基于ADT-8948A1的运动轨迹控制系统设计

XJzy

目前，常用的伺服运动控制系统方式有：单片机系统、专业运动控制PLC、运动控制卡等。随着PC的发展和普及，采用“PC+运动控制卡”作为控制系统是运动控制系统的一个主要发展趋势。“PC+运动控制卡”方案可充分利用计算机资源，可用于运动过程和轨迹都比较复杂且柔性比较强的机器和设备中，运动控制卡还可提供功能强大的运动控制软件库，使用者可更快、更有效地解决复杂的运动控制问题。

伴随着计算机控制技术和先进制造技术的发展，人们迫切需要具有强适应性、功能扩张简便、维护方便和操作简单、各模块之间兼容性强以及易于实现统一管理的开放式数控系统。

综上所述，本文最终确定采用“凌华工控机（IPC）+运动控制ADT-8948A1卡”为核心的开放式数控系统作为运动轨迹控制系统的硬件平台。

系统工作原理

图1所示为运动轨迹控制系统的原理图。运动轨迹仿真系统是通过硬件设计与软件编写的方式来最终实现的，其主要功能是能够精确地模拟出图像制导弹和图像侦察装备在三维空间的各种运动轨迹。该仿真训练系统在实际工作过程中，操纵手和参加培训人员只需要在IPC控制计算机上设定相关运动参数（主要包括有：X、Y、Z三轴运动位移、运动速度和运动方向，三轴归零以及限位设置等），通过运动控制卡ADT-8948A1转换成脉冲输给伺服电机驱动器，用来控制电机的位移和速度，同时通过运动控制卡ADT-8948A1上的光电编码器反馈输入接口采样来自光电编码器的目标位移信号θi与给定位置θ0进行比较，直到θi与θ0两值相等时，就会停止供给伺服驱动器脉冲，从而使得电机停转，就会让固定于Z轴末端云台上的CCD摄像头停在指定的位置。

系统硬件结构设计

运动轨迹控制系统以IPC机平台为基础和以ADT-8948A1运动控制卡为运动控制核心。ADT-8948A1运动控制卡主要完成负载X、Y、Z三轴的运动控制，包括插补运算、伺服驱动、程序解释以及高速数据采集等实时性任务。ADT-8948A1卡支持实时操作，数控程序代码解释工作和连续运动等复杂的插补运算都可以在其内部完成，并能够保证对运算过程和各种紧急情况的及时处理。ADT-8948A1运动控制卡是直接插在IPC机的PCI插槽中，并由动态链接库驱动。在运动轨迹控制系统工作时，伺服驱动器接收数控主机发出的位置指令信号（脉冲/方向），送入脉冲列形态，经过电子齿轮分倍频后，在偏差可逆计数器中与反馈脉冲信号比较后形成偏差信号。反馈脉冲是由光电编码器检测到电机实际产生的脉冲数，经过四倍频后产生的。位置偏差信号经过位置环的复合前馈控制器调节后，形成速度指令信号。位置控制精度则是由光电编码器每转产生的脉冲数控制的。运动轨迹控制系统硬件结构如图2所示。

图1 运动轨迹控制系统原理图


  

图2 运动轨迹控制系统硬件结构图

（1）伺服电机

运动轨迹控制系统需要对被控对象实现高精度的位置控制，而实现精确位置控制的一个最基本的条件就是需要有高精度的执行机构。混合式步进电动机具备反应式步进电动机和永磁式步进电动机的优点，同时三相混合式步进电动机比二相步进电动机有更好的低速平稳性及输出力矩，并且考虑系统的性能要求，因此，本系统采用德国百格拉三相混合式步进电动机作为X、Y、Z轴的执行电机。三相混合式步进电机吸取先前五相电机的优点，且与其配套的驱动器采用了交流伺服电机驱动器工作方式。

（2）运动控制器

ADT-8948A1卡是一款基于PCI总线的高性能四轴伺服步进电机运动控制卡，内核为2片日本NOVA公司生产的基于DSP的专用运动控制芯片MCX312，其接口简单，编程方便，广泛用于工控领域。它还配备了功能强大、内容丰富的运动控制驱动软件工具，它在插补算法和运动的执行效率方面采用了更加有效地方法，提高了插补精度、插补速度和实时性，可在运动中随时改变速度，可使用连续插补等先进功能。其运动函数库能够完成与运动控制有关的复杂细节（如升降速、直线插补、圆弧插补等），这样就可以大大缩短控制系统的开发周期。其脉冲输出方式可用单脉冲（脉冲+方向）或双脉冲（脉冲+脉冲）方式，最大脉冲频率4MHz，采用先进技术使输出频率在很高的时候也能使频率误差小于0.1％。

（3）终端导轨

导轨的功用就是起到导向的作用，即保证系统运动部件云台上的CCD摄像头在外力（电机驱动、运动部件本身的重量等）的作用下，能够准确地沿着一定方向运动。本文在X、Y方向导轨选用精密数控车床专用的精密直线滚动导轨，Z轴方向导轨采用伸缩杆（丝杆）的方式，并通过电机控制技术来满足目标运动过程中高度的变化。云台上CCD摄像头在三维空间的运动轨迹是通过X、Y轴精密直线滚动导轨和Z轴伸缩丝杆的运动与控制来最终实现的，导轨运动控制原理如图3所示。

为了防止X、Y导轨和Z轴丝杆在运动方向超出系统容许的最大范围，设计时采用了通过极限限位开关来控制其运动位移的方法，用于避免出现意外和安全问题。当丝杆在X、Y、Z轴方向导轨运动到一定的位移时，为防止其运动超出系统要求的运动范围，需要限位开关来控制其运动位移。控制系统中控制X、Y、Z各轴运动位移的限位开关连接如图4所示，其中 为接近开关， 为普通开关。

