毕业论文：基于运动控制卡的控制程序和界面设计

毕 业 设 计（论 文）

题 目： 基于运动控制卡的控制程序和界面设计

系 别： 电气与信息工程学院
专 业： 自动化
摘 要

运动控制技术的发展是制造自动化技术前进的旋律，是推动新的产业革命的关键技术。近年来，随着运动控制技术与相关产品的不断改进和完善，它越来越突显出极重要的作用与地位，甚至在某些行业和领域还处于核心技术地位，正是这种独特的作用使运动控制技术近年来有了很大发展。
本文在对伺服控制、伺服电机的种类做了简单介绍，讨论了当下常用的三种伺服电机控制系统后，重点探究了如何使用运动控制卡控制多轴系统，实现多轴的协调运动。其后本文介绍了运动控制器的硬件组成，重点分析了运动控制卡的选型。接着论述了本文的重点部分：系统软件设计。对MFC和运动控制器库函数在程序中的运用做了深入剖析。最后介绍了程序调试过程中遇到的一些难点以及通过本课题获得的一些收获。
关键词：MFC；伺服电机；运动控制器

Abstract

The development of motion control technology is the forward melody of manufacturing automation technology. It is the key technology to promote a new industrial revolution .In recent years,With the development of motion control technology and the improvement of related products, it plays more and more important role,and in some industries and fields it even still lies in the core position of technology.It is the unique role of the motion control technology help it develop greatly in recent years.
This paper gives a brief introduction of servo control, servo motor and so on.After given a discussion of three kind of current and commonly used servo motor control system,i focus on how to use motion control card control muti a*is system and the realization of muti a*is coordinated motion.This paper introduces the subsequent motion controller hardware,i focus on the analysis of the motion control card selection. And then i discusses the key part of the paper,system software design.It focus on MFC and motion controller of functions library used in the program and do development to analyze.Finally it introduced some difficulties encountered int the program debugging process and some harvest gained through
……（新文秘网https://www.wm114.cn省略2616字，正式会员可完整阅读）……　
机通常有三种，步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机。控制方式也不太一样。伺服系统通过功率放大装置将数字信号转变为电信号，从而控制电动机的转动。伺服电动机又称执行电动机，在数控系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服系统不同于普通电机，它接收到电信号后才进行微小的转动，从而可以精确的控制电机的角位移。
CNC系统控制电机运动的核心是可编程控制器（PLC）。可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：电源、中央处理单元(CPU) 、存储器、输入输出接口电路、功能模块、通信模块。
可编程逻辑控制器工作过程分为输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
PLC控制伺服电机的控制方法一种是使用模拟量控制伺服电机的速度或者扭矩，通过编码器反馈回来伺服电机的位置，这是一种真正的全闭环控制，还有一种是通过plc的脉冲控制伺服电机，这样的话电机就没有位置反馈给plc，也就只能实现半闭环控制，控制上就和步进电机差不多了。

