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基于PCI-1240运动控制系统1

基于PCI-1240运动控制系统1

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。
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