运动控制范文

运动控制篇1

【关键词】运动控制系统；上位控制单元；方案

信息时代的高新技术流向传统产业，引起后者的深刻变革。作为传统产业之一的机械工业，在这场新技术革命冲击下，产品结构和生产系统结构都发生了质的 跃变，微电子技术、微计算机技术使信息和智能与机械装置和动力设备相结合，促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技术革命。随着计算机电子电力和传感 器技术的发展，各先进国家机电一体化产品层出不穷。在机电一体化技术迅速发展的同时，运动控制技术作为其关键组成部分，也得到前所未有的大发展。

一、用单片机系统来实现运动控制。

此系统由单片机芯片、扩展芯片以及通过搭建电路组成。在“位置控制”方式时，通过单片机的I/O口发数字脉冲信号来控制执行机构行走；“速度控制”方式时，需加D/A转换模块输出模拟量信号达到控制。此方案 优点在于成本较低，但由于一般单片机I/O口产生脉冲频率不高，对于分辨率高的执行机构尤其是对于控制伺服电机来说，存在速度达不到，控制精度受限等缺点。对于运动控制复杂的场合，例如升降速的处理，多轴联动，直线、圆弧插补等功能实现起来都需要自己编写算法，这必将带来开发起来难度较大，研发周期较 长，调试过程烦琐，系统一旦定型不太容易扩充功能、升级、柔性不强等问题。因此这种方案一般适用于产品批量较大、运动控制系统功能简单、且有丰富的单片机 系统开发经验的用户。

二、采用专业运动控制PLC来实现运动控制。

目前，许多品牌的PLC都可选配定位控制模块，有些PLC 的CPU单元本身就具有运动控制功能，使用这种PLC来做运动控制系统的上位 控制时，可以同时利用PLC的I/O口功能，可谓一举两得。PLC通常都采用梯形图编程，对开发人员来说简单易学，省时省力。还有一点不可忽视，就是它可 以与HML（人机界面）进行通讯，在线修改运动参数，如轴号、速度、位移等。这样整个控制系统中从输入到控制再到显示，非常便利。一方面将界面友好化，另 一方面将控制系统的成本从整体上节省了。但具有脉冲输出功能的PLC大多都是晶体管输出类型的，这种输出类型的输出口驱动电流不大，一般只有 0.1-0.2A。在工业生产中，作为PLC驱动的负载来说，很多继电器开关的容量都要比这大，需要添加中间放大电路或转换模块。与此同时，由于PLC的 工作方式（循环扫描）决定了它作为上位控制时的实时性能不是很高，要受PLC每步扫描时间的限制。而且控制执行机构进行复杂轨迹的动作就不太容易实现，虽 说有的plc已经有直线插补、圆弧插补功能，但由于其本身的脉冲输出频率也是有限的（一般为10K-100K），对于诸如伺服电机高速高精度多轴联动，高速插补等动作，它实现起来仍然较为困难。这种方案主要适用于运动过程比较简单、运动轨迹固定的设备，如送料设备、自动焊机等。

三、采用PC 运动控制卡作为上位控制的方案。

随着PC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一个主要发展趋势。这种方案可充分利用计算机资源，用于运动过程、运动轨迹都比较复杂，且柔性比较强的机器和设 备。从用户使用的角度来看，基于PC机的运动控制卡主要是功能上的差别：硬件接口（输入/输出信号的种类、性能）和软件接口（运动控制函数库的功能函 数）。按信号类型一般分为：数字卡和模拟卡。数字卡一般用于控制步进电机和伺服电机，模拟卡用于控制模拟式的伺服电机；数字卡可分为步进卡和伺服卡，步进卡的脉冲输出频率一般较低（几百K左右的频率），适用于控制步进电机；伺服卡的脉冲输出频率较高（可达几兆的频率），能够满足对伺服电机的控制。目前随着 数字式伺服电机的发展和普及，数字卡逐渐成为运动控制卡的主流。

从运动控制卡的主控芯片来看，一般有三种形式：单片机，专用运动控制芯片，DSP。

以单片机为主控芯片的运动控制卡，成本较低，电路较为复杂。由于这种方案仍是采用在程序中靠延时来控制发脉冲，脉冲波形的质量和频率都受到限制，一般用这种卡控制步进电机；以专用运动控制芯片为主控芯片的运动控制卡成本较高，但其运动控制功能有硬件电路实现，而且集成度高，所以可靠性、实时性都比较 好；输出脉冲频率可以达到几兆赫兹，能够满足对步进电机和数字式伺服电机的控制。以DSP（digital signal processor）为主控芯片的运动控制卡利用了DSP对数字信号的高速处理，能够实时完成极其复杂的运动轨迹，常用于像工业机器人等运动复杂的自动化 设备中。

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，总线形式也是多种多样，通常使用的是基于ISA总线，PCI总线的。而且由于计算机主板的更新换代，ISA插槽都越来越少了，PCI总线的运动控制卡应该是目前的主流。卡上专用CPU与PC机CPU构成主从式双CPU控制模式：PC机CPU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；卡上专用CPU来处理所有运动控制的细节：升降速计算、行程控制、多轴插补等，无需 占用PC机资源。同时随卡还提供功能强大的运动控制软件库：C语言运动库、WINDOWS DLL动态链接库等，让用户更快、更有效地解决复杂的运动控制问题目前的运动控制卡主要特征有：开放式结构、使用简便、功能丰富、可靠性高等。

控制卡的运动控制功能主要取决于运动函数库。运动函数库为单轴及多轴的步进或伺服控制提供了许多运动函数：单轴运动、多轴独立运动、多轴插补运动等等。另外，为了配合运动控制系统的开发，还提供了一些辅助函数：中断处理、编码器反馈、间隙补偿，运动中变速等。