1.2.3 基于运动控制卡的控制系统
运动控制（MC）是自动化的一个分支，它使用通称为伺服机构的一些设备如液压泵，线性执行机或者是电机来控制机器的位置和/或速度。运动控制在机器人和数控机床的领域内的应用要比在专用机器中的应用更复杂，因为后者运动形式更简单，通常被称为通用运动控制（GMC）。运动控制被广泛应用在包装、印刷、纺织和装配工业中。
运动控制就是控制电动机的运行方式：比如电动机在由行程开关控制交流接触器而实现电动机拖动物体向上运行达到指定位置后又向下运行，或者用时间继电器控制电动机正反转或转一会停一会再转一会再停。运动控制（MC）是自动化的一个分支，它使用通称为伺服机构的一些设备如液压泵，线性执行机或者是电机来控制机器的位置和/或速度。运动控制在机器人和数控机床的领域内的应用要比在专用机器中的应用更复杂，因为后者运动形式更简单，通常被称为通用运动控制（GMC）。运动控制被广泛应用在包装、印刷、纺织和装配工业中。
一个运动控制器用以生成轨迹点（期望输出）和闭合位置的反馈环。许多控制器也可以在内部闭合一个速度环。 一个驱动或放大器用以将来自运动控制器的控制信号（通常是速度或扭矩信号）转换为更高功率的电流或电压信号。更为先进的智能化驱动可以自身闭合位置环和速度环，以获得更精确的控制。 一个执行器如液压泵、气缸、线性执行机或电机用以输出运动。 一个反馈传感器如光电编码器，旋转变压器或霍尔效应设备等用以反馈执行器的位置到位置控制器，以实现和位置控制环的闭合。 众多机械部件用以将执行器的运动形式转换为期望的运动形式，它包括齿轮箱、轴、滚珠丝杠、齿形带、联轴器以及线性和旋转轴承。 通常，一个运动控制系统的功能包括：速度控制 点位控制（点到点）。有很多方法可以计算出一个运动轨迹，它们通常基于一个运动的速度曲线如三角速度曲线，梯形速度曲线或者S型速度曲线。 电子齿轮（或电子凸轮）。也就是从动轴的位置在机械上跟随一个主动轴的位置变化。一个简单的例子是，一个系统包含两个转盘，它们按照一个给定的相对角度关系转动。电子凸轮较之电子齿轮更复杂一些，它使得主动轴和从动轴之间的随动关系曲线是一个函数。这个曲线可以是非线性的，但必须是一个函数关系。
运动控制器对伺服电机的控制功能是非常强大的，可以控制伺服电机带动运动控制轴完成各种复杂而精确的运动。运动控制器以单个电路同时控制4个伺服系统或步进电机系统,可进行各轴独立的定位控制、速度控制,亦可在任意2轴或3轴中进行圆弧、直线、位模式插补。控制电路能与8/16位数据总线接口,通过命令、数据和状态等寄存器实现4轴3联动的位置、速度、加速度等的运动控制和实时监控、实现圆弧、直线、位模式3种模式的轨迹插补,输出脉冲频率达到4MHz,每轴都有伺服反馈输入端、4个输入点和8个输出点,能独立地设置为恒速、线性、非对称S曲线加/减控制、非对称梯形加/减速控制方式,并有2个32位的逻辑、实际位置计数器和状态比较寄存器,实现位置的闭环控制,另外,运动控制器还能实现自动搜寻原位、输入信号滤波器、同步动作、输出脉冲32位,圆弧/直线插补脉冲范围32位、完成S曲线加/减速的非对称、手动设定模式、位置计算器的可变环形、Z相输入的实位计数器的清除、实位计算器的增减反转等功能。
1.2.4 三种控制方式的比较
采用PLC来控制伺服电机是工业生产中的主要方法，这种方法可以实现的控制功能较多，而且稳定可靠，控制成本低。采用单片机来控制伺服电机能够实现的功能单一并且控制方式复杂，只适合于教学中对单片机控制功能的研究。采用运动控制器来控制伺服电机虽然成本比较高，但是运动控制器在控制伺服电机方面的功能非常强大，理论上讲是最适合用来控制伺服电机的设备，很适合教学研究中来探究伺服电机的控制。
PLC系统作为控制装置时，虽具有PLC系统的灵活性、一定的通用性，但是对于精度较高（如插补控制）、反应灵敏的要求时难以做到或编程非常困难，而且成本可能较高。随着技术进步和技术积累，运动控制器应运而生了，它把一些普遍性的、特殊的运动控制功能固化在其中（如插补指令），用户只需组态、调用这些功能块或指令，这样减轻了编程难度，性能、成本等方面也有优势。
可以这样理解：PLC的使用不局限于CNC，只是一种普通的运动控制装置。运动控制器是一种特殊的PLC，专职用于运动控制。
综上所述，为了更好地探究伺服电机的性能，为了找出更多的控制功能，我最终决定采用运动控制器来控制伺服电机。

