基于運(yùn)動控制卡的點(diǎn)位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐 陽 徐長春 鄭 楠 張?jiān)?周慶貴

（1．連云港中復(fù)連眾復(fù)合材料集團(tuán)有限公司，江蘇 連云港 222005；2．江蘇海洋大學(xué)，江蘇 連云港 222005）

0 引言

旋耕機(jī)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備中的主要裝備，其可以達(dá)到疊加一般犁耙?guī)状巫鳂I(yè)的碎土效果，縮短了整理農(nóng)田的時間，在市場中有較大的需求。在其制造過程中，旋耕機(jī)刀軸和刀具間的焊接工藝水平對整機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量有較大影響。國內(nèi)的絕大多數(shù)小型企業(yè)采用人工手動的方式對旋耕機(jī)刀軸與刀具進(jìn)行焊接，勞動強(qiáng)度大，工作效率低，刀軸質(zhì)量得不到保證。

該文提出了1 種基于運(yùn)動控制板卡的旋耕機(jī)刀軸與刀具焊接工序數(shù)字點(diǎn)定位控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)價格較低，特別適合中小企業(yè)使用。該焊接系統(tǒng)的定位控制采用通用軟件平臺（VB）開發(fā)的監(jiān)控平臺，其適用于中小型監(jiān)控系統(tǒng)，具有系統(tǒng)開發(fā)周期短和工藝適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，并且它還適用于一些有特殊功能性要求的運(yùn)動控制系統(tǒng)中。

1 硬件構(gòu)成

1.1 ADT8949控制卡介紹

ADT8949 是32 位PCI 總線式運(yùn)動控制器，它可以做到即插即用，并實(shí)現(xiàn)四軸脈沖控制，脈沖輸出頻率為5 MHz。四軸編碼器反饋，頻率高達(dá)4 MHz，可以選擇A/B 相脈沖輸入。其有32 位計(jì)數(shù)和4 倍率，支持硬件序列號。 DSP+FPGA 專用運(yùn)動芯片技術(shù)可以提供高速、高性能、軌跡平滑和優(yōu)化速度的保障。 脈 沖 輸 出 類 型包括脈 沖 + 方 向 （PUL+DIR） 和雙 脈 （CW+CCW）。抗干擾方面采用了36 路全部光耦隔離的數(shù)字輸入，32 路集電極開路輸出。2 路DA 模擬量輸出信號范圍為0 V～10 V ，精度為0.01 V。

該運(yùn)動控制板卡是1 種基于PCI 總線的板卡，可以插入計(jì)算機(jī)的PCI 擴(kuò)展槽，通過接口板與驅(qū)動器和外部控制信號端子連接，在PC 機(jī)上基于通用軟件VB 開發(fā)的控制軟件可以實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)算和邏輯信號處理，從而控制工作平臺的運(yùn)動。采用通用編程語言（例如VB）時，調(diào)用函數(shù)庫內(nèi)的函數(shù)就可以控制驅(qū)動器及驅(qū)動電動機(jī)，同時還可以控制工作臺的運(yùn)動。

1.2 系統(tǒng)接線圖

系統(tǒng)的參考電氣接線圖，如圖1 所示。控制系統(tǒng)硬件由PC、ADT8949 運(yùn)動控制卡、ADC-9192 接線板、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)、I/O 開關(guān)信號和交流轉(zhuǎn)直流電源變換器等組成。ADT8949 運(yùn)動控制卡安裝于計(jì)算機(jī)的PCI總線插槽中，ADT8949 運(yùn)動控制卡外接ADC-9192 接線端子板，接線板上的端子與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、I/O 開關(guān)信號以及位置傳感器相連，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的點(diǎn)動、自動和保護(hù)控制[1-2]。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)動指令函數(shù)調(diào)用

基于VB 編程環(huán)境建立的應(yīng)用工程，由于VB 不能直接訪問硬件的物理地址，因此，在執(zhí)行外部的輸入輸出信號時，需要通過調(diào)用函數(shù)來實(shí)現(xiàn)程序的各種功能；在編程時，還需要聲明控制卡的動態(tài)鏈接庫函數(shù)。應(yīng)用運(yùn)動控制板卡時，需要調(diào)用板卡的指令庫函數(shù)，在上位機(jī)PC 建立與運(yùn)動控制板卡的通信后，在通用語言編程環(huán)境中調(diào)用相關(guān)運(yùn)動形式的指令函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)對直線和圓弧等軌跡的控制。