正是由于运动控制卡的开放式结构，强大而丰富的软件功能，对于使用者来说进行二次开发的设计周期缩短了，开发手段增多了，针对不同的数控设备，其柔性 化、模块化、高性能的优势得以被充分利用。在目前工业生产中，它的应用范围十分广泛，在使用步进电机和数字式伺服电机的PC机运动控制系统中，都可以使用 运动控制卡作为核心控制单元。

三、结束语

运动控制篇2

    关键词:伺服驱动技术,直线电机,可编程计算机控制器,运动控制

    1 引言

    信息时代的高新技术流向传统产业,引起后者的深刻变革。作为传统产业之一的机械工业,在这场新技术革命冲击下,产品结构和生产系统结构都发生了质的跃变,微电子技术、微计算机技术的高速发展使信息、智能与机械装置和动力设备相结合,促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技术革命。

    随着计算机技术、电子电力技术和传感器技术的发展,各先进国家的机电一体化产品层出不穷。机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等许多门类产品每年都有新的进展。机电一体化技术已越来越受到各方面的关注,它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。

    在机电一体化技术迅速发展的同时,运动控制技术作为其关键组成部分,也得到前所未有的大发展,国内外各个厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。本文主要介绍了全闭环交流伺服驱动技术(Full Closed AC Servo)、直线电机驱动技术(Linear Motor Driving)、可编程序计算机控制器(Programmable Computer Controller,PCC)和运动控制卡(Motion Controlling Board)等几项具有代表性的新技术。

    2 全闭环交流伺服驱动技术

    在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中,交流伺服系统的应用越来越广泛,其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流,而且调试、使用十分简单,因而被受青睐。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP),可以对电机轴后端部的光电编码器进行位置采样,在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统,并充分发挥DSP的高速运算能力,自动完成整个伺服系统的增益调节,甚至可以跟踪负载变化,实时调节系统增益;有的驱动器还具有快速傅立叶变换(FFT)的功能,测算出设备的机械共振点,并通过陷波滤波方式消除机械共振。

    一般情况下,这种数字式交流伺服系统大多工作在半闭环的控制方式,即伺服电机上的编码器反馈既作速度环,也作位置环。这种控制方式对于传动链上的间隙及误差不能克服或补偿。为了获得更高的控制精度,应在最终的运动部分安装高精度的检测元件(如:光栅尺、光电编码器等),即实现全闭环控制。比较传统的全闭环控制方法是:伺服系统只接受速度指令,完成速度环的控制,位置环的控制由上位控制器来完成(大多数全闭环的机床数控系统就是这样)。这样大大增加了上位控制器的难度,也限制了伺服系统的推广。目前,国外已出现了一种更完善、可以实现更高精度的全闭环数字式伺服系统 , 使得高精度自动化设备的实现更为容易。其控制原理如图1所示。

    该系统克服了上述半闭环控制系统的缺陷,伺服驱动器可以直接采样装在最后一级机械运动部件上的位置反馈元件(如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等),作为位置环,而电机上的编码器反馈此时仅作为速度环。这样伺服系统就可以消除机械传动上存在的间隙(如齿轮间隙、丝杠间隙等),补偿机械传动件的制造误差(如丝杠螺距误差等),实现真正的全闭环位置控制功能,获得较高的定位精度。而且这种全闭环控制均由伺服驱动器来完成,无需增加上位控制器的负担,因而越来越多的行业在其自动化设备的改造和研制中,开始采用这种伺服系统。

    3 直线电机驱动技术

    直线电机在机床进给伺服系统中的应用,近几年来已在世界机床行业得到重视,并在西欧工业发达地区掀起"直线电机热"。

    在机床进给系统中,采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台(拖板)之间的机械传动环节,把机床进给传动链的长度缩短为零,因而这种传动方式又被称为"零传动"。正是由于这种"零传动"方式,带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。

    1. 高速响应 由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件(如丝杠等),使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高,反应异常灵敏快捷。

    2. 精度 直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差,减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制,即可大大提高机床的定位精度。

    3. 动刚度高 由于"直接驱动",避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象,同时也提高了其传动刚度。

    4. 速度快、加减速过程短 由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车(时速可达500Km/h),所以用在机床进给驱动中,要满足其超高速切削的最大进个速度(要求达60~100M/min或更高)当然是没有问题的。也由于上述"零传动"的高速响应性,使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速,高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度,一般可达2~10g(g=9.8m/s2),而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1~0.5g。5. 行程长度不受限制 在导轨上通过串联直线电机,就可以无限延长其行程长度。

    6. 运动动安静、噪音低 由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦,且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨(无机械接触),其运动时噪音将大大降低。

    7. 效率高 由于无中间传动环节,消除了机械摩擦时的能量损耗,传动效率大大提高。

    直线传动电机的发展也越来越快,在运动控制行业中倍受重视。在国外工业运动控制相对发达的国家已开始推广使用相应的产品,其中美国科尔摩根公司(Kollmorgen)的 PLATINNM DDL系列直线电机和SERVOSTAR CD系列数字伺服放大器构成一种典型的直线永磁伺服系统,它能提供很高的动态响应速度和加速度、极高的刚度、较高的定位精度和平滑的无差运动;德国西门子公司、日本三井精机公司、台湾上银科技公司等也开始在其产品中应用直线电机。

    4 可编程计算机控制器技术

    自20世纪60年代末美国第一台可编程序控制器(Programming Logical Controller,PLC)问世以来,PLC控制技术已走过了30年的发展历程,尤其是随着近代计算机技术和微电子技术的发展,它已在软硬件技术方面远远走出了当初的"顺序控制"的雏形阶段。可编程计算机控制器(PCC)就是代表这一发展趋势的新一代可编程控制器。