1.3 国内外研究现状和发展趋势
通用运动控制技术作为自动化技术的一个重要分支，在国外一直处于高速发展的阶段，应用范围也越来越广。全球主流运动控制器大都是外国的一些知名厂家生产。通用运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品，已经被越来越多的产业领域接受，并且它已经达到一个引人瞩目的市场规模。根据近期国外的一份研究，世界运动控制器市场已超过40亿美元，并且仍在高速增长。运动控制器已经从以单片机或微处理器作为核心的运动控制器和以专用芯片作为核心处理器的运动控制器，发展到了基于PC总线的以DSP和FPGA作为核心处理器的开放式运动控制器。运动控制技术也由面向传统的数控加工行业专用运动控制技术而发展为具有开放结构、能结合具体应用要求而快速重组的先进运动控制技术。基于网络的开放式结构和嵌入式结构的通用运动控制器逐步成为自动化控制领域里的主导产品之一。高速、高精度始终是运动控制技术追求的目标。充分利用DSP的计算能力，进行复杂的运动规划、高速实时多轴插补、误差补偿和更复杂的运动学、动力学计算，使得运动控制精度更高、速度更快、运动更加平稳；充分利用DSP和FPGA技术，使系统的结构更加开放，根据用户的应用要求进行客制化的重组，设计出个性化的运动控制器将成为市场应用的两大方向。
我国在运动控制器产品开发方面相对落后，国内有几家公司涉足这个领域，但实际上，大多是在国内推广国外生产的运动控制器产品，或者是在国外的技术上进行一些修改。我所使用的运动控制器的生产厂家固高科技便是其中一家公司。另外，我国的科研工作者也成功研发了两种数控平台华中I型、蓝天I型等4种基本系统，这些系统采用模块化、嵌入式的软硬件结构。其中华中I型较具代表性，它采用工业PC机插接口卡的结构，运行在DOS平台上，具有较好的模块化、层次化特征，具有一定的扩展和伸缩性。但从整体来说这些系统是数控系统，不是独立的开放式运动控制器产品。目前，我国的经济发展较快，市场对于先进运动控制设备的需求越来越大。
1.4 论文的主要研究内容和安排
本文的主要工作有一下几部分，首先是要分析一下当前存在的几种控制伺服电机的方法，比较出它们在控制伺服电机方面的优点与缺点。然后决定采用哪种控制方式来研究伺服电机的控制。接着对选定的控制方法（采用运动控制器来控制伺服电机）进行深入了解，分析它的控制原理，以及它控制伺服电机的整个运动过程。对运动控制器的硬件部分做一些分析。然后了解运动控制器的软件编程方法，学习如何使用运动控制器来控制电机。具体研究内容如下：
（1）陈述了伺服电机的类型以及伺服电机的几种控制方式。然后具体分析一下当前存在的三种伺服电机的控制设备：单片机、运动控制器、数控系统，比较它们的优点与缺点决定采用哪种方法来控制伺服电机。介绍了国内外运动控制器的发展现状和趋势。
（2）具体分析了一下运动控制器控制伺服电机的硬件原理。然后对选择的运动控制器进行了介绍。重点在于分析运动控制器的硬件部分。包括硬件部分的选型以及它们的工作原理。
（3）介绍本课题中的软件设计部分，也是本课题中的核心部分。首先对采用哪种编程语言进行了分析，确定了程序的框架。其次讲了程序中窗口的设计。接着介绍了代码中使用到的Windows程序设计中的一些方法，包括消息映射、条件编译等。然后对程序中使用的运动控制器库函数中的一些重要的功能函数作了介绍。最后讲了一下在程序中类的设计。
（4）介绍了程序调试过程中遇到的问题以及解决的方法。
（5）全文的总结和展望。对现有工作和成果做了总结，阐述了不足之处和改进方案。对在毕业设计中得到收获进行了陈述。