在VB 編程開發(fā)環(huán)境中，應(yīng)用運(yùn)動控制板卡實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制還要在調(diào)用函數(shù)前將“adt8949lib.bas”模塊文件添加到所開發(fā)的工程中，否則在軟件編譯時會報錯[3]。函數(shù)adt8949_initial（void）是初始化控制卡函數(shù)，該函數(shù)主要用于檢測控制板卡的運(yùn)行狀態(tài)，通過讀取該函數(shù)的返回值，就可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)報警信息的處理[4]。其中返回值為-1 時，表示沒有安裝端口驅(qū)動；當(dāng)返回值為-2時，表示PCI 存在故障；當(dāng)返回值為-3 時，表示DSP 程序下載錯誤；當(dāng)返回值為-4 時，表示硬件異常。

板卡初始化函數(shù)在工程中調(diào)用示例如下[3，5]。

圖1 系統(tǒng)接線圖

上述代碼的主要功能是在板卡初始化程序中，實(shí)現(xiàn)設(shè)置相應(yīng)軸的起始速度、運(yùn)行速度、加速度已經(jīng)正負(fù)限位模式等坐標(biāo)軸運(yùn)行參數(shù)。

2.2 參數(shù)設(shè)置界面

設(shè)置界面如圖2 所示。參數(shù)設(shè)置界面的主要功能是在控制系統(tǒng)的新工藝運(yùn)行前或系統(tǒng)維修后重新設(shè)置每個軸的有關(guān)運(yùn)動控制的參數(shù)（例如初始運(yùn)行速度、加速度、驅(qū)動運(yùn)行速度、齒輪比、脈沖當(dāng)量、速度類型以及對位置參數(shù)的選擇。為了方便系統(tǒng)的調(diào)整維護(hù)，還可以選擇在調(diào)整工作方式下采用直線插補(bǔ)或圓弧插補(bǔ)的運(yùn)動形式來檢驗(yàn)點(diǎn)位控制的工藝精度等性能。

3 故障檢測與調(diào)試

基于運(yùn)動控制卡的控制系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行和調(diào)試中，經(jīng)常會發(fā)生電機(jī)不能轉(zhuǎn)動或者電機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生異常響聲的情況，出現(xiàn)上述情況主要有以下2 個原因。

圖2 參數(shù)設(shè)置界面

3.1 電機(jī)有信號，運(yùn)轉(zhuǎn)時發(fā)出異常聲響

電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時有異常響聲，說明電機(jī)有控制信號，但出現(xiàn)了失步現(xiàn)象。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因有：1） 步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械部件卡死或聯(lián)軸器損壞。2） 傳輸給驅(qū)動器的脈沖信號頻率過高。3） 起始始速度過高或者過低。4） 驅(qū)動器的電流設(shè)置不正確。

3.2 電機(jī)不轉(zhuǎn)

運(yùn)動控制卡發(fā)出有效脈沖時，電機(jī)不運(yùn)動，其主要原因有：1） 運(yùn)動控制卡和端子板的連接線沒有接好或出現(xiàn)松動。2） 驅(qū)動器的脈沖PU 和方向DR 信號線與端子板出現(xiàn)問題。3） 電機(jī)驅(qū)動器和步進(jìn)電機(jī)沒有+24 V 電源。

4 結(jié)論

基于VB 編程環(huán)境，采用運(yùn)動控制板卡和PC 相結(jié)合所組成的硬件形式，解決了小型企業(yè)對旋耕機(jī)在生產(chǎn)過程中刀軸與刀具焊接關(guān)鍵工序的點(diǎn)到點(diǎn)定位控制性能的要求，提高了焊接工藝的穩(wěn)定性，降低了工人的勞動強(qiáng)度。該文主要介紹了該系統(tǒng)的組成原理，所闡述的系統(tǒng)控制方法具有性能可重構(gòu)、易于實(shí)現(xiàn)特殊數(shù)據(jù)處理和滿足特定工藝路徑的特點(diǎn)。經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)性驗(yàn)證，整個系統(tǒng)控制軟件與硬件操作正常，控制穩(wěn)定精度高，對于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域具有類似點(diǎn)定位控制要求的生產(chǎn)設(shè)備有較高的參考應(yīng)用價值。