基于LabVIEW和MPScope的多軸伺服電機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

王 輝，昝 濤，劉智豪，龐兆亮

（北京工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

0 引言

隨著社會(huì)發(fā)展的需要，各制造企業(yè)對(duì)機(jī)器裝備自動(dòng)化、智能化水平的要求不斷提高，做為核心技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其作用更為突出[1]。目前控制技術(shù)的發(fā)展日新月異，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)向著小型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向發(fā)展，要求控制器具有優(yōu)異的系統(tǒng)性能、易于模塊化移植和較高的可靠性[2]。為滿足這些要求，控制系統(tǒng)多采用分布式控制方式，即由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)不同的軌跡規(guī)劃和控制算法，由下位機(jī)實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)細(xì)分和控制優(yōu)化，上位機(jī)和下位機(jī)通過(guò)通訊總線相互協(xié)調(diào)工作。這種控制系統(tǒng)有多種實(shí)現(xiàn)方式，文獻(xiàn)[3]利用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)和可編程控制器（PLC）為下位機(jī)建立兩級(jí)分布式旋壓機(jī)控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)[4]采用ARM處理器和LM629運(yùn)動(dòng)控制芯片作為上、下位機(jī)開(kāi)發(fā)出直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)[5]提出將AT89C52單片機(jī)作為下位機(jī)，利用PC機(jī)作為上位機(jī)設(shè)計(jì)多軸電機(jī)控制系統(tǒng)。為使控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)，以及控制方式的簡(jiǎn)單化，本文提出了一種以工控機(jī)為上位機(jī)和多軸運(yùn)動(dòng)控制器為下位機(jī)的多軸電機(jī)系統(tǒng)控制方案，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，控制精度高，適用于各種多軸伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，具有很高的移植性和擴(kuò)展性。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

在工業(yè)控制領(lǐng)域，多電機(jī)綜合控制系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，同時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)提出更高的要求。一方面，控制系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的單個(gè)控制，而且可以完成多電機(jī)的聯(lián)動(dòng)操作。另一方面，整個(gè)控制系統(tǒng)既要有位移精確，速度穩(wěn)定，運(yùn)行可靠的性能，又要具有靈活性好，危險(xiǎn)性低，響應(yīng)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)這些功能，設(shè)計(jì)了工控機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制器+驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。多軸運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)電機(jī)的控制管理。利用工控機(jī)作為上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)軟件采用TCP/IP協(xié)議與控制器實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)信息的采集及對(duì)控制指令的發(fā)送[7]。多軸運(yùn)動(dòng)控制器作為下位機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)主機(jī)的命令的響應(yīng)及對(duì)數(shù)據(jù)信息的傳送。下位機(jī)通過(guò)專用接口與伺服單元相連，可進(jìn)行位置、速度、轉(zhuǎn)矩、相位控制，并可實(shí)現(xiàn)高精度的同步控制。伺服電機(jī)通過(guò)將安裝在軸上的編碼器反饋的實(shí)時(shí)位置信息傳遞給伺服單元，完成閉環(huán)控制[8]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件組成

根據(jù)負(fù)載、電機(jī)慣量比、轉(zhuǎn)矩、短時(shí)間特性（加減速轉(zhuǎn)矩）、連續(xù)特性（連續(xù)實(shí)效負(fù)載轉(zhuǎn)矩）、編碼器分辨率等方面選擇合適的伺服電機(jī)，本系統(tǒng)選用安川SGM7G型電機(jī)以及與其配套的SGD7S型伺服驅(qū)動(dòng)器，多軸控制器選用MP2300S運(yùn)動(dòng)控制器。

安川MP2300S運(yùn)動(dòng)控制器是一款集電源功能、CPU功能、I/O功能以及通信功能于一體的、采用多功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的小型機(jī)器控制器。該控制器通過(guò)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)MECHATROLINK-Ⅱ可控制最多達(dá)16軸的伺服驅(qū)動(dòng)器，并能實(shí)現(xiàn)高精度的同步控制，以及軌跡運(yùn)動(dòng)中所需要的直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、螺旋插補(bǔ)等功能。I/O模塊選用LIO-04模塊，完成外部數(shù)據(jù)的輸入輸出功能。系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖2所示。MP2300S與控制計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換通過(guò)MPScope軟件實(shí)現(xiàn)。

