基于PCI-1240运动控制系统

摘要 以工控PC机为核心，应用运动控制卡PCI-1240，设计了一种运动控制系统。系统采用Microsoft Visual Basic编写人机界面，调用控制卡中的运动函数库，产生脉冲和方向信号控制电机转向和转速，从而在开环状态下实现对步进电机的控制。该系统在生产实际中得到检验，应用在大型编织机计算控制系统中，成本低、控制精确、适应性好，取得了显著的效果。
关键词 运动控制卡；运动控制系统；步进电机；PCI-1240

    随着PC(Personal Computer)的发展和普及，采用“PC+运动控制卡”作为上位控制，将是运动控制系统的发展趋势。该方案可以利用计算机资源，用于运动过程、运动轨迹等比较复杂且柔性较强的机器和设备。运动控制卡是基于PC机各种总线的步进电机或数字式伺服电机的上位控制单元，总线形式多种多样，通常采用ISA总线和PCI总线。但由于计算机主板的更新换代，ISA插槽越来越少，PCI总线的运动控制卡逐渐发展成为目前运动控制系统的主流。包括工业电脑平台、运动控制卡和应用软件，通过插入各种功能卡和编写软件，形成功能强大且易于操作的运动控制系统。运动控制卡以PCI插卡的形式嵌入PC机中，将PC机的信息处理能力与运动控制能力有机结合，具有开放性程度高、信息处理能力强、实时调整优点突出、运动控制轨迹准确以及通用性好的优点，与传统单片机运动控制系统以及PLC专业运动控制系统等上位控制方案相比，具有一定的优势。
    “工控PC机+运动控制卡”是一种用于PCI运动控制的经济型解决方案。以PC机为主控制器，运动控制卡作为从机，通过自定义的命令通信协议，实现位置与速度的精确控制。工控PC机负责人机交互界面的管理、控制系统的实时监控；运动控制卡完成运动控制的所有细节。通过调用PCI-1240的高级DLL驱动程序，较容易链接到VC++，Visual Basic或BCB，实现对运动函数库的二次开发。

1 系统组成及硬件介绍
    系统硬件结构如图1所示。其中，运动控制卡采用PCI-1240，负责与上位机通讯，与PC机构成主从模式。这样，PC机可以专注于人机界面、实时监控和发送指令等系统管理工作，而运动控制卡负责处理运动控制的所有细节，如升降速计算、行程控制、多轴插补等，无需占用PC机资源。

    系统正常工作时，通过在工控PC机上编写应用程序，给PCI-1240运动控制卡发送相应的速度、位置指令，运动控制卡接受指令并产生高频脉冲，驱动机电装置实现所需的运动功能。驱动器把驱动线路的电信号转换为机械运动，提供电机功率使得电机做旋转或直线运动，最终利用电机中的传动系数传动机械设备，实现具体的运动过程。
1．1 PCI-1240运动控制卡
    PCI-1240 4轴步进／脉冲伺服电机控制卡是一种通用型极端动作的运动控制卡。采用PCI总线可高速控制4轴电机，每轴均可输出脉冲和方向信号以控制电机的运转，可简化步进式及脉冲式伺服电机控制，并充分发挥电机潜能。该卡使用NOVA MCX314动作ASIC芯片，内建多种动作控制函数，如2／3轴线性内插、2轴圆周内插、T／S曲线加速／减速等不胜枚举。对于高级应用更提供了Windows dll驱动程序及容易上手的实例，以降低程序设计者的工作负担。而且，通过免费的随机动作公用程序，可以轻易地完成组态设定及环境诊断。
    PCI1243U的性能：
    (1)支持4轴动作控制、手动转盘及飞梭功能。(2)2／3轴线性内插函数，2轴圆周内插函数，连续内插函数。(3)可编程T／S曲线加僦速。(4)每轴高达4 Mp·s-1脉冲输出和1 MHz脉冲输入。(5)两种脉冲输出形式：加／减(CW／CCW)或脉冲／方向(PULSE／DIR)。(6)2编码器脉冲输入形式：A／B相位或加／减(CW／CCW)。(7)位置管理及软件极限开关功能。(8)线路板ID及随机动作公用程序可做组态设定和环境诊断。
1．2 驱动器与电机的连接
    系统中采用的驱动器是由Techno公司生产的KR515M 5相微步驱动器。它具有低噪音、低振动旋转的微步驱动功能，最高分割数为80分割，基本步进角0．72°，1脉冲输入旋转0．009°，而电机旋转一圈则需要40 000个脉冲，完全满足运动控制系统对精度的要求。同时，KR515驱动器还采用了使外部干扰影响最小化的光电连接器输入绝缘方式，内置自动降低电流功能、自我诊断功能电路等多数功能，实现了高速、高力矩以及高可靠性。电机选用与驱动器配套的日本东方5相UPK步进电机，能够最大限度地发挥电机潜能，实现对电机的精确控制。PCI运动控制卡与驱动器连接图如图2所示。