    与传统的PLC相比较,PCC最大的特点在于它类似于大型计算机的分时多任务操作系统和多样化的应用软件的设计。传统的PLC大多采用单任务的时钟扫描或监控程序来处理程序本身的逻辑运算指令和外部的I/O通道的状态采集与刷新。这样处理方式直接导致了PLC的"控制速度"依赖于应用程序的大小,这一结果无疑是同I/O通道中高实时性的控制要求相违背的。PCC的系统软件完美地解决了这一问题,它采用分时多任务机制构筑其应用软件的运行平台,这样应用程序的运行周期则与程序长短无关,而是由操作系统的循环周期决定。由此,它将应用程序的扫描周期同外部的控制周期区别开来,满足了实时控制的要求。当然,这种控制周期可以在CPU运算能力允许的前提下,按照用户的实际要求,任意修改。

    基于这样的操作系统,PCC的应用程序由多任务模块构成,给工程项目应用软件的开发带来很大的便利。因为这样可以方便地按照控制项目中各部分不同的功能要求,如运动控制、数据采集、报警、PID调节运算、通信控制等,分别编制出控制程序模块(任务),这些模块既独立运行,数据间又保持一定的相互关联,这些模块经过分步骤的独立编制和调试之后,可一同下载至PCC的CPU中,在多任务操作系统的调度管理下并行运行,共同实现项目的控制要求。

    PCC在工业控制中强大的功能优势,体现了可编程控制器与工业控制计算机及DCS(分布式工业控制系统)技术互相融合的发展潮流,虽然这还是一项较为年轻的技术,但在其越来越多的应用领域中,它正日益显示出不可低估的发展潜力。

    5 运动控制卡

    运动控制卡是一种基于工业PC机 、 用于各种运动控制场合(包括位移、速度、加速度等)的上位控制单元。它的出现主要是因为:(1)为了满足新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求;(2)在各种工业设备(如包装机械、印刷机械等)、国防装备(如跟踪定位系统等)、智能医疗装置等设备的自动化控制系统研制和改造中,急需一个运动控制模块的硬件平台;(3)PC机在各种工业现场的广泛应用,也促使配备相应的控制卡以充分发挥PC机的强大功能。

    运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速DSP作为运动控制核心,大多用于控制步进电机或伺服电机。一般地 , 运动控制卡与PC机构成主从式控制结构:PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作 ( 例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等);控制卡完成运动控制的所有细节(包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等)。运动控制卡都配有开放的函数库供用户在DOS或Windows系统平台下自行开发、构造所需的控制系统。因而这种结构开放的运动控制卡能够广泛地应用于制造业中设备自动化的各个领域。

    这种运动控制模式在国外自动化设备的控制系统中比较流行,运动控制卡也形成了一个独立的专门行业,具有代表性的产品有美国的PMAC、PARKER等运动控制卡。在国内相应的产品也已出现,如成都步进机电有限公司的DMC300系列卡已成功地应用于数控打孔机、汽车部件性能试验台等多种自动化设备上。

    6 结束语

运动控制篇3

关键词:伺服驱动技术,直线电机,可编程计算机控制器,运动控制

1 引言

信息时代的高新技术流向传统产业,引起后者的深刻变革。作为传统产业之一的机械工业,在这场新技术革命冲击下,产品结构和生产系统结构都发生了质的跃变,微电子技术、微计算机技术的高速发展使信息、智能与机械装置和动力设备相结合,促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技术革命。

随着计算机技术、电子电力技术和传感器技术的发展,各先进国家的机电一体化产品层出不穷。机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等许多门类产品每年都有新的进展。机电一体化技术已越来越受到各方面的关注,它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。

在机电一体化技术迅速发展的同时,运动控制技术作为其关键组成部分,也得到前所未有的大发展,国内外各个厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。本文主要介绍了全闭环交流伺服驱动技术(Full Closed AC Servo)、直线电机驱动技术(Linear Motor Driving)、可编程序计算机控制器(Programmable Computer Controller,PCC)和运动控制卡(Motion Controlling Board)等几项具有代表性的新技术。

2 全闭环交流伺服驱动技术

在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中,交流伺服系统的应用越来越广泛,其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流,而且调试、使用十分简单,因而被受青睐。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP),可以对电机轴后端部的光电编码器进行位置采样,在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统,并充分发挥DSP的高速运算能力,自动完成整个伺服系统的增益调节,甚至可以跟踪负载变化,实时调节系统增益;有的驱动器还具有快速傅立叶变换(FFT)的功能,测算出设备的机械共振点,并通过陷波滤波方式消除机械共振。

一般情况下,这种数字式交流伺服系统大多工作在半闭环的控制方式,即伺服电机上的编码器反馈既作速度环[，！],也作位置环。这种控制方式对于传动链上的间隙及误差不能克服或补偿。为了获得更高的控制精度,应在最终的运动部分安装高精度的检测元件(如:光栅尺、光电编码器等),即实现全闭环控制。比较传统的全闭环控制方法是:伺服系统只接受速度指令,完成速度环的控制,位置环的控制由上位控制器来完成(大多数全闭环的机床数控系统就是这样)。这样大大增加了上位控制器的难度,也限制了伺服系统的推广。目前,国外已出现了一种更完善、可以实现更高精度的全闭环数字式伺服系统 , 使得高精度自动化设备的实现更为容易。其控制原理如图1所示。

该系统克服了上述半闭环控制系统的缺陷,伺服驱动器可以直接采样装在最后一级机械运动部件上的位置反馈元件(如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等),作为位置环,而电机上的编码器反馈此时仅作为速度环。这样伺服系统就可以消除机械传动上存在的间隙(如齿轮间隙、丝杠间隙等),补偿机械传动件的制造误差(如丝杠螺距误差等),实现真正的全闭环位置控制功能,获得较高的定位精度。而且这种全闭环控制均由伺服驱动器来完成,无需增加上位控制器的负担,因而越来越多的行业在其自动化设备的改造和研制中,开始采用这种伺服系统。

