基于LabVIEW的閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及精度分析

摘

要：當(dāng)前閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)在自動(dòng)化設(shè)備中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，故為了進(jìn)一步滿(mǎn)足閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用需求，采用LabVIEW上位機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡+驅(qū)動(dòng)器模塊的控制方案進(jìn)行了多軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制與監(jiān)測(cè)。同時(shí)，基于編碼器搭建了系統(tǒng)精度測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)不適用于精度要求不高于0.216°的場(chǎng)合和小角度高精度定位的情況，而更適用于應(yīng)用場(chǎng)合為大角度定位的情況。關(guān)鍵詞：閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；編碼器；精度測(cè)試；LabVIEW0

引言隨著社會(huì)工業(yè)化的不斷發(fā)展，工業(yè)對(duì)于設(shè)備自動(dòng)化的需求不斷提高，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)顯得愈發(fā)重要。作為驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化設(shè)備的重要部件，閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)在開(kāi)環(huán)步進(jìn)電機(jī)的基礎(chǔ)上增加了位置反饋器來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，同樣是通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)的數(shù)量和頻率來(lái)調(diào)整位移及速度，其運(yùn)行時(shí)的發(fā)熱和振動(dòng)都小于開(kāi)環(huán)步進(jìn)電機(jī)，精度和可靠性卻優(yōu)于開(kāi)環(huán)步進(jìn)電機(jī)，因此，基于閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為一個(gè)有著重要意義的研究課題。與此同時(shí)，虛擬儀器由于其強(qiáng)大的底層驅(qū)動(dòng)程序以及便捷的可視化編程特性，在自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)越發(fā)廣泛，在工業(yè)界的認(rèn)可度也不斷提高。通過(guò)LabVIEW虛擬儀器搭配運(yùn)動(dòng)控制卡、驅(qū)動(dòng)器及閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可使系統(tǒng)具有高移植性、高穩(wěn)定性和高擴(kuò)展性。1

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)本文以驅(qū)動(dòng)閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)為研究對(duì)象，采用LabVIEW上位機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡+驅(qū)動(dòng)器模塊的控制方案進(jìn)行運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；伴隨著運(yùn)動(dòng)的多元化，多軸控制得到進(jìn)一步關(guān)注，故系統(tǒng)設(shè)計(jì)從四軸控制的角度出發(fā)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要分為硬件和軟件兩部分，硬件部分主要由工控機(jī)、四軸運(yùn)動(dòng)控制卡、驅(qū)動(dòng)器模塊、閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成，其中工控機(jī)主要用于LabVIEW上位機(jī)軟件的硬件環(huán)境，四軸運(yùn)動(dòng)控制卡通過(guò)驅(qū)動(dòng)器模塊進(jìn)行閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)的控制管理，同時(shí)閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)自帶的編碼器向驅(qū)動(dòng)器模塊實(shí)時(shí)反饋位置信息，驅(qū)動(dòng)器模塊依據(jù)反饋信息進(jìn)行輸出指令調(diào)節(jié)，提高電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)精度。軟件部分主要是通過(guò)LabVIEW進(jìn)行上位機(jī)控制軟件的設(shè)計(jì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的操控。LabVIEW上位機(jī)軟件基于工控機(jī)硬件環(huán)境與運(yùn)動(dòng)控制卡通過(guò)高實(shí)時(shí)性的PCI總線(xiàn)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制及系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)采集。2

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件配置依據(jù)電機(jī)負(fù)載、電機(jī)額定轉(zhuǎn)速、額定扭矩及最大扭矩、動(dòng)作模式、編碼器分辨率等方面進(jìn)行閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)的選擇，本系統(tǒng)選用了富興的SC42-03型閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)以及與其配套的TS808D伺服驅(qū)動(dòng)器，四軸運(yùn)動(dòng)控制卡選用了研華的PCI-1245L運(yùn)動(dòng)控制卡。PCI-1245L運(yùn)動(dòng)控制卡是四軸的SoftMotionPCI總線(xiàn)控制器卡，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡和時(shí)間控制，以滿(mǎn)足精確運(yùn)動(dòng)中的同步應(yīng)用需求，其在CW/CCW模式的編碼器輸入為1MHz，脈沖輸出高達(dá)1Mb/s，可實(shí)現(xiàn)高精度的控制、線(xiàn)性插補(bǔ)和同步啟停等功能。閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)的精度為1.8°，其編碼器精度為0.36°。單個(gè)電機(jī)系統(tǒng)硬件接線(xiàn)圖如圖2所示，TS808D伺服驅(qū)動(dòng)器的A、B接線(xiàn)端需要與閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力線(xiàn)相連，用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，TS808D伺服驅(qū)動(dòng)器的EA、EB接口連接到閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)的編碼器信號(hào)接口，進(jìn)行編碼器反饋信息的接收，依據(jù)該信息調(diào)節(jié)速度指令和電流指令，進(jìn)一步提高電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)精度。PCI-1245L運(yùn)動(dòng)控制卡的PULS、DIR、ENA、ALM分別連接到伺服驅(qū)動(dòng)器的脈沖輸入端、方向輸入端、使能輸入端、報(bào)警信號(hào)輸出端，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制及監(jiān)視。3

