基于NI运动控制卡的伺服电机控制系统研究

2014-04-14贺昌勇张厚江路敦民祖汉松王朝志

科技视界 2014年12期

贺昌勇张厚江路敦民祖汉松王朝志

(1.北京林业大学工学院，中国北京 100083；2.北京中科泛华测控技术有限公司，中国北京 100192)

目前，伺服电机常见的控制方式有单片机控制、DSP控制、ARM控制、PLC控制、PC机+运动控制卡等。单片机、DSP、ARM控制编程比较复杂，要从低层做起，通常需要设计和加工相应微处理器系统电路板、开发周期比较长、需要编程人员对微处理器控制非常熟练；PLC适用于工厂等环境比较恶劣的场所，而且PLC大部分用于运动过程比较简单、轨迹固定的工况下[1]，运动控制卡是一种基于PC机更加柔性、更加开放式的控制方式，PC机负责人机交互界面的管理和实时监控、而运动的所有细节都由运动控制卡来实现，充分的将两者结合起来——PC机强大的数据处理功能、运动控制卡对电机的精确控制，大大提高了系统的可靠性和准确性[2]，而且运动控制卡二次开发很方便，由此运动控制卡得到越来越多人的应用。

1 NI运动控制卡简介

众所周知 NI公司(美国国家仪器公司)是测试测量的领头羊，其“软件即是仪器”、“图形有边，系统无界”的思想使测试、测量进入了一个新的领域。程序采用Labview编程，它是一种真正意义上的图形化编程语言，“所见即所得”，与C、Basic等文本语言相比，它在编程中有更详细的提示信息，如函数的功能、参数类型等，程序员不需要记忆那些枯燥的函数信息[3]。NI公司首先将其扩展到测试、测量最相近的领域——运动控制，早在Labview7.1版本就已经有正式的运动控制模块，NI公司相继推出了PCI插槽、PXI插槽的运动控制卡，目前控制轴数最多的是8轴运动控制卡[4]。

PCI-7344是4轴运动控制卡，PCI总线传输效率高，支持即插即用，数据吞吐量大，是运动控制卡设计的主流[5]。每一轴均可以控制步进/伺服电机是NI运动控制中档产品之一，NI PCI-7344包括双处理器和一个实时板载操作系统，并具有多轴插值功能，循环更新率，有两个68-pin VHDCI母头的接口：Motion I/O、Digital I/O，数字I/O通道数32；PWM通道数2，最大步进输出率4MHZ；最大编码器输出率20MHZ[6]。

UMI-7774(4 轴)是用于 NI 735x、NI 734x、NI 733x运动控制卡和第三方驱动器及放大器的特殊运动控制接口。这些接口提供了各种特性，是D Sub连接和信号隔离等工业环境的理想选择。UMI-7774需要24V电源供电，还支持5-30V的隔离电源。其主要的特点：可与差分编码器连接；状态LED用于排除连接故障；16条通用数字I/O线；24V隔离；每个轴均可用D-Sub连接；信号连接电缆68pinVHDL型；控制信号为+5v输出，电流为1A[7]。

2 系统组成与工作原理

2.1 统组成

系统由研华工控机IPC-610H、运动控制卡PCI-7344、接线盒UMI-7774；台达伺服驱动器ASD-A2-1521-M、台达伺服电机ECMAE11315RS组成。图1为系统组成框图。伺服电机的功率1.5kw、扭矩7.16N.m。

图1 系统组成框图

2.2 工作原理

本系统采用位置控制模式，接收上位机发出的脉冲和方向的差分信号，伺服电机本身具有编码器，在伺服驱动器内部可以形成闭环，然后编码器的信号也可以输出到运动控制卡上，与上位机的输出信号形成闭环，使得系统的动态性和稳定性大大提高[8]。NI运动控制卡控制的是伺服驱动器而不是直接的伺服电机，用图形化编程语言的Labview编写上位机软件，调用运动控制卡的函数，通过运动控制卡发送脉冲或模拟量实现对伺服驱动器的控制。

（1）脉冲控制：驱动器工作在位置环，脉冲的多少代表走的长度，发送脉冲的频率表示速度；

（2）模拟量控制：驱动器工作在速度环或者电流环，模拟量的大小对应电机的速度与位置。

我们选用的是脉冲控制方式：PCI-7344发送脉冲和方向信号给驱动器，驱动器控制电机的运转，之所以选择脉冲控制方式，有两个方面的原因：

（1）可靠性比较高，不易发生飞车事故。如果采用模拟电压控制方式的话，一般的为-10v-+10v的模拟电压，10v对应正向最大转速、-10v对应反向最大转速，如果在控制过程中原件损坏或软件故障，可能造成模拟电压瞬间达到最大值，那么电机立刻就会以最高的速度运转，很容易发生飞车，对操作人员造成伤害。

（2）抗干扰性比较好，比较适用对环境要求比较高的场所。数字电路的抗干扰性能是模拟电路所无法比拟的。

但是由于采用脉冲控制方式，驱动器工作在位置控制方式，位置环在驱动器的外部，调节PID参数不是很方便，因此控制的快速性不是很高，在本系统中完全能够满足我们的要求。

选用的台达伺服电机是A2系列搭配高精度20-bit等级(1280000p/rev)编码器，提升定位精度与低速运转稳定度。即电机接收1280000个脉冲，电机转动一圈，根据公式：位置指令=指令脉冲输入*电子齿轮比，即，在驱动器中我们设置电子齿轮比为128，那么PCI-7344每秒发出10000个脉冲，电机就会转动一圈，也就是60r/min的速度运转，脉冲的正负决定电机的正反转。图2是台达伺服电机和驱动器以及UMI-7774的电路连接图，驱动器的主回路和控制回路都是220V电源供电，电机和驱动器之间通过动力线和编码器线相连。图3详细的描述了UMI-7774和台达伺服驱动器的连接方式，使用的是驱动器内部电源24V，4引脚是脉冲信号，12引脚是方向信号，分别与驱动器的/pulse(脉冲信号)、/sign(方向信号)相连。