3 直线电机驱动技术

直线电机在机床进给伺服系统中的应用,近几年来已在世界机床行业得到重视,并在西欧工业发达地区掀起"直线电机热"。

在机床进给系统中,采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台(拖板)之间的机械传动环节,把机床进给传动链的长度缩短为零,因而这种传动方式又被称为"零传动"。正是由于这种"零传动"方式,带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。

1. 高速响应 由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件(如丝杠等),使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高,反应异常灵敏快捷。

2. 精度 直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差,减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制,即可大大提高机床的定位精度。

3. 动刚度高 由于"直接驱动",避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象,同时也提高了其传动刚度。

运动控制篇4

【关键词】 运动平板试验;高血压

近年来，随着人们生活节奏的日益加快，高血压的发病率呈上升趋势。高血压病的运动疗法已被世界卫生组织国际高血压学会确认为是有效的降压措施之一。高血压患者该如何锻炼呢？高血压病患者的锻炼方法是根据疾病诊断、病情、功能状态、康复目标等，以运动处方形式，确定恰当的运动方式和运动量，指导患者进行运动训练。许多患者都很难掌握自己的运动量，为了能既达到运动目的，又有效控制运动风险，我们尝试让患者做运动平板试验，在评价心功能的同时，记录运动中的一些参数，然后根据这些参数，给患者制定一个科学、安全、有效的康复运动处方。

1 资料与方法

1.1 一般资料 随机选择2007年1月至2009年12月本院住院或门诊的高血压患者80名，其中男40例，女40例，年龄30～70岁，所有患者均在服药中，血压均能控制在120/90 mm Hg以下。

1.2 方法 将所选患者男女各随机分为两组，其中一组采用GE公司的运动平板测试系统，用BRNCE运动方案做运动平板试验，指导运动训练强度以最大心率的60%～70%为标准［1］。在运动过程中心率达到最大心率的60%～70%时，记录此时的代谢当量，然后根据各种能量消耗表［2］及2007年ACC/AHA运动耐量分级(Duke运动耐力指数)制定受检者的日常生活锻炼处方，如：做中度家务如吸尘器、扫地、搬杂物3.5 mETs;步行(3.2 km/h)、快步行(4.8 km/h)3～3.5 mETs；能过性生活5.25 mETs；骑车(慢速3.5 mETs、中速5.7 mETs)；交谊舞(慢2.9 mETs、快5.5 mETs)；打乒乓球4.5 mETs；游泳(慢4.5 mETs)；打羽毛球5.5 mETs；爬一层楼及爬一个小坡为5.5 mETs；网球、有氧舞蹈、高尔夫球6 mETs。运动时间为20～60 min，频率为根据年龄不同3～7次/周，电话随访。对照组凭自我感觉锻炼。

2 结果

2年之后，运动方案组40例中，有36例坚持了锻炼，4例中途放弃。36例中，有2例因血压控制不好调整药量或改药、加药，26例自我感觉好，血压控制好，有8例血压较锻炼前有所下降，可以在坚持锻炼的情况下减少药量。没有1例出现运动意外。对照组40例中，有27例因血压控制不好调整药量或改药、加药，13例自我感觉好，血压控制好。

3 讨论

运动处方由运动强度、运动持续时间、运动频率、运动形式及运动程序等几部分组成。首先运动强度指标，心率与耗氧量有直接关系，且心率容易测得，所以常被当做运动强度指标。一般健康者的运动强度定为最大心率(220年龄)的70%～85%(相当于60%～80%最大耗氧量)。对于高血压病患者，最大心率最好由运动试验直接测得，运动强度一般取60%～70%最大心率。 其次为运动持续时间，由运动强度和患者的一般状况决定，通常70%最大心率的运动强度，持续时间为20～30 min；高于此强度，持续时间可为10～15 min；低于此强度，则为45～60 min。第三运动频率即运动次数，它取决于运动强度和运动持续时间。高强度、长时间的运动，次数可以减少；低强度、短时间的运动，则次数应增多。通常中等强度的运动，每周至少3～4次。第四运动形式为有大肌群参与、具有节律性反复重复的动态有氧运动。常见的运动形式有以下肢为主的步行、踏车、上下楼、慢跑等；以上肢为主的运动有无支持的上举运动，上举负荷可逐渐增加，以及上肢在支持下的抗阻运动，如上肢组合训练器、上肢功率计；还有包括上、下肢同时参与的运动，如游泳、划船训练器等。从疗效而言，下肢运动比上肢运动更有效，上下肢均参与运动或交替进行运动训练的效果，比单纯上肢或下肢运动更好。第五运动程序热身运动：每次运动开始时，应先进行10～15 min的热身运动。

运动在高血压的控制中起着非常重要的作用，做运动平板试验制定运动处方锻炼，既能控制风险，又有明显效果，值得在临床上运用。

参 考 文 献

［1］ 刘江生，刘楠.高血压病的康复.心血管病康复医学杂志，20065,15(增刊)：7580.