圖2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

3 MPScope通訊

MPScope是安川公司研發(fā)的用于運(yùn)動(dòng)控制器Window應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的軟件，可通過(guò)與控制器通訊實(shí)現(xiàn)對(duì)寄存器數(shù)據(jù)的讀、寫操作。由于其不依賴通訊介質(zhì)、開(kāi)發(fā)過(guò)程簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，MPScope廣泛應(yīng)用于各種電機(jī)控制系統(tǒng)。

在上位機(jī)+下位機(jī)的控制系統(tǒng)中，上位機(jī)與下位機(jī)數(shù)據(jù)交互采用系統(tǒng)預(yù)留的寄存器，上位機(jī)通過(guò)MPScope軟件向下位機(jī)發(fā)送寄存器變量讀/寫請(qǐng)求，下位機(jī)接收到請(qǐng)求后向上位機(jī)返回響應(yīng)信息。所有寄存器讀/寫請(qǐng)求在下位機(jī)（運(yùn)動(dòng)控制器）上處理，并在空余掃描時(shí)間里被執(zhí)行。如圖3所示，在一個(gè)掃描周期內(nèi)，MPScope請(qǐng)求處理發(fā)生在高速掃描處理、低速掃描處理、中斷處理以外的時(shí)間段。這種在下位機(jī)處理請(qǐng)求信息的方式一定程度上減輕了上位機(jī)的并行處理負(fù)擔(dān)，提高上位機(jī)的處理效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3 寄存器讀/寫請(qǐng)求執(zhí)行時(shí)間

MPScope支持VB、C++、C#等匯編語(yǔ)言進(jìn)行控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。以ReadRegisterBlock為例，用戶只需在程序中定義ezRegister和nSize的值，即可返回寄存器數(shù)據(jù)nData()。

表1 ReadRegisterBlock參數(shù)

通過(guò)MPScope軟件，上位機(jī)可以讀出分散在各處的運(yùn)動(dòng)控制器的線圈狀態(tài)和寄存器內(nèi)容，并可對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置更改，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)電機(jī)軸的集中監(jiān)視和控制。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

多軸運(yùn)動(dòng)控制器MP2300S作為下位機(jī)需要對(duì)各伺服軸進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及編程。先設(shè)定控制器模塊構(gòu)成，之后設(shè)定其參數(shù)，最后再進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)。按照控制要求，可采用PLC梯形圖方法編寫程序。編寫程序使用總圖、子圖、孫圖和IF命令，使控制梯形圖層次化[2]。

進(jìn)行速度、轉(zhuǎn)矩、位置控制的步驟為：開(kāi)始設(shè)定前確認(rèn)“伺服使能ON”，給出運(yùn)動(dòng)控制條件，再分別設(shè)定表示各個(gè)控制的“運(yùn)動(dòng)命令”。其基本動(dòng)作流程如圖4所示。

圖4 基本動(dòng)作流程圖

4.1.1 手動(dòng)控制模式

根據(jù)多軸聯(lián)動(dòng)的需求，控制系統(tǒng)分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制模式。手動(dòng)模式下，通過(guò)對(duì)單個(gè)或多個(gè)電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)初始位置的調(diào)整；自動(dòng)模式下，利用預(yù)先編寫的程序能夠一鍵完成多電機(jī)的聯(lián)動(dòng)操作。

手動(dòng)控制模式下，需要對(duì)各軸進(jìn)行參數(shù)配置和邏輯編程。以軸1為例，根據(jù)流程圖設(shè)計(jì)梯形控制圖如圖5所示。上位機(jī)只需改變相應(yīng)寄存器變量的值即可控制軸1的正反轉(zhuǎn)和速度。

4.1.2 自動(dòng)控制模式

在手動(dòng)模式的梯形控制圖中加入動(dòng)作文本程序即可實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的聯(lián)動(dòng)操作。以某一多軸電機(jī)聯(lián)動(dòng)為例，圖6給出該聯(lián)動(dòng)動(dòng)作的文本程序。上位機(jī)只需將相應(yīng)動(dòng)作的寄存器變量值置為1，即可按照文本程序里面的速度、加速度、位置設(shè)定完成相應(yīng)的動(dòng)作。