基于LabVIEW的運(yùn)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)上位機(jī)程序基于LabVIEW搭配PCI-1245L運(yùn)動(dòng)控制卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，PCI-1245L運(yùn)動(dòng)控制卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)是基于通用運(yùn)動(dòng)架構(gòu)，基于該架構(gòu)設(shè)計(jì)的上位機(jī)包含設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、整合層和應(yīng)用層，這樣當(dāng)支持該架構(gòu)的設(shè)備發(fā)生變化時(shí)，設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也無(wú)須修改，保證了程序的可移植性。該通用運(yùn)動(dòng)架構(gòu)的操作對(duì)象主要包括設(shè)備對(duì)象和軸對(duì)象，程序設(shè)計(jì)時(shí)，需要調(diào)用相應(yīng)的對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作，以保證每次動(dòng)作都有明確的操作對(duì)象。上位機(jī)程序控制流程如圖3所示，為了確保程序的適用廣泛性，故程序設(shè)計(jì)需要先確定操作設(shè)備來(lái)獲取設(shè)備句柄，之后在該設(shè)備句柄的基礎(chǔ)上進(jìn)行軸使能，即打開(kāi)運(yùn)動(dòng)控制卡目標(biāo)軸的操控接口，之后打開(kāi)設(shè)備驅(qū)動(dòng)器以保證驅(qū)動(dòng)器的有效工作。回原點(diǎn)運(yùn)動(dòng)是運(yùn)動(dòng)控制必備的功能，目前實(shí)現(xiàn)方法主要有硬件復(fù)位或軟件復(fù)位，硬件復(fù)位是將光電開(kāi)關(guān)放置在目標(biāo)位置，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到原點(diǎn)位置時(shí)，光電開(kāi)關(guān)發(fā)出限位信號(hào)指示運(yùn)動(dòng)停止；軟件復(fù)位是依據(jù)程序記錄的位置信息進(jìn)行回原點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，直至當(dāng)前位置處于原點(diǎn)位。上位機(jī)程序集合了兩種限位措施，既可以通過(guò)硬件限位，又可以基于軟件限位進(jìn)行回原點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。在程序中通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)來(lái)調(diào)用相關(guān)函數(shù)實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，參數(shù)設(shè)置中包括了運(yùn)動(dòng)距離、速度等信息，通過(guò)調(diào)整脈沖數(shù)量和頻率來(lái)改變移動(dòng)距離和速度。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中都對(duì)位置、速度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)視，以免出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不確定性。運(yùn)動(dòng)控制上位機(jī)程序控制界面如圖4所示，程序開(kāi)始運(yùn)行后，設(shè)備編號(hào)成功顯示PCI-1245L，代表板卡加載成功并已獲取板卡信息，之后打開(kāi)設(shè)備、打開(kāi)驅(qū)動(dòng)器才能成功進(jìn)行后續(xù)操作，同時(shí)可以通過(guò)設(shè)備開(kāi)啟、驅(qū)動(dòng)開(kāi)啟、軸開(kāi)啟指示燈來(lái)判斷操作的成功與否以及閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)能否正常運(yùn)行。每次電機(jī)運(yùn)行前，需要在上位機(jī)程序控制界面選擇相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模式，運(yùn)動(dòng)模式主要包括絕對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)，之后輸入運(yùn)行距離和運(yùn)行速度等參數(shù)，運(yùn)行時(shí)，各軸的位置和速度信息實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)程序控制界面上，當(dāng)想停止本次運(yùn)動(dòng)時(shí)，選擇停止方式，即立即停止或減速停止，點(diǎn)擊“停止”按鈕即可結(jié)束本次運(yùn)動(dòng)。通過(guò)復(fù)位即可使電機(jī)進(jìn)行回原點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，在原點(diǎn)模式一欄進(jìn)行復(fù)位運(yùn)動(dòng)停止模式的選擇。當(dāng)程序因軸處于“ErrorStop”狀態(tài)而無(wú)法進(jìn)行動(dòng)作時(shí)，通過(guò)重置錯(cuò)誤按鈕消除該狀態(tài)來(lái)保證程序的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。界面中的重置計(jì)數(shù)按鈕是針對(duì)軸位置信息的清除，由于每次移動(dòng)距離的輸入為脈沖數(shù)，故軸位置信息的清除即是將相應(yīng)軸脈沖總數(shù)清除，重置計(jì)數(shù)后，位置信息重新從零累計(jì)。4