运动控制篇5

运动控制的应用在国内已有十几年的历史,技术也相当成熟。相对于PLC、变频器等广为人知的产品而言,单片机更具有巨大的潜力市场。新旧技术的交替也形成了市场的另外一个重要驱动力,在加工制造领域,单片机控制仍旧是运动控制市场最主要的趋势,单片机控制市场仍将继续缓慢增长。 运动控制系统通过驱动装置将预定指令变成期望的机构运动,一般功率较小,并有定位要求和频繁启制动的特点,目前在导航系统,雷达天线,精密数控机床,加工中心,机器人,打印机,复印机,磁纪录仪,磁盘驱动器,自动洗衣机,电梯等领域得到广泛的应用。

1 运动系统组成

控制系统分为三大模块:单片机系统,步进电机驱动模块和步进电机如图1。驱动模块采用AT89C2051通过对输入的脉冲信号进行处理,并有四种步距角可供选择,实现恒流驱动,驱动两相混合式步进电机。

硬件设计的基本思路是可靠、实用以及小型化[1]。采用AT89C55微控制器,ATMEL公司的单片微处理器AT89C55WD,内部程序存储器20K,晶振12M,为AT89C5X系列之一,电路与AT89__系列相同,含P0、P1、P2、P3四个接口。 4*4独立式键盘和液晶显示器直接与单片机相连接。键盘设定为功能键,设定运行、停止、复位、参数输入等功能。液晶显示相应的设定功能,在运动进行中显示设定坐标和动态坐标。以悬挂运动控制为设计目标,总系统设计框图如图2。

2 软件设计

根据运动的要求,在不同时刻输出相应脉冲数来控制电机的运动[2]。 步进电机的加/减速是通过控制脉冲的频率来实现。脉冲频率增高提速,脉冲频率减少时则减速。为精确到达指定位置,同时控制左右电机的运动,通过嵌套程序来循环控制。由左右滑轮的绕转自 绳、放绳的多少和快慢解决上述三个问题,即控制步进电机的转速,转的圈数和方向。在此过程中要处理好两个问题:

1)运动速度的精确性

建立一个校验机制,以防超过或未达到所需速度,从一个速度准确达到另外一个速度。

2)滑轮运动方向的转换

高速运动下方向变换过程,包括减速、换向、加速的步骤,步进电机换向时要避免大的冲击而损坏电机。 换向信号在前一个方向的脉冲结束后,下一个方向的脉冲前发出。两相混合式步进电机CP脉冲的的脉冲宽度 不小于5μs 。

假设目标点的坐标为(x0,y0),计算方法如下:

脉冲步长:

L左={(15+x+c)2+[115-b/a (x+c)]2}1/2-{(15+x)2+(115-(b/a)x}1/2 ;

L右={[95-(x+c)]2+[115-b/a(x+c)]2}-{(95-x)2+[115-(b/a)x]2}1/2 ;

用变化量除以步长就可以得到相应的脉冲数。

运动过程为使运动轨迹圆滑,左右轮流控制。控制运动轨迹子程序框图[3]。

3 系统功能测试

运动板面的下方左右各安装一个步进电机,在电机的垂直上方安装滑轮拖动负载。运动控制器通过插接线与电机连接。根据设定平面坐标的直线运动,运动在185s内完成;设定圆心坐标和半径的圆周运动,圆周运动210s内完成。测试结果如下:

4 结论

单片机控制双步进运动控制过程中,以软件算法为主体控制运动轨迹,根据运动的轨迹和相应的要求改变单片微型控制器的选择,一般运动控制选择AT89系列就可满足,同样在大型控制系统中,一般都可与MCS-51兼容[4],即可用嵌入式系统,在线可编程系统等。如用UPSD系统作为微型控制器可与之兼容,并可实现在线编程。

参考文献

[1]贾智平,石冰.微机原理与接口技术[M].北京:中国水利水电出版社,1999.

[2]白恩远,王俊元.现代数控机床伺服及监测技术[M].北京:机械工业出版社,1991.

[3]尹勇,单片机开发环境uVsion2使用指南[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.

运动控制篇6

    运动控制的应用在国内已有十几年的历史,技术也相当成熟。相对于PLC、变频器等广为人知的产品而言,单片机更具有巨大的潜力市场。新旧技术的交替也形成了市场的另外一个重要驱动力,在加工制造领域,单片机控制仍旧是运动控制市场最主要的趋势,单片机控制市场仍将继续缓慢增长。 运动控制系统通过驱动装置将预定指令变成期望的机构运动,一般功率较小,并有定位要求和频繁启制动的特点,目前在导航系统,雷达天线,精密数控机床,加工中心,机器人,打印机,复印机,磁纪录仪,磁盘驱动器,自动洗衣机,电梯等领域得到广泛的应用。

    1 运动系统组成

    控制系统分为三大模块:单片机系统,步进电机驱动模块和步进电机如图1。驱动模块采用AT89C2051通过对输入的脉冲信号进行处理,并有四种步距角可供选择,实现恒流驱动,驱动两相混合式步进电机。

    硬件设计的基本思路是可靠、实用以及小型化[1]。采用AT89C55微控制器,ATMEL公司的单片微处理器AT89C55WD,内部程序存储器20K,晶振12M,为AT89C5X系列之一,外围电路与AT89xx系列相同,含P0、P1、P2、P3四个接口。 4*4独立式键盘和液晶显示器直接与单片机相连接。键盘设定为功能键,设定运行、停止、复位、参数输入等功能。液晶显示相应的设定功能,在运动进行中显示设定坐标和动态坐标。以悬挂运动控制为设计目标,总系统设计框图如图2。

    2 软件设计

    根据运动的要求,在不同时刻输出相应脉冲数来控制电机的运动[2]。 步进电机的加/减速是通过控制脉冲的频率来实现。脉冲频率增高提速,脉冲频率减少时则减速。为精确到达指定位置,同时控制左右电机的运动,通过嵌套程序来循环控制。由左右滑轮的绕转自LUNWEN.1kejian.com 绳、放绳的多少和快慢解决上述三个问题,即控制步进电机的转速,转的圈数和方向。在此过程中要处理好两个问题:

