows的可視化編程開發工具，具有簡練的語法和強大的功能、結構化程序設計思想以及方便快捷的可視化編程手段[8]，它屏蔽了Windows環境下程序設計的復雜性，利用動態鏈接庫DLL可以很快開發出Windows平臺下的運動控制系統，因此VB在機電系統軟件開發方面占有很大的比例。

2.1 程序界面設計

程序界面主要包括參數設置、功能選擇和運動操作模塊。硬件參數包括電機每轉脈沖數、絲杠螺距、驅動器細分倍數及控制卡控制周期的設置，增加了使控制系統的適用性，參數設置還包括運動軸軸號選擇、運動速度設置、移動距離設置、加速度以及加加速度設置，功能選擇模塊包括直線插補、圓弧插補、單軸運動、電子齒輪等運動模式的選擇，操作模塊包括驅動復位、位置清零、回原點、開始、停止和點動等，控制程序界面如圖3所示。

圖3 程序界面

2.2 控制程序的編寫

運動控制卡提供了Windows環境下的動態鏈接庫，在Windows系統下，用戶通過PC機調用函數庫中的指令，向運動控制器發出控制指令，實現各種功能。在使用VB編寫程序之前，首先將控制卡動態鏈接庫gts.dll和函數聲明文件gts.bas復制到工程文件夾中，然后選擇工程菜單下的“添加模塊”，切換到“現存”標簽頁，選擇工程文件夾中的函數聲明文件gts.bas，將其添加到工程中。最后將運動控制器的動態鏈接庫文件gts.dll復制到PC機中C盤windows system 文件夾中。至此可以調用函數庫中的指令函數來編寫程序[9]，使用VB編寫控制程序的界面如圖4所示。

圖4 程序代碼編寫界面

程序主要包括返回值處理函數、初始化函數、運動參數設置及運動執行函數等。初始化函數包括控制卡和運動控制軸初始化函數，控制卡初始化函數由GT_Open（）（打開運動控制器）、GT_SwitchtoCardNo（）（指定當前控制卡）、GT_SetSmplTm（）（設置控制周期）、GT_Reset（）（復位運動控制器）等指令組成；運動軸初始化函數由GT_Axis（）（設置當前軸）、GT_ClrSts（）（清除當前軸狀態）等指令組成。控制卡提供了大量的運動指令供調用，可以滿足各種簡單及復雜運動控制的要求。

以下是以電子齒輪模式運動函數為例簡要介紹VB編程環境下運動指令的調用方式，對于用戶通過主機發送的命令，運動控制器在檢查、校驗后，會給出一個反饋，這個反饋就是指令（庫函數）的返回值，在程序中，指令的返回值賦值給變量rtn，rtn經過返回值處理函數顯示出相應的錯誤信息。指令GT_PrflG（2）為設置當前軸的運動模式為電子齒輪控制模式，主軸為2軸，指令GT_SetRatio（2）用來設置當前軸的電子齒輪傳動比為2。指令GT_SetAcc（0.01）、GT_SetVel（B）、GT_SetPos（A）分別用來設置當前軸的運動加速度、速度及目標位置，變量B和A分別為用戶輸入的速度及目標位置經過運算后的數值。

Private Sub GMotion（） '電子齒輪控制模式運動子函數

rtn = GT_Axis（1）： Er （rtn）

rtn = GT_PrflG（2）： Er （rtn）

rtn = GT_SetRatio（2）： Er （rtn）

rtn = GT_Update（）： Er （rtn）

End Sub

Private Sub Command6_Click（） '以電子齒輪模式運動到目標位置

Dim A As Single

Dim B As Single

A = Text2

B = Text1 / 4 * 1600 / 1000000 * 200

GT_Initial

InputCfg

Axis_1_Initial

Axis_2_Initial

GMotion

rtn = GT_Axis（2）

rtn = GT_PrflT（）： Er （rtn）

rtn = GT_SetAcc（0.01）： Er （rtn）

rtn = GT_SetVel（B）： Er （rtn）

rtn = GT_SetPos（A）： Er （rtn）

rtn = GT_Update（）： Er （rtn）

End Sub

3 結束語

文中運動控制系統采用“PC+運動控制卡”模式，使系統結構簡單，動態鏈接庫機制使VB在對第三方運動控制卡的支持上有了一個通用可行的途徑。這種方法不僅可以采用價格相對較低的普通運動控制卡，而且能避免繁瑣的界面編程，縮短周期，提高效率，降低成本。文章所引用的程序已在某四軸運動平臺上通過測試并得到應用，運行穩定、可靠。

參考文獻

[1]叢爽.實用運動控制技術[M].北京：電子工業出版社，2006：38-42.

[2]李剛，楊繼東.基于PC的開放式數控系統的開發[J].機床與液壓，2006（4）：82-83.

[3]何麗嬌，張憲民，王宇華.二維定位平臺的運動控制系統研究[J].機電工程技術，2008，37（1）：54-97.

[4]周光學.基于運動控制器的開放式數控系統研究及軟件設計[D].秦皇島：燕山大學，2005.

[5]關學鋒，王偉，胡明.基于運動控制卡的五自由度機器人控制系統的開發[J].機械設計與制造，2009（6）：189-190.

[6]李國厚.步進電機驅動與控制系統的設計[J].煤礦機械，2008，29（2）：114-116.

[7]楊中寶，康順哲.VB語言程序設計教程[M].北京：人民郵電出版社，2006：46-77.

[8]沈洪，施明利，等.VB程序設計[M].北京：清華大學出版社，

2010，6：0-56.

[9]固高科技（深圳）有限公司.GTS系列運動控制器編程手冊[Z].

2011.