近年來，虛擬儀器技術(shù)在航空、航天、航海、通信、汽車、半導體、生物醫(yī)學等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，從簡單的儀器控制、數(shù)據(jù)采集到尖端的測控和工業(yè)自動化，從大學實驗室到工業(yè)現(xiàn)場，從探索研究到技術(shù)集成，可以發(fā)現(xiàn)虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用的很多實例。國內(nèi)外學者對此作了很多的研究工作，也發(fā)表了不少相關(guān)文章或論文，但在運動控制方面，卻探討的不多。因此，筆者想就虛擬儀器技術(shù)在步進電機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，談?wù)勛约旱囊恍┏醪教接懞腕w會。
一、虛擬儀器與運動控制
1. 虛擬儀器與圖形化編程語言-LabVIEW
虛擬儀器(即Virtual Instrument，簡稱NI)是一種基于計算機的儀器，就是在通用計算機上加上軟件和(或)硬件，使得使用者在操作這臺計算機時，就象是在操作一臺他自己設(shè)計的專用的傳統(tǒng)電子儀器。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵，任何一個使用者都可以通過修改軟件的方法，很方便地改變、增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模，所以有“軟件就是儀器”之說。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義，用戶無法改變的模式，虛擬儀器技術(shù)給用戶一個充分發(fā)揮自己的才能、想象力的空間。用戶(而不是廠家)可以隨心所欲地根據(jù)自己的需求，設(shè)計自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應(yīng)用需求。
虛擬儀器系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)與儀器系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它利用PC計算機強大的圖形編程環(huán)境和在線幫助功能，結(jié)合相應(yīng)的硬件，快速建立人機交互界面的虛擬儀器面板，完成對儀器或設(shè)備的控制、數(shù)據(jù)分析與顯示，提高儀器的功能和使用效率，大幅度降低儀器的價格，使用戶可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能，方便地對其進行維護、擴展、升級等。
LabVIEW是美國NI公司利用虛擬儀器(virtual instnlments)技術(shù)開發(fā)的32位，主要面向計算機測控領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺。LabVIEW同時也是一一種功能強大的圖形編程語言，但它與傳統(tǒng)的文本編程語言(如c語言)不同，采用了一種基于流程圖的圖形化編程形式，因此也被稱為G語言(graphical language)。這種圖形化的編程形式，方便了非軟件專業(yè)的工程師快速編制程序。LabVIEW也不同于傳統(tǒng)文本式的編程語言的順序執(zhí)行方式，而是采用了數(shù)據(jù)流的執(zhí)行方式，這種方式要求程序僅在各節(jié)點已獲得它的全部數(shù)據(jù)后才執(zhí)行。
多任務(wù)并行處理一般是通過多線程技術(shù)來實現(xiàn)的，不同的任務(wù)實際上通過各自的線程輪流占用CPU時間片來達到“同時”處理的目的。LabVIEW也采用了多線程技術(shù)，而且與傳統(tǒng)文本式的編程語言相比，有兩大優(yōu)點：LabVIEW把線程完全抽象出來，編程者不需對線程進行創(chuàng)建、撤銷及同步等操作；LabVIEW使用圖形化的數(shù)據(jù)流的執(zhí)行方式，因此在調(diào)試程序時，可以非常直觀地看到代碼的并行運行狀態(tài)，這使編程者很容易理解多任務(wù)的概念。
LabVIEW圖形化編程語言有效地利用了當今圖形用戶接口的點擊特性。編寫程序只包含以下的一些簡單步驟：
用鼠標選擇儀器函數(shù)作為對象；
描述測試步驟和對象之間的關(guān)系；
建立初始條件。
2. 運動控制
運動控制卡是一種基于PC機、用于各種運動控制場合(包括位移、速度、加速度等)的上位控制單元。它的出現(xiàn)主要是因為：