第二章 系统硬件设计

2.1 电机控制系统
现在运动控制器的生产厂家很多，运动控制器的控功能也越来越强。可供我们选择的运动控制器种类很多。实验室提供的是由固高科技生产的GT-400-SV-ISA-G运动控制器。
2.1.1 电机控制系统的基本组成
一个运动控制器要有用以生成轨迹点（期望输出）和闭合位置的反馈环。许多控制器也可以在内部闭合成一个速度环。 一个驱动或放大器用以将来自运动控制器的控制信号（通常是速度或扭矩信号）转换为更高功率的电流或电压信号。更为先进的智能化驱动可以自身闭合位置环和速度环，以获得更精确的控制。 一个执行器如液压泵、气缸、线性执行机或电机用以输出运动。 一个反馈传感器如光电编码器，旋转变压器或霍尔效应设备等用以反馈执行器的位置到位置控制器，以实现和位置控制环的闭合。 众多机械部件用以将执行器的运动形式转换为期望的运动形式，它包括齿轮箱、轴、滚珠丝杠、齿形带、联轴器以及线性和旋转轴承。 通常，一个运动控制系统的功能包括：速度控制 点位控制（点到点）。有很多方法可以计算出一个运动轨迹，它们通常基于一个运动的速度曲线如三角速度曲线，梯形速度曲线或者S型速度曲线。 电子齿轮（或电子凸轮）。也就是从动轴的位置在机械上跟随一个主动轴的位置变化。一个简单的例子是，一个系统包含两个转盘，它们按照一个给定的相对角度关系转动。电子凸轮较之电子齿轮更复杂一些，它使得主动轴和从动轴之间的随动关系曲线是一个函数。这个曲线可以是非线性的，但必须是一个函数关系。


图2.1 电机运动控制器系统原理框图

本课题使用的运动控制器的型号是GT-400-SV-PCI-G
GT代表是固高科技的GT系列（其他系列还有例如GE系列、GO系列、GTS系列）。
400代表可控轴的数目（200:两轴。300:3轴。400:4轴）。
SV代表输出类型（SV：模拟量或脉冲量。SP：脉冲量，有编码器读数功能。SG：高频脉冲输出(1MHZ)。SD:占空比可调脉冲输出。SE：低频脉冲输出(256KHZ)）。
PCI代表总线类型（ISA：ISA总线。PCI：PCI总线。）
G代表接口板类型（G：标准型。A：A/D转换型。R：驱动继电器型。O：定制型）
GT系列运动控制器硬件组成:
1、运动控制卡；
2、对于PCI总线卡，具有PCI插槽的IBM-PC或其兼容机
3、具有增量式编码器的伺服电机或者步进电机；
4、驱动器
5、驱动器电源
6、-12V—+24V电源（用于接口板电源）；
7、原点开关、正负限位开关（根据系统需要可选）；
伺服电机即可以选择交流伺服电机也可以选择直流伺服电机。控制伺服电机时，控制器输出+/-10V模拟电压控制信号。选用伺服电机时，应选配七相应的伺服驱动器及配件。
对于控制步进电机，运动控制器提供两种不同的控制信号：正脉冲/负脉冲、脉冲/方向。这样，控制器可以与目前任何类型步进电机驱动器配套使用。在控制步进电机时，控制模式为开环控制，不需要编码器。对于SP卡，可以读取编码器信号。采用见图2.2。


图2.2 GT系列运动控制器组成的控制系统典型连接

2.1.2 伺服电机的选型
对于轴运动用的电机，要求虽然不是特别高的，但是为了实现对轴的高精度控制，这一点却不是一般的电机可以胜任的。对于其的选择，我们应该考虑到以下几点：
考虑电机的转动稳定度，即要能很好的锁定其转动角速度，这样对于控制轴的运动就可以从动力上得到了第一步的控制，所以需要考虑电机转动时的线性平稳度的问题。这样我们就得用闭环工作的电机，例如：直流伺服电机，直流无刷伺服电机，交流伺服电机，普通无刷电机，步进电机等。
考虑电机的转速，要考虑轴的最高运动速度和低速的精确对准问题。
考虑轴运动提速快慢的问题，即电机的扭矩和轮子直径的问题。
考虑伺服电机供电的问题。
考虑到电机在轴上安装的问题。
考虑对电机控制实现的容易程度的问题。
考虑到对电机及 ……（未完，全文共40851字，当前仅显示7348字，请阅读下面提示信息。收藏《毕业论文：基于运动控制卡的控制程序和界面设计》）