陶瓷磚放射性試驗自動進樣控制系統的研制*

王澤波　區卓琨　劉　樹

(佛山市質量計量監督檢測中心　廣東 佛山　528225)

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陶瓷磚放射性試驗自動進樣控制系統的研制*

王澤波區卓琨劉樹

(佛山市質量計量監督檢測中心廣東 佛山528225)

研制了一種用于陶瓷磚放射性試驗自動進樣的控制系統。該系統采用“PC+運動控制卡”的控制方案，通過運動控制卡產生的脈沖和方向信號對伺服電機進行控制，實現樣品室的開合和機械手自動取樣的三維運動控制，PC機作為上位機使用VC++設計人機交互界面軟件，對試驗過程中的各個參數及試驗狀態進行實時監控。試驗結果表明，該系統能夠完全滿足系統運動控制的需要，且系統軟件具有開放性，容易移植，系統維護和操作方便。

開放式運動控制卡伺服電機

前言

近年來,“PC機+運動控制卡”已經成為國內外開放式運動控制系統發展的主流。該模式以PC機作為上位機信息處理平臺，運動控制卡以插卡形式嵌入PC機。PC機負責操作界面的管理和控制系統的實時監控等方面的工作(如系統狀態顯示、運動軌跡規劃、控制指令的發送、輸入輸出信號的監控等)；運動控制卡負責包括脈沖的輸出、模擬輸出、運動軌跡規劃的處理、運動位置等信號的檢測等。該控制系統不僅具有PC機的信息處理能力和開放式的特點和運動控制器的運動軌跡控制能力，還具有信息處理能力強、開放程度高、運動軌跡控制準確、通用性好的特點。

本控制系統采用“PC機+運動控制卡”控制方案，按照國家標準《建筑材料放射性核素限量》GB 6566-2010中放射性的試驗要求進行設計，實現放射性試驗時陶瓷磚樣品的自動進樣，可實時觀察試驗過程的檢測情況并生成報表，為檢測機構或企業進行產品質量檢驗提供依據。

1　系統組成及硬件介紹

本系統的硬件組成框圖如圖1所示。控制卡采用深圳固高公司GT200-SV運動控制卡，機械手的驅動系統采用安川公司的SGMAH-08AAA41永磁式交流伺服電機和SGDM-08ADA交流伺服驅動器。交流伺服電機直接驅動皮帶輪或絲杠，實現機械手的三維運動。交流伺服電機端部的增量式碼盤被用于電機轉子角位置的反饋，與伺服驅動器構成半閉環控制方式。X/Y/Z軸的位置信號通過光柵尺、限位開關傳送到運動控制卡，使系統構成全閉環控制方式。

圖1　基于運動控制卡的運動控制系統結構簡圖

深圳固高公司生產的GT200-SV運動控制卡，可以實現復雜的多軸協調運動，同時控制多個運動軸。運動控制器硬件系統結構圖如圖2所示。運動控制卡的外形結構如圖3所示。運動卡核心主要包括ADSP2181數字信號處理器和FPGA，前者的哈佛結構和MAC單元用于實現復雜的運動控制算法，充分利用DSP的高速計算能力，可實現復雜的運動規劃、高速實時多軸插補、誤差補償、伺服控制濾波或者更復雜的運動學、動力學計算以及實時控制管理，具有運動控制精度高、速度快、運動平穩等特點；后者FPGA邏輯可編程器件和其他相關器件組成伺服控制和位置反饋硬件接口，實現譯碼、倍頻、脈沖分配、定時、計數等功能。運動控制卡采用ISA或PCI總線與PC相連，數據通過雙端口RAM在上下位機間傳送。雙端口RAM是一種特殊的隨機存儲器，它擁有兩組數據總線和地址總線，在地址不沖突的情況下，兩組總線可以在同一時間并行地訪問不同的存儲器單元。雙端口RAM的這種特殊結構使得上下位機可以快速地進行大規模數據交換，大大提高了主機與DSP運動控制卡的并行處理能力，解決了以往主從式系統CPU間通訊的瓶頸。