為了滿足新型數(shù)控系統(tǒng)的標準化、柔性、開放性等要求；
在各種工業(yè)設(shè)備、國防裝備(如跟蹤定位系統(tǒng)等)、智能醫(yī)療裝置等設(shè)備的自動化控制系統(tǒng)研制和改造中，急需一個運動控制模塊的硬件平臺；
PC機在各種工業(yè)現(xiàn)場的廣泛應(yīng)用，也促使配備相應(yīng)的控制卡以充分發(fā)揮PC機的強大功能。
運動控制卡通常采用專業(yè)運動控制芯片或高速DSP作為運動控制核心，大多用于控制步進電機或伺服電機。一般地，運動控制卡與PC機構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)：PC機負責人機交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控等方面的工作 (例如鍵盤和鼠標的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、運動軌跡規(guī)劃、控制指令的發(fā)送、外部信號的監(jiān)控等等)；控制卡完成運動控制的所有細節(jié)(包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速的處理、原點和限位等信號的檢測等等)。運動控制卡都配有開放的函數(shù)庫供用戶在相應(yīng)系統(tǒng)平臺下自行開發(fā)、構(gòu)造所需的控制系統(tǒng)。因而這種結(jié)構(gòu)開放的運動控制卡能夠廣泛地應(yīng)用于制造業(yè)中設(shè)備自動化的各個領(lǐng)域。
步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的�？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，步進電機由于具有轉(zhuǎn)子慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點，成了控制系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件之一。步進電機的控制方法包括開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種。
二、基于虛擬儀器的步進電機控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與原理
一般運動控制系統(tǒng)主要由五部分構(gòu)成：被移動的機械設(shè)備、運動I/O的馬達(伺服或步進)、馬達驅(qū)動單元、智能運動控制器、以及編程/操作接口軟件。
本系統(tǒng)的目標是利用筆者實驗室已有美國國家儀器公司(NI)的NI PCI 7354伺服/步進運動控制卡及其配套軟件、NI 7604伺服/步進驅(qū)動器及其配套軟件、兩相步進電機、LabVIEW軟件、多軸精密電移臺(負載)、PC機等構(gòu)建一套步進電機運動控制系統(tǒng)，分別實現(xiàn)單軸、兩軸、三軸和四軸的運動控制，要求系統(tǒng)具有數(shù)控系統(tǒng)的基本功能，能實現(xiàn)不同坐標系下的直線、圓弧插補、速度控制、電子傳動等功能，以供實驗教學應(yīng)用。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1示。
圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖
1. NI PCI 7354運動控制卡
NI PCI 7354控制卡可同時控制包括交流和步進電機的4軸運動，能實現(xiàn)諸如點到點位置控制、速度控制、三維直線、圓弧、螺旋型和球形運動、電子傳動、混合運動、回程和限位控制、Trigger輸入和Breakpoint輸出等功能。NI PCI 7354的嵌入式固件是基于RT0S(實時操作系統(tǒng))內(nèi)核的，實時性強，通過簡單易用的運動控制器、軟件、以及外設(shè)提供集成方案的功能與能力，為一般伺服與步進應(yīng)用提供精確、高性能的運動功能。該運動控制器可以使用支持Windows 2000/NT/Me/xp操作系統(tǒng)的LabVIEW、Measurement Studio(LabWindows/CVI、Visual Basic)以及C/C++進行編程。
NI PCI 7354運動控制卡是高性能PCI步進/伺服控制器，可用于所有運動控制系統(tǒng)中，控制器采用先進的技術(shù)，在嵌入式實時運動或者以主機為中心的編程環(huán)境中提供混合運動軌跡控制和完全協(xié)同的圓形、線性、點到點、齒輪和空間矢量控制。其豐富的功能可以滿足最為嚴格的要求。