精度測(cè)試為了進(jìn)一步測(cè)試設(shè)計(jì)好的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，基于編碼器搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，如圖5所示，通過(guò)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)接件將電機(jī)和編碼器相連，其中，編碼器分辨率為0.018°。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度時(shí)，編碼器也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)相同角度，編碼器將該角度傳送給運(yùn)動(dòng)控制卡，再通過(guò)編寫(xiě)的精度測(cè)試上位機(jī)程序進(jìn)行該角度的采集，即可完成編碼器每次測(cè)量結(jié)果的記錄，精度測(cè)試上位機(jī)界面如圖6所示，每次測(cè)量結(jié)果都存入目標(biāo)文件中。4.1

定位精度測(cè)試定位精度是系統(tǒng)運(yùn)行中必不可少的參數(shù)，故首先通過(guò)編碼器來(lái)進(jìn)行電機(jī)定位精度的測(cè)試，通過(guò)上位機(jī)向運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送一定脈沖數(shù)[9]。運(yùn)動(dòng)控制卡依據(jù)脈沖數(shù)進(jìn)行閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)步距的控制，為了更好地覆蓋閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)一周各位置的定位精度，運(yùn)動(dòng)角度選取最小步距角1.8°，進(jìn)行7200次運(yùn)動(dòng)，這樣累計(jì)步距成功覆蓋超過(guò)一周，每個(gè)位置測(cè)試36次。測(cè)試結(jié)果如圖7所示，最大偏差值是0.216°，故搭配該閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)的情況下，該運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)不適用于精度要求不高于0.216°的場(chǎng)合。4.2

重復(fù)定位精度測(cè)試重復(fù)定位精度作為系統(tǒng)的另一個(gè)指標(biāo)，其重要性不言而喻。該參數(shù)的測(cè)量同樣是基于搭建好的測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試過(guò)程中，在轉(zhuǎn)動(dòng)一圈內(nèi)均勻選取n個(gè)位置，如圖8所示，在每個(gè)位置測(cè)試a次，即在同一個(gè)位置進(jìn)行a次運(yùn)動(dòng)，這樣總共測(cè)試1000次。每次運(yùn)動(dòng)過(guò)程中讓電機(jī)不斷重復(fù)走過(guò)固定步距，之后通過(guò)編碼器觀(guān)察每次走過(guò)的實(shí)際步距與給定的固定步距差值，再通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行測(cè)試以實(shí)現(xiàn)針對(duì)重復(fù)定位精度的測(cè)試。通過(guò)選取不同步距角度來(lái)不斷重復(fù)該測(cè)量步驟，以保證測(cè)試結(jié)果的可靠性。測(cè)試中選取了5°、36°、90°、144°、180°、360°等6個(gè)步距角，實(shí)現(xiàn)了從小角度步距到大角度步距的覆蓋。在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈范圍內(nèi)均勻選取10個(gè)位置，每個(gè)位置進(jìn)行100次測(cè)試。當(dāng)步距角為5°時(shí)，測(cè)量結(jié)果如圖9所示，最大偏差值為0.216°；當(dāng)步距角為36°時(shí)，測(cè)量結(jié)果如圖10所示，最大偏差值為0.198°；當(dāng)步距角為90°時(shí)，測(cè)量結(jié)果如圖11所示，最大偏差值為0.108°；當(dāng)步距角為144°時(shí)，測(cè)量結(jié)果如圖12所示，最大偏差值為0.09°；當(dāng)步距角為180°時(shí)，測(cè)量結(jié)果如圖13所示，最大偏差值為0.09°；當(dāng)步距角為360°時(shí)，測(cè)量結(jié)果如圖14所示，最大偏差值為0.036°。雖然步距角為144°與步距角為180°時(shí)的最大偏差值都為0.09°，但從圖12與圖13的對(duì)比中可以看出，步距角為180°的重復(fù)定位精度要優(yōu)于步距角為144°的情況。從測(cè)量結(jié)果也可以看出，大角度的重復(fù)定位精度要優(yōu)于小角度的，也進(jìn)一步說(shuō)明該系統(tǒng)不適用于小角度高精度定位的情況，而更適用于應(yīng)用場(chǎng)合為大角度定位的情況。當(dāng)然，也可以從各角度重復(fù)定位精度的偏差情況分析得出是否符合應(yīng)用場(chǎng)景，測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步為該系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合的選擇提供了數(shù)據(jù)支持。5

結(jié)語(yǔ)本文基于LabVIEW上位機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡+驅(qū)動(dòng)器模塊的控制方案進(jìn)行四軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)計(jì)的上位機(jī)控制程序?qū)崿F(xiàn)了閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制及監(jiān)視。之后基于編碼器搭建了電機(jī)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)電