基于LabVIEW的伺服電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張日紅，朱立學(xué)，楊松夏

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

0 引言

由于伺服電機(jī)的精度高、高速性能好、適應(yīng)性強(qiáng)以及運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因而得到眾多科研人員的青睞。在機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制研究領(lǐng)域中，伺服驅(qū)動(dòng)控制是一個(gè)非常重要的研究課題，也是一個(gè)非常綜合性的研究課題，其普遍應(yīng)用于自動(dòng)化CNC數(shù)控設(shè)備、自動(dòng)化儀表車床、紡織業(yè)以及生產(chǎn)加工與制造進(jìn)程控制系統(tǒng)中,它關(guān)系到機(jī)械電子工程、自動(dòng)化控制以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科[1-3]。與此同時(shí)，隨著電子計(jì)算機(jī)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(rèn)同及推廣。伴隨著運(yùn)動(dòng)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(cè)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(yùn)動(dòng)控制卡的內(nèi)置函數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行高精度的控制是全新的控制方案。運(yùn)用LabVIEW編程語言進(jìn)行由運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)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(diǎn)[4，5]。

1 伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件配置

圖1為單個(gè)伺服電機(jī)控制的硬件接線示意圖。硬件系統(tǒng)由ECMA-C20602SS伺服電機(jī)、ASD-B2-0221-B伺服驅(qū)動(dòng)器、PCI-1245運(yùn)動(dòng)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(dòng)器的主要電路和控制回路供電，伺服電機(jī)的動(dòng)力線需接入到伺服驅(qū)動(dòng)器的U、V、W接線端，伺服電機(jī)的編碼器信號(hào)線與伺服驅(qū)動(dòng)器的CN2口直連。伺服驅(qū)動(dòng)器上的CN1接口的控制與檢測(cè)信號(hào)要對(duì)應(yīng)接入到接線端子板ADAM-3952上。接線端子板ADAM-3952通過信號(hào)電纜PCL-10251接入到電腦PCI插槽上的運(yùn)動(dòng)控制卡PCI-1245。電機(jī)的剎車線(棕和藍(lán))必須接24 V電源，否則電機(jī)無法運(yùn)轉(zhuǎn)。ADAM-3952接線端子板控制與檢測(cè)信號(hào)的配置情況如圖2所示。

圖1 單個(gè)伺服電機(jī)控制系統(tǒng)硬件接線示意圖

圖2 ADAM-3952接線端子板信號(hào)配置

2 基于LabVIEW的伺服電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

2.1 伺服電機(jī)控制的界面設(shè)計(jì)

伺服電機(jī)程序控制界面如圖3所示。點(diǎn)擊LabVIEW左上角的運(yùn)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(diǎn)擊Open Board及Servo On，此時(shí)可以檢測(cè)伺服電機(jī)能不能自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，DeviceOpened、AxisOpened、Servo_On的指示燈變亮表明伺服電機(jī)可以正常運(yùn)行。控制界面還可以設(shè)定伺服電機(jī)的運(yùn)行角度和運(yùn)行速度，設(shè)定好后點(diǎn)擊獨(dú)立運(yùn)行，伺服電機(jī)單獨(dú)運(yùn)行的角度和速度便實(shí)時(shí)顯示在界面上。如果要進(jìn)行四軸聯(lián)動(dòng)，4臺(tái)伺服電機(jī)的運(yùn)行角度和速度都設(shè)定好之后，點(diǎn)擊四軸聯(lián)動(dòng)按鈕即可。通過點(diǎn)擊控制界面上的電機(jī)復(fù)位按鈕，可以使電機(jī)以找圓方式Z相脈沖返回至機(jī)械原點(diǎn)[7，8]。控制界面上的Reset Counter可以將伺服電機(jī)的軸位置信息Axis Position清除，即清除當(dāng)前脈沖發(fā)送出的脈沖總數(shù)，脈沖總數(shù)可以計(jì)算電機(jī)一共轉(zhuǎn)多少圈。在點(diǎn)擊伺服電機(jī)復(fù)位按鈕前，如果電機(jī)少于4個(gè)，則需要選擇相應(yīng)的伺服電機(jī)，否則四軸一起復(fù)位，如果有1個(gè)軸沒有電機(jī)則會(huì)一直在發(fā)脈沖找圓，需要陸續(xù)點(diǎn)擊CloseBoard、OpenBoard以及Servo On。伺服電機(jī)軸運(yùn)行速度的單位為PPU/s，表示伺服電機(jī)每秒發(fā)送的脈沖數(shù)。

圖3 伺服電機(jī)程序控制界面

2.2 程序控制流程

運(yùn)動(dòng)控制卡使用DSP、FPGA作為底層運(yùn)算的控制器，所以在運(yùn)行所有的運(yùn)動(dòng)控制功能時(shí)，底層的DSP架構(gòu)可以使運(yùn)動(dòng)控制卡不受計(jì)算機(jī)CPU負(fù)載所引起的延遲和連續(xù)性的影響，可以在滿足精確運(yùn)動(dòng)中同步應(yīng)用需求的情況下，完成運(yùn)動(dòng)軌跡和時(shí)間計(jì)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(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)程序Common Motion API共享驅(qū)動(dòng)平臺(tái)以及其足夠的應(yīng)用例程，可以較為便利地進(jìn)行控制系統(tǒng)的配置、診斷及程序開發(fā)[10]。伺服電機(jī)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(jī)程序控制流程見圖4。

圖4 伺服電機(jī)程序控制流程

表1 運(yùn)動(dòng)控制卡的主要API函數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)控制卡插入到計(jì)算機(jī)相應(yīng)的PCI卡槽內(nèi)，具體的實(shí)物連接如圖5所示。驅(qū)動(dòng)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(rèn)為臺(tái)達(dá)B2系列伺服電機(jī)；P1-44和P1-45分別為電子齒輪比的分子和分母，默認(rèn)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(rèn)值不變，這樣每當(dāng)有1 000個(gè)脈沖發(fā)送至伺服驅(qū)動(dòng)器時(shí)，伺服電機(jī)就會(huì)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(jī)正反轉(zhuǎn)只由脈沖的正負(fù)來選擇。單軸獨(dú)立運(yùn)行或四軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)行時(shí)分別設(shè)置好其中一個(gè)或4個(gè)軸的速度和運(yùn)行角度后，點(diǎn)擊獨(dú)立運(yùn)行或四軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)行按鈕后，可以在主面板的右下角觀測(cè)到軸的實(shí)時(shí)運(yùn)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(dāng)前驅(qū)動(dòng)器已接收的脈沖數(shù)。點(diǎn)擊電機(jī)復(fù)位按鈕后，可以發(fā)現(xiàn)電機(jī)根據(jù)設(shè)定的速度緩緩進(jìn)行復(fù)位，回歸原點(diǎn)，在主面板可以觀察到運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)。

圖5 伺服電機(jī)硬件連接

4 結(jié)論

本文以研華運(yùn)動(dòng)控制卡、臺(tái)達(dá)伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)等為硬件搭建了伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，在LabVIEW圖形化語言開發(fā)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了單軸和多軸伺服電機(jī)的獨(dú)立運(yùn)行和聯(lián)動(dòng)運(yùn)行、運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和電機(jī)復(fù)位等功能，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡和時(shí)間計(jì)算控制奠定了基礎(chǔ)。