圖2　運動控制器硬件系統結構圖

2　運動控制系統的軟件開發

2.1控制卡的軟件介紹

GT200-SV被設計成用戶可編程運動控制器，該控制器同時提供C語言編寫的用戶接口函數庫及動態鏈接庫，支持Windows98/2000/NT系統，利用其中的功能函數可實現高性能的控制功能。用戶通過VC++軟件進行開發，將這些控制函數與系統所需的數據處理、界面顯示、用戶接口等應用程序模塊集成在一起，設計出特定應用要求的控制系統。

圖3　運動控制卡的外形結構圖

1)函數庫中使用的單位和函數返回值約定

位移或距離的單位用Pulse(脈沖數)表示；速度的單位為Pulse/ST(脈沖/控制周期)；加速度的單位為Pulse/ST2(脈沖/控制周期2)。

運動庫中的大多數函數是整型函數，函數返回值如果為0，它表示函數執行正確；-1則表示函數通訊錯誤。

2)函數庫中可供調用的功能函數

運動控制卡初始化函數、專用輸入信號參數設置函數、運動控制軸初始化函數、軸運動模式設置函數、獨立運動和插補運動函數、位置和狀態設置函數、I/0口操作函數、錯誤代碼函數等。

2.2軟件程序框圖

圖4為上位機程序結構圖。對于PCI卡，必須先在用戶程序中加入：#include “GT200.h”,接著選擇“Project-setting-link”，在“Object/library modules”中輸入“GT200.lib”,然后用戶即可在程序中調用動態鏈接庫中的函數[3]。這樣就可以實現對運動控制器的初始化，讀取控制器的相關信息，設置ADC和DAC的偏移量，設置編碼器常數等，運動控制器定時與上位機通訊，向運動控制器指定的地址或地址塊寫入和讀取整型和浮點數據或數據塊。

2.3人機交互界面設計

圖5為自動進樣控制系統界面，各部分的功能進行簡要的介紹如下：

1)樣品參數設置。進樣位置單位為mm；質量單位為kg；試驗時間單位為s；樣品編號設置等、試驗時間實時顯示；試驗啟動關閉控制等。

圖4　上位機程序結構圖

2)狀態顯示部分。樣品檢驗過程狀態；運行信息，包括三維坐標信息、動作狀態、抓放狀態、倉門啟閉狀態、報警狀態；本次測試信息，包括樣品信息、檢測時間、實時時間；整體測試信息等。

3)結果顯示部分。每一次試驗過程所獲得的數據都在總表中顯示，其中包括測試順序、位置、樣品編號、狀態。

圖5　自動進樣控制系統界面

總的來說，整個系統應用軟件主要分成6個模塊：

1)基本參數設置。對運動控制卡進行初始化操作，建立PC機與運動控制卡之間的通訊。

2)試驗參數初始化。設置相應的試驗參數，包括樣品信息、時間等。

3)運動控制模式設置。有4種運動控制模式可以選擇，本系統默認選擇速度跟蹤模式，以滿足控制算法設計的需要。

4)閉環伺服濾波參數設置。設置閉環伺服濾波參數，更好地實現系統精確而穩定的控制。

5)位置狀態顯示。顯示試驗過程的實時位置；監控各控制軸的扭矩狀態，如試驗位置誤差超限、伺服報警、測試完成等。

6)手動控制。消除報警、開倉、關倉、讀取狀態等。

3　結語

采用“PC+運動控制卡”的開放式硬件結構，可充分利用PC機的豐富資源和運動控制卡強大的實時處理功能。相對之前設計系統[4]采用單片機作為控制器的硬件結構來說，此硬件結構方案可有效地縮短系統開發周期，而且系統更加穩定。

1叢爽,李澤湘.實用運動控制技術[M].北京:電子工業出版社，2006

2深圳固高公司.GT系列運動控制器用戶手冊[Z]，2001

3深圳固高公司.GT系列運動控制器編程手冊[Z]，2001

4劉樹,區卓琨,等. 建材放射性檢測自動進樣裝置的研制[J]. 佛山陶瓷,2013,23(1):12～14

王澤波(1982-)，碩士，工程師；主要從事產品質量檢測及標準化研究工作。

TP319

A

1002-2872(2016)08-0042-04

區卓琨(1978-)，碩士，教授級高級工程師；主要從事產品質量檢測及標準化研究工作。

劉樹(1980-)，碩士，工程師；主要從事產品測試的研究工作。