    1)运动速度的精确性

    建立一个校验机制,以防超过或未达到所需速度,从一个速度准确达到另外一个速度。

    2)滑轮运动方向的转换

    高速运动下方向变换过程,包括减速、换向、加速的步骤,步进电机换向时要避免大的冲击而损坏电机。 换向信号在前一个方向的脉冲结束后,下一个方向的脉冲前发出。两相混合式步进电机CP脉冲的的脉冲宽度 不小于5μs 。

    假设目标点的坐标为(x0,y0),计算方法如下:

    脉冲步长:

    L左={(15+x+c)2+[115-b/a (x+c)]2}1/2-{(15+x)2+(115-(b/a)x}1/2 ;

    L右={[95-(x+c)]2+[115-b/a(x+c)]2}-{(95-x)2+[115-(b/a)x]2}1/2 ;

    用变化量除以步长就可以得到相应的脉冲数。

    运动过程为使运动轨迹圆滑,左右轮流控制。控制运动轨迹子程序框图[3]。

    3 系统功能测试

    运动板面的下方左右各安装一个步进电机,在电机的垂直上方安装滑轮拖动负载。运动控制器通过插接线与电机连接。根据设定平面坐标的直线运动,运动在185s内完成;设定圆心坐标和半径的圆周运动,圆周运动210s内完成。测试结果如下:

    4 结论

    单片机控制双步进运动控制过程中,以软件算法为主体控制运动轨迹,根据运动的轨迹和相应的外围要求改变单片微型控制器的选择,一般运动控制选择AT89系列就可满足,同样在大型控制系统中,一般都可与MCS-51兼容[4],即可用嵌入式系统,在线可编程系统等。如用UPSD系统作为微型控制器可与之兼容,并可实现在线编程。

    参考文献

    [1]贾智平,石冰.微机原理与接口技术[M].北京:中国水利水电出版社,1999.

    [2]白恩远,王俊元.现代数控机床伺服及监测技术[M].北京:机械工业出版社,1991.

    [3]尹勇,单片机开发环境uVsion2使用指南[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.

运动控制篇7

关键词：VB；运动控制卡；运动控制系统；运动函数库

引言

为了提高产品质量和产量，运动控制系统正在不断地深入到各个领域并得以迅速发展，运动控制系统在各类控制工程中有着广泛的应用前景。其应用范围涵盖数控加工业、汽车制造业和机器人等多个领域。通过开发实时多轴运动控制系统软件来满足实际工作的需求，已经成为备受关注的研究课题[1，2]。

近年来，PC+运动控制卡模式的运动控制系统得到了广泛应用。它具有结构简单、开放性易实现、成本相对较低等优点[3]。文章的控制系统也采用PC+运动控制卡模式。

1 系统硬件设计

整个系统由运动执行机构及运动控制系统组成，PC为控制系统的上位机，运动控制卡为下位机，系统设计方案如图1所示。

PC主机与控制卡通过PCI通讯方式实现信息交换，PC机通过调用运动控制卡动态链接库向控制卡发出运动指令，运动卡接收来自上位机的指令后向驱动器发出控制脉冲信号，控制卡可以控制所发出脉冲的频率、个数及频率变化率，从而能满足电机各种复杂的控制要求[4，5]，主机也可以通过总线读取运动控制卡的输入信号，如通用输入口、限位信号、原点开关等，经判断并执行相应运算后向运动控制卡发出相应执行指令。

系统采用的运动控制卡是深圳固高公司生产的基于PCI总线的型号为GTS-400-SV的高性能运动控制卡，该控制卡可以同时控制4个轴，实现多轴协调运动。

图1 运动控制系统的硬件结构框图

系统其中一个轴的电路连接方式如图2所示，控制卡的脉冲信号及方向信号发送给驱动器，经放大处理后驱动步进电机运动，LIM+和LIM-分别连接对应轴的正向限位和负向限位开关，HOME为原点触发信号的输入引脚，连接原点开关[6]。

图2 电路连接图

2系统软件设计

固高运动控制卡的控制系统可以使用VC、VB和Delphi等支持动态链接库的开发工具来编写[7]。文章的运动控制系统的控制软件采用VB（Visual Basic）语言进行设计。VB是面向Windows的可视化编程开发工具，具有简练的语法和强大的功能、结构化程序设计思想以及方便快捷的可视化编程手段[8]，它屏蔽了Windows环境下程序设计的复杂性，利用动态链接库DLL可以很快开发出Windows平台下的运动控制系统，因此VB在机电系统软件开发方面占有很大的比例。

2.1 程序界面设计

程序界面主要包括参数设置、功能选择和运动操作模块。硬件参数包括电机每转脉冲数、丝杠螺距、驱动器细分倍数及控制卡控制周期的设置，增加了使控制系统的适用性，参数设置还包括运动轴轴号选择、运动速度设置、移动距离设置、加速度以及加加速度设置，功能选择模块包括直线插补、圆弧插补、单轴运动、电子齿轮等运动模式的选择，操作模块包括驱动复位、位置清零、回原点、开始、停止和点动等，控制程序界面如图3所示。

图3 程序界面

2.2 控制程序的编写

运动控制卡提供了Windows环境下的动态链接库，在Windows系统下，用户通过PC机调用函数库中的指令，向运动控制器发出控制指令，实现各种功能。在使用VB编写程序之前，首先将控制卡动态链接库gts.dll和函数声明文件gts.bas复制到工程文件夹中，然后选择工程菜单下的“添加模块”，切换到“现存”标签页，选择工程文件夹中的函数声明文件gts.bas，将其添加到工程中。最后将运动控制器的动态链接库文件gts.dll复制到PC机中C盘windows system 文件夹中。至此可以调用函数库中的指令函数来编写程序[9]，使用VB编写控制程序的界面如图4所示。