NI PCI 7354運動控制卡的主要特點：通過PCI總線與主機(上位機)通信； 68芯VHDCI輸出電纜；普通數(shù)字輸出電壓：0-32V；高電平3.5--30V， 低電平0—2V；最大脈沖速率：100KHZ；運行電流：3-14mA；觸發(fā)輸出最大脈沖速率：1MHz；
2. 運動控制軟件
利用NI LabVIEW圖形化編程語言以及各種應(yīng)用軟件可以開發(fā)功能強大的運動控制程序，運動控制器配備NI-Motion驅(qū)動軟件提供的LabVIEW VI、固件更新程序、DLL程序，可以利用其它開發(fā)工具(比如Measurement Studio， LabWindows CVI)或其它編程語言開發(fā)運動控制應(yīng)用。NI運動助手(Motion Assistant)是一個采用LabVIEW代碼生成方法的附加工具，運用該工具您只需進行極少編程甚至無需編程即可開發(fā)LabVIEW運動控制應(yīng)用。
3. NI 7604 驅(qū)動器
NI 7604驅(qū)動器將NI 7354提供的四軸運動控制信號放大，以驅(qū)動兩相步進電機運轉(zhuǎn)，帶動精密電移臺運動。該驅(qū)動器將運動控制器與特定應(yīng)用馬達、編碼器、限位器、用戶I/O連接在一起。一根控制電纜連接運動控制器與驅(qū)動器，為全部的命令集與反饋信號提供一個通道。
NI 7604的主要特點：輸入電壓：115V/23V，2/1A，60/50Hz； 步進放大器：IM481H；每相電流：0.2—1.4A；電源連續(xù)輸出容量：80W；輸入電纜：68芯VHDCI型；輸出電壓：24V DC；+5V輸出：1A。
4. 運動控制外設(shè)
兩相步進電機4臺，四軸精密電移臺一套，電移臺是滾珠絲杠/螺母驅(qū)動結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)原理圖如圖2示。
圖2 系統(tǒng)原理圖
三、系統(tǒng)工作原理
通過上位機(PC機)的數(shù)據(jù)終端設(shè)備設(shè)置步進電機的目標位置、加速度、速度和減速度(即發(fā)出運動控制任務(wù))，NI PCI7354運動控制卡根據(jù)設(shè)置信息控制電機的運動時間(輸出脈沖個數(shù))和方向，即控制卡完成實時運動規(guī)劃，NI 7604驅(qū)動器放大脈沖信號以驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。
在電機運行過程中，控制脈沖的頻率f應(yīng)隨時變化以滿足電機低速起停及高速運行的需要。脈沖頻率由發(fā)送數(shù)據(jù)的波特率(B)決定，每發(fā)出一個脈沖需用兩個二進制位1和0來構(gòu)成其高、低電平，所以f＝B/2，通過調(diào)整發(fā)送數(shù)據(jù)的波特率可改變所發(fā)出的控制脈沖的頻率。按常規(guī)波特率系列發(fā)送數(shù)據(jù)時所產(chǎn)生的控制脈沖頻率變化較大，不能滿足電機正常起停及調(diào)速的要求，為此計算機需按非標準的波特率發(fā)送數(shù)據(jù)以產(chǎn)生任意頻率的控制脈沖。一般在電機起動及停止階段每發(fā)送一個字節(jié)調(diào)整一次波特率，以使電機起停得盡量平滑。
四、軟件研究與實現(xiàn)
在系統(tǒng)硬件環(huán)節(jié)構(gòu)建完成后，先后逐步完成了單軸直線運動控制、兩軸平面運動控制、三軸空間運動控制系統(tǒng)的軟件研究與開發(fā)。
圖3 兩軸平面螺旋運動控制前面板
控制軟件利用LabVIEW 7這種虛擬儀器軟件開發(fā)平臺設(shè)計，每個程序分為前面板和框圖程序兩部分。前面板用于設(shè)置控制參數(shù)和顯示控制過程及結(jié)果，框圖程序是程序的代碼。兩軸平面螺旋運動前面板如圖3示，兩軸平面螺旋運動框圖程序(局部)如圖4示。
圖4 兩軸平面螺旋運動控制框圖程序（局部）
三軸空間運動的前面板和框圖程序(局部)分別如圖5、圖6所示。
圖5 三軸運動控制前面板
圖6 三軸運動控制框圖程序（局部）
五、結(jié)語
實驗效果表明，該步進電機控制系統(tǒng)性能良好，工作可靠。配上多種功能的人機界面后可以實現(xiàn)位置(起點和目標點)、速度、加速度、減速度等的可視化操作和控制，通過改變在線改變負載的目標位置，可以實現(xiàn)位置的精確定位控制，通過在線調(diào)整速度和加/減速度的值，可以達到快速調(diào)速的目的。目前實現(xiàn)了開環(huán)多軸控制，鑒于步進電機的閉環(huán)控制，筆者計劃進一步研究步進電機閉環(huán)控制的多軸運動控制系統(tǒng) |