圖5 梯形控制圖

圖6 文本程序

4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)通過(guò)Ethernet接口與運(yùn)控控制器MP2300S相連。主控制軟件采用LabVIEW編程，并利用MPScope軟件通訊。根據(jù)LabVIEW ActiveX調(diào)用原理進(jìn)行上位機(jī)程序編程。MPScope具體調(diào)用步驟如下：

1）安裝MPScope軟件包，啟動(dòng)通訊工具軟件，并設(shè)置IP地址，生成一個(gè)用于工控機(jī)與MP2300S通信用的文件（文件擴(kuò)展名為“.ini”）；

2）在LabVIEW程序框圖中放置“打開(kāi)自動(dòng)化”控件，右鍵圖標(biāo)點(diǎn)擊“選擇ActiveX類”，在彈出的對(duì)話框中設(shè)置類型庫(kù)為“YASKAWA MPScope Control Version 1.0”，點(diǎn)擊確定按鈕完成自動(dòng)化引用句柄與MPScope應(yīng)用的連接；

3）將通訊文件（文件擴(kuò)展名為“.ini”）的路徑連接至“ConnectFilePath”接線端完成通信路徑設(shè)置；

4）選取調(diào)用方法，將寄存器的名稱連接至“szRegisterList”接線端、數(shù)據(jù)連接至“nData()”接線端，即可實(shí)現(xiàn)MPScope的調(diào)用。

以1號(hào)電機(jī)的速度設(shè)置為例，圖7顯示了其調(diào)用過(guò)程。

圖7 MPscope調(diào)用示例

選擇LabVIEW作為多軸伺服控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)軟件，主要采用while循環(huán)作為整體框架，通過(guò)調(diào)用事件結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的控制，主要包括電機(jī)使能、正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速的設(shè)置，該軟件的流程圖如圖9所示。

圖8 軟件流程圖

圖8顯示出主控制系統(tǒng)的功能有：

1）狀態(tài)判斷和顯示程序。在電機(jī)運(yùn)動(dòng)之前，需對(duì)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行判斷，確定無(wú)報(bào)警、無(wú)過(guò)高扭矩狀態(tài)出現(xiàn)。將當(dāng)前的狀態(tài)信息和報(bào)警信息內(nèi)容實(shí)時(shí)顯示在操作面板上。

2）保護(hù)程序。在主程序運(yùn)行中，應(yīng)注意電機(jī)的實(shí)時(shí)位置，在限位位置應(yīng)及時(shí)將電機(jī)停下來(lái)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行限位保護(hù)。同時(shí)，設(shè)置邏輯保護(hù)，禁止手動(dòng)模式與自動(dòng)模式同時(shí)操作。

3）進(jìn)行電機(jī)控制與顯示操作。控制各個(gè)軸電機(jī)的使能、速度、正反轉(zhuǎn)設(shè)定，并能實(shí)時(shí)顯示各個(gè)軸電機(jī)的狀態(tài)參數(shù)。

通過(guò)需求分析、功能分解、軟件編碼完成最終的專用控制程序，使之滿足多電機(jī)聯(lián)動(dòng)要求。如圖9所示，控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制，完成機(jī)構(gòu)的各種動(dòng)作。主控制程序界面如圖10所示。

圖9 多軸聯(lián)動(dòng)示意圖

圖10 主控制程序界面

實(shí)際運(yùn)行結(jié)果顯示，控制系統(tǒng)在并行處理、數(shù)據(jù)交換、運(yùn)動(dòng)控制及時(shí)性方面均有很好的表現(xiàn)；同時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，避免了因系統(tǒng)故障而出現(xiàn)的各種問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，安川MP2300S控制器作為下位機(jī)，基于LabVIEW與ActiveX組建的控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)控制多臺(tái)伺服電機(jī)使能、正反轉(zhuǎn)及速度設(shè)定的功能。

2）將LabVIEW作為控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件，充分利用了LabVIEW強(qiáng)大的并行運(yùn)算能力，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)編程方

【】【】式語(yǔ)法要求嚴(yán)格、開(kāi)發(fā)者職業(yè)化程度高、不易維護(hù)的缺點(diǎn)，將系統(tǒng)開(kāi)發(fā)難度大大降低；同時(shí)系統(tǒng)性能穩(wěn)定、操作方便，具有良好的擴(kuò)展性和移植性，有利于工業(yè)自動(dòng)化的廣泛應(yīng)用。

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