    外加DC24 V电源，用于对控制信号供电。采用CW／CCW驱动方式驱动，XOUT4可以由设定WR3的D8控制UPK驱动器到暂停，TIMING及过热信号可以由RR4，5得到读数，温度报警通过XALARM引脚输入。驱动器和PCI-1240的信号连接采用差分传输，如图3所示。发送端将输入信号X转换成X及X输出，接收端将输入X及比较后得Y。以差分传输方式传送可以有效地消除共模干扰，确保信号的正常传输。

    在联接过程中，特别要注意的是导线的选择，这对于整个系统工作的稳定性、抗干扰能力以及信号的传输有较大影响。系统中选用PCL-10251高讯／杂比PCI-1240卡专用隔离信号线缆，可确保信号质量，提供良好的信号。同时，还应注意信号线必须远离动力电源线、大电动机、断路器、电焊机等大的电磁源以及视频监视器等，因为它们可能造成较强的电磁干扰，严重影响数据撷取系统。如果信号线穿过此类区域，必须单独隔离，采用屏蔽双绞线作为输入信号线，并且屏蔽双绞线的隔离层只能一端接地。

2 运动控制系统的软件设计
    该系统软件采用Visual Basic编辑界面程序，调用运动控制卡的运动函数库，控制电机的转向和转速。由于PCI-1240运动控制卡配备了功能强大的动态链接库(DLL)，因此可以在Windows系统下很快地开发出运动控制系统。
2．1 系统流程图
    软件系统是整个运动控制系统的灵魂。根据现代运动控制系统平台的要求，系统既要能实现运动控制的速度和精度，又要发挥PC机的优势。PCI-1243U是一种即插即用型的32位PCI总线控制卡。在Windows操作系统下必须先进行系统初始化，才可以实施对运动状态的控制。系统初始化主要包括硬件初始化和系统配置。前者主要完成地址、中断通道等板卡资源的分配；后者则负责对限位开关、脉冲输出类型等设备参数的相关设置。运动控制系统的软件流程图如图4所示。

2．2 运动控制卡软件介绍
2．2．1 PCI-1240中各参数之间的关系
    DV：运行速度；SV：初始化速度；AC：加速度；AK：加加速。
    设定加速度时间为&t，则DV=SV+AC*&t，AK=AC／&t。在设定时，如果不合适则报错。
2．2．2 脉冲表示方式
    PCI-1243运动控制卡利用脉冲方式确定运动的方向和距离，常用的3种方式如图5所示。

    A／B相向可定义为当A相先于B相90°为正向运动，A相落后于B相90°为反向运动；个数可由A相的上升沿确定。
    (1)CW／CCW有脉冲，CC为高电平时表示正向运动，反之为反向运动；个数由CW或CCW脉冲上升沿的个数确定。
    (2)Pulse／Dir方向由Dir信号确定，距离由Pulse信号表示。
2．2．3 VB6．0与动态链接库
    PCI-1240运动控制卡将主要函数进行分类、封装，形成一种可根据用户需要而调用的动态链接库dll。dll是一种基于Windows的程序模块，可以使多个应用程序之间共享代码和资源，从而提高运行效率。在VB程序中，只要对dll进行正确的声明，便可像使用VB本身的函数一样使用dll中的函数。
    PCI-1240为VB提供了动态链接库，他是一个运动控制API函数库，只需用VB编写一个接口，在软件开发中调用运动函数中的相关函数，就可以方便地对多轴电机进行精确、高速的控制。运动控制系统主要用到的函数有初始化相关函数、I／O相关函数、运动状态检测函数、Home功能函数以及T／S型曲线运动控制函数等。
2．3 VB程序实现
    运动方式包括单轴的回原点(Home)、连续运转(Continue Drive)、点对点运转(Point to Point Drive)、多轴间的线性插补(Line Pro file Drive)以及圆弧插补(Arc Profile Drive)。电机驱动器脉冲输出方式选择CW／CCW方式。

    系统具有广阔的开放性和良好的适用性，其硬件系统及下层软件均实现模块化，可嵌入不同的机械传动设备中，通过开发特定的上位机软件实现特定的数控功能。系统在纺织机上已进行了大量应用，编织出合格的衣料。

3 结束语
    基于“工控PC机+PCI1243”开发的运动控制系统，系统设计灵活、人机界面丰富、多轴联动、运行精确可靠、容易实现网络的远程控制。在不占用微机CPU时间的情况下，完成对运动控制系统的精确控制。采用运动控制卡，驱动控制的计算机控制系统也能很好地实现变速曲线运动。目前，该系统已被广泛应用在包装、印刷、纺织和装配工业中，运行状况良好。