图3 导轨运动控制原理图

图4 控制极限限位开关连接图

（4）滚珠丝杆

机械传动装置是许多伺服机构不可缺少的一个重要机械部件，考虑到为了提高系统刚度和传动精度，我们采用了滚珠丝杆副。滚珠丝杆副与普通丝杆副相比较，具有长寿命、高刚度、高效率、高灵敏度和无间隙的特点，还具备优越的高速特性和耐磨损性及其运动可逆等机械传动特性。

（5）减速机构

为使伺服电机能够工作在额定转速附近，需在电机与滚珠丝杆中间加入减速机构。考虑到系统刚性、稳定性及精度的要求，本文选用行星减速器来实现伺服电机工作在较好状态，以提高整个系统的稳定性和精度。行星减速器与其它减速器相比有着结构比较紧凑、回程间隙小、精度较高以及使用寿命很长的优点。

（6）光电编码器

光电编码器直接安装在电机的旋转轴系上，能将角位移转换成与之对应的电脉冲输出。光电编码器是位置伺服系统中的位置检测装置，可以直接与ADT-8948A1卡连接且不需要额外的附件。光电编码器的角度检测传感器是一种广泛应用的编码式数字传感器，它能将测得的角位移转换成脉冲形式的数字信号输出。

设计运动轨迹控制系统时，将运动控制卡ADT-8948A1插入PC机的PCI插槽中，用D62GG连接线的一端和控制卡的J1接口相连接，另一端则与62芯接线端子ADT-9162的P1相连。

在运动控制卡ADT-8948A1与步进电机驱动器的接线上，本文采用了脉冲/方向的差动接法，主要是因为此接法有着抗干扰性能强的优点。运动控制卡ADT-8948A1控制着3路驱动器，分别控制X、Y、Z三轴的驱动，其具体连接如图5所示。

图5 控制卡与驱动器的 差动接法图

X轴驱动器SH30822M与步进电机130BYG3503的连接如图6所示。

Y、Z轴驱动器WD3-007与步进电机VRDM3913/LMA的连接如图7所示。

图6 X轴驱动器与电机连接图

图7 Y、Z轴驱动器与电机连接图

系统软件总体设计

在运动轨迹控制系统中，上位PC机通过调用下位控制卡ADT-8948A1中的运动函数，构成了一套主从式控制机构。因此，在选择控制软件的开发平台时，需要充分考虑这种结构特点。

控制卡ADT-8948A1支持实时操作，数控程序代码解释工作和连续运动时复杂的插补运算都在其内部完成，可以保证对运算过程和各种紧急情况的及时处理。上位PC机只是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（如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示和控制指令的发送等），CPU的工作量不是很大。鉴于以上因素，上位机软件系统的开发使用WINDOWS平台的面对象可视化工具Visual C++中的MFC类库。运动轨迹控制系统的软件功能模块组成如图8所示。

图8 运动轨迹控制系统软件功能模块组成图

（1）初始化模块

初始化模块主要用于对ADT-8948A1运动控制卡函数库进行初始化。

（2）轨迹和参数设定模块

轨迹和参数设定模块主要是根据不同的运动功能和轨迹，提供相应的参数设定界面，其中包括参数合理性判断、缺省值提供等辅助功能。ADT-8948A1卡的运动控制功能主要取决于运动函数库，且函数运动库为单轴及多轴的伺服控制提供了很多运动函数：单轴运动、多轴独立运动以及多轴插补运动控制等。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、间隙补偿等。

单轴运动控制主要有点位控制、连续运动和回原点运动，并且这些运动可以在常速模式或梯形速度模式下工作。

多轴独立运动控制能以独立的形式进行点位运动、连续运动和回原点（三轴归零）。

多轴插补运动是能以特定的矢量速度执行线性、圆弧、椭圆和螺旋式插补运动。参与插补运动的各轴同时开始运动，并且按照特定的算法三轴同时到达目标位置。线性插补函数可允许三轴沿着直线运动；圆弧类插补函数允许三轴沿着圆弧或者椭圆运动，以及三轴作螺旋运动。做直线插补运动时，可采用均匀矢量速度方式或梯形矢量速度方式运动。

（3）轨迹仿真显示模块

轨迹仿真显示模块是根据设定轨迹和运动参数，在屏幕上显示坐标系和相应的理论计算轨迹。在这个部分中，操纵和训练人员根据要求可模拟图像制导弹或侦察装备的运动规律，并将模拟其理论空中运动轨迹在IPC机显示器屏幕上表现出来。

（4）运动信息实时显示模块

运动信息实时显示模块是利用ADT-8948A运动控制卡采集伺服电机轴上的光电编码器反馈脉冲，动态实时采集摄像头CCD的位置和速度等信息。然后，再利用运动信息实时显示模块实现实时动态显示摄像头CCD的运动轨迹。

（5）数据存储和分析模块

数据存储和分析模块主要在图像制导或图像侦察仿真训练时，实现图像制导弹和图像侦察装备在空中运动过程中的信息存储、显示和轨迹分析。

（6）故障诊断模块

故障诊断模块内嵌于各功能模块中，主要功能包括设定值合理性判别、键盘操作功能保护、界面功能按钮的连锁、电机限速保护以及导轨运行速度和位置极限限位等。

结束语

随着PC的发展与广泛应用，采用“PC+运动控制卡”作为控制系统是运动控制系统的一个主要发展趋势。本文基于ADT-8948A1运动控制卡设计了一种运动轨迹控制系统。该系统能够实现多种运动轨迹控制方式，以及能对其目标信息和速度信息等进行实时图像、数据采集和处理，应用关键词：伺服运动控制系统 运动轨迹控制系统