图4 程序代码编写界面

程序主要包括返回值处理函数、初始化函数、运动参数设置及运动执行函数等。初始化函数包括控制卡和运动控制轴初始化函数，控制卡初始化函数由GT_Open（）（打开运动控制器）、GT_SwitchtoCardNo（）（指定当前控制卡）、GT_SetSmplTm（）（设置控制周期）、GT_Reset（）（复位运动控制器）等指令组成；运动轴初始化函数由GT_Axis（）（设置当前轴）、GT_ClrSts（）（清除当前轴状态）等指令组成。控制卡提供了大量的运动指令供调用，可以满足各种简单及复杂运动控制的要求。

以下是以电子齿轮模式运动函数为例简要介绍VB编程环境下运动指令的调用方式，对于用户通过主机发送的命令，运动控制器在检查、校验后，会给出一个反馈，这个反馈就是指令（库函数）的返回值，在程序中，指令的返回值赋值给变量rtn，rtn经过返回值处理函数显示出相应的错误信息。指令GT_PrflG（2）为设置当前轴的运动模式为电子齿轮控制模式，主轴为2轴，指令GT_SetRatio（2）用来设置当前轴的电子齿轮传动比为2。指令GT_SetAcc（0.01）、GT_SetVel（B）、GT_SetPos（A）分别用来设置当前轴的运动加速度、速度及目标位置，变量B和A分别为用户输入的速度及目标位置经过运算后的数值。

Private Sub GMotion（） '电子齿轮控制模式运动子函数

rtn = GT_Axis（1）： Er （rtn）

rtn = GT_PrflG（2）： Er （rtn）

rtn = GT_SetRatio（2）： Er （rtn）

rtn = GT_Update（）： Er （rtn）

End Sub

Private Sub Command6_Click（） '以电子齿轮模式运动到目标位置

Dim A As Single

Dim B As Single

A = Text2

B = Text1 / 4 * 1600 / 1000000 * 200

GT_Initial

InputCfg

Axis_1_Initial

Axis_2_Initial

GMotion

rtn = GT_Axis（2）

rtn = GT_PrflT（）： Er （rtn）

rtn = GT_SetAcc（0.01）： Er （rtn）

rtn = GT_SetVel（B）： Er （rtn）

rtn = GT_SetPos（A）： Er （rtn）

rtn = GT_Update（）： Er （rtn）

End Sub

3 结束语

文中运动控制系统采用“PC+运动控制卡”模式，使系统结构简单，动态链接库机制使VB在对第三方运动控制卡的支持上有了一个通用可行的途径。这种方法不仅可以采用价格相对较低的普通运动控制卡，而且能避免繁琐的界面编程，缩短周期，提高效率，降低成本。文章所引用的程序已在某四轴运动平台上通过测试并得到应用，运行稳定、可靠。

参考文献

[1]丛爽.实用运动控制技术[M].北京：电子工业出版社，2006：38-42.

[2]李刚，杨继东.基于PC的开放式数控系统的开发[J].机床与液压，2006（4）：82-83.

[3]何丽娇，张宪民，王宇华.二维定位平台的运动控制系统研究[J].机电工程技术，2008，37（1）：54-97.

[4]周光学.基于运动控制器的开放式数控系统研究及软件设计[D].秦皇岛：燕山大学，2005.

[5]关学锋，王伟，胡明.基于运动控制卡的五自由度机器人控制系统的开发[J].机械设计与制造，2009（6）：189-190.

[6]李国厚.步进电机驱动与控制系统的设计[J].煤矿机械，2008，29（2）：114-116.

[7]杨中宝，康顺哲.VB语言程序设计教程[M].北京：人民邮电出版社，2006：46-77.

[8]沈洪，施明利，等.VB程序设计[M].北京：清华大学出版社，

2010，6：0-56.

[9]固高科技（深圳）有限公司.GTS系列运动控制器编程手册[Z].

运动控制篇8

本文设计的基于以太网的超声检测多轴运动控制系统是在复杂的多轴运动控制技术之上结合了远程通信技术，以此来实现超声检测的远程自动控制。此系统主要由上位机、多轴运动控制器、步进电机驱动器、步进电机、机械执行装置、限位开关和超声探头等组成，其组成框图如图1所示。由上位机LabVIEW控制系统为多轴运动控制器发送运动指令，并由多轴运动控制器将运动信号拆分为步进信号和方向信号，再将这两种电机控制信号发送给步进电机驱动器，步进电机驱动器将其转化为角位移发送给步进电机，使步进电机转动相应个步距角，以达到使步进电机按指令运动的目的。步进电机上安装有机械执行装置，用以固定超声探头，机械执行装置上安有限位开关，以此控制电机的运动范围，当电机运动到限位开关的位置时，限位开关发出限位信号到多轴运动控制器，运动控制器便停止发出使电机运动的脉冲信号。在进行自动超声检测时，Z轴方向机械执行机构上固定的超声检测探头能够在被检测物体的表面按照上位机运动控制算法设计的运动轨迹进行连续检测，并实时向PC机返回探头的位置信息，并将数据采集卡采集的超声信号与探头返回的位置信息建立起对应关系，最终通过上位机的图像处理系统形成超声检测图像，以此来实现物体的超声检测。

2多轴运动控制器的方案设计

多轴运动控制器可以通过远程以太网通信的方式接收上位机的控制信号，向步进电机驱动器发送脉冲信号和方向信号以完成对电机的运动控制。采用ARM9处理器S3C2440搭建硬件平台，配有DM9000A以太网通信芯片使硬件平台具备远程通信的功能。在Linux操作平台上进行控制系统软件功能设计，并采用UDP通信协议实现上位机与运动控制器之间的远程通信［3］。

2．1多轴运动控制器硬件电路设计

本文采用ARM9处理器S3C2440设计了系统中运动控制器的硬件电路部分，并采用DM9000A网络接口控制器设计了运动控制器的以太网接口。运动控制器硬件整体框图如图2所示。运动控制器选用ARM9处理器作为运动控制器的核心芯片可以方便地嵌套Linux操作系统，在操作系统之上实现运动控制器的插补等多轴运动控制算法。选用DM9000A以太网控制芯片实现上位机LabVIEW与运动控制器之间的远程通信，进而实现超声检测的远程自动控制。为了解决步进电机驱动器与主控芯片信号匹配的问题，本文采用光耦器件设计了电压转换模块，负责把主控芯片输出的3．3V电压信号转换至5V电压信号后输入到步进电机驱动器中，同时负责把限位开关发出的24V限位信号转换至3．3V输入到主控芯片中。此外，电路中还搭载了用于存储数据的扩展存储器、以及用于调试的JTAG接口电路和RS232串口电路。

2．2多轴运动控制器软件设计

本课题所用的限位开关为位置可调的限位开关，每个轴有2个限位开关，在每次超声检测前，把每个限位开关调节到被测工件的边缘处，从而使探头移动的范围即为工件所在范围。故此设计运动控制器的软件时便可将限位开关做为边界条件，以此来设计探头的运动范围。其运动控制流程:首先系统初始化，通过上微机控制界面人工控制探头到被测工件的起点，然后X轴正向运动到X轴限位开关处，Y轴正向运动一个探头直径的长度，X轴再反向运动到X轴另一侧的限位开关处，之后Y轴继续正向运动一个探头直径的长度，如此往复运动直至探头到达Y轴的限位开关处，检测结束，探头复位。运动控制软件流程图如图3所示。

3多轴运动控制系统上位机软件设计

基于以太网的自动超声检测多轴运动控制系统的上位机软件是以LabVIEW开发平台为基础，使用图形G语言进行编写的，主要包括多轴运动控制软件和以太网通信软件。Lab-VIEW是一款上位机软件，其主要应用于仪器控制、数据采集和数据分析等领域，具有良好的人机交互界面［4］。LabVIEW软件中有专门的UDP通信函数提供给用户使用，用户无需过多考虑网络的底层实现，就可以直接调用UDP模块中已经的VI来完成通信软件的编写，因此编程者不必了解UDP的细节，而采用较少的代码就可以完成通信任务，以便快速的编写出具有远程通信功能的上位机控制软件［5］。上位机LabVIEW软件的远程通信模块、运动控制模块以及数据处理模块相互协调配合，共同构成了超声检测多轴运动控制系统的上位机软件。

3．1运动控制软件设计

运动控制系统软件部分主要由运动方式选择、探头位置坐标、运动控制等模块组成，可完成对系统运动方式的选择，运动参数、控制指令的设定以及探头位置信息读取等工作。运动方式选择模块可根据实际需要完成相对运动或是绝对运动两种运动方式的选择，并会依照选择的既定运动模式将X、Y、Z三轴的相应运动位置坐标输出在相应显示栏中，以便进行进一步的参数核对以及设定;运动控制模块可依照检测规则实现对整个系统运动过程的控制，包括:设定相对原点、运行、复位、以及退出等相关操作。相对原点设定可以将探头任意当前位置设为新的原点，并以原点作为下一个运动的起始点，即为探头位置坐标的相对零点，并将此刻相对原点的绝对位置坐标值在文本框中显示出来。运动控制系统软件流程图如图4所示。

3．2以太网通信软件设计

以太网通信模块采用无连接的UDP通信协议，通过定义多轴运动控制器与上位机LabVIEW的以太网通信协议，实现下位机与上位机之间的远程通信。具体设计如下:首先使用“UDPOpenConnection”打开UDP链接，使用“UDPWrite”节点向服务器端相应的端口发送命令信息，然后使用“UDPRead”节点读取服务器端发送来的有效回波数据，用于后期处理，最后应用“UDPCloseConnection”节点关闭连接［6］。以太网通信模块的程序框图如图5所示。

4实验及结果

实验平台由步进电机及其驱动器、上位机控制软件和自主研发的多轴运动控制器构成。在上位机的用户控制界面中，首先输入以太网的IP地址并选择运动方式，然后根据用户的检测需求设定运动速度和运动距离，点击运行后探头即按所设定运行。探头运动过程中还可以选择设定当前位置为原点，探头即按照新的原点重新开始运动。同时，在探头运动时会实时显示探头当前所在位置坐标。模拟开关发送选通超声探头信号并发送脉冲信号激励超声探头发射超声波，FPGA控制A/D转换电路对超声回波信号进行转换，并将数据存入双口RAM，存储完成后向ARM发送信号，ARM接收到采集完成信号将数据通过以太网向上位机发送。上位机的LabVIEW用户控制界面如图6所示。

5结束语

本文采用“上位机LabVIEW+多轴运动控制器”的设计方案，利用LabVIEW编写基于以太网的超声检测多轴运动控制系统上位机软件，实现了上位机对超声检测控制信号的处理以及超声检测远程控制自动化。多轴运动控制器软件部分是基于嵌入式Linux操作系统上完成的，硬件电路搭载DM9000A以太网控制芯片并采用UDP通信协议建立了上位机与下位机的远程通信。本系统实现了自动超声检测系统的远程运动控制，避免了手动检测中人为因素对检测精确度的影响，提高了超声检测的效率、精度、连续性以及可靠性。不足之处在于没有实现全自动化，部分运动控制功能仍需手动控制，在今后的研究中将继续开发合适的解决方案，进一步优化此运动控制系统。