（控制理论与控制工程专业论文）基于labview的多轴运动控制器应用研究.pdf

l i i ii i ii ii i iii ii ii ii ii 、t17 4 5 6 9 6 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c e t h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c ho nm u l t i - a x i sm o t i o n c o n t r o ll e rb a s e do nl a b v le w m a s t e rd e g r e ec a n d i d a t e ：l i a n gy o n g z h o n g s u p e r v i s o r ：p r o f d e n gz e m i n g a s s o c i a t ep r o f g a oj u n l i j u n e2 0 1 0 f a c u l t yo fa u t o m a t i o n g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，pr c h i n a ，510 0 0 摘要 摘要 运动控制是2 0 世纪9 0 年代在国际上兴起的结合现代电力电子技术、计算机 技术、传感器技术等进行控制系统设计的一门多学科交叉的技术，在数控机床、 汽车、轻工、纺织和军事等领域应用广泛，其中的数控技术、机器人技术更是一个 国家运动控制技术发展水平的重要标志。 虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各 种测试、测量和自动化的应用，目前在测控领域应用广泛，在控制领域却研究得 不多。课题旨在研究在l a b v i e w 开发环境下，结合实验室现有的硬件设备开发 一套三维运动控制系统。主要研究内容包括：系统总体方案设计、运动控制理论 研究、硬件电路研究、软件设计和系统验证等。 系统总体方案设计：采用“p c + 运动控制卡 构成多轴运动控制器的控制策 略，实现将上位机和下位机分层控制，充分发挥两者的优势一一p c 强大的数据处 理能力，运动控制卡对电机的精确控制，大大地提高了系统的可靠性和精确性。 运动控制理论研究：比较分析数值插补算法、加减速控制算法及n u r b s 曲 线插补等。数值插补算法包括逐点比较插补法、数字积分插补法和时间分割插补 法；加减速控制算法包括梯形和s 形加减速控制算法。 硬件电路研究包括运动控制卡的硬件结构分析、运动轴的限位及回零方式设 计和控制卡与驱动器之间的连接等。 软件设计：基于虚拟仪器开发环境l a b v i e w8 6 ，设计人机控制界面和程序， 实现运动轨迹的仿真和对电机的精确控制。另外增加了系统的扩展功能，如p w m 输出，i o 控制等。 系统验证：通过在有机玻璃加工仿真的轮廓图案，分析其存在的误差并找出 误差来源及改进措施。 关键词：运动控制；三维运动控制系统；运动控制卡；l a b v i e w 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em o t i o nc o n t r o li sam u l t i - d i s c i p l i n a r yo v e r l a p p i n gt e c h n o l o g yi n t e r n a t i o n a l l y e m e r g e di nt h e19 9 0 s ，w h i c hc o m b i n e st h em o d e r ne l e c t r i cp o w e ra n de l e c t r o n i c t e c h n o l o g y ，t h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t h es e n s o rt e c h n o l o g ya n d s oo nt oc a r r yo nt h e c o n t r o ls y s t e m sd e s i g n ；i t sw i d e l yu s e di nt h en cm a c h i n et o o l ，a u t o m o b i l e ，l i g h t i n d u s t r y ，t e x t i l e sa n dm i l i t a r yf i e l d s ，i nw h i c ht h en u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g ya n d t h er o b o tt e c h n o l o g ya r ea ni m p o r t a n ts i g no ft h ec o u n t r y sl e v e lo fd e v e l o p m e n to f m o t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi st h eu s eo fh i g h p e r f o r m a n c em o d u l a rh a r d w a r e ， c o m b i n e dw i t he f f i c i e n ta n df l e x i b l es o f t w a r et o a c c o m p l i s h av a r i e t yo ft e s t ， m e a s u r e m e n ta n da u t o m a t i o n a p p l i c a t i o n s ，a n d n o wi s w i d e l y u s e di nt h e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o la r e a s ，b u tl i t t l ei nt h ec o n t r o la r e a t h ep a p e ra i m st od e v e l o p at h r e e - d i m e n s i o n a lm o t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e do nl a b v i e w ，c o m b i n ew i t ht h e e x i s t i n gl a b o r a t o r yh a r d w a r e t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d es y s t e mo v e r a l l c o n c e p td e s i g n ，m o t i o nc o n t r o lt h e o r y ，h a r d w a r ec i r c u i t ，s o f t w a r ed e s i g na n ds y s t e m v e r i f i c a t i o na n ds oo n s y s t e mo v e r a l lc o n c e p td e s i g n ：u s eo f “p c + m o t i o nc o n t r o lc a r d ”f o r mm u l t i - a x i s m o t i o nc o n t r o l l e r sc o n t r o ls t r a t e g yt or e a l i z et h eh o s tc o m p u t e ra n ds l a v eh i e r a r c h i c a l c o n t r o l ，d i s p l a yt h e i r ss u p e r i o r i t y - - - - p cp o w e r f u ld a t ap r o c e s s i n gc a p a b i l i t y ，m o t i o n c o n t r o lc a r do nt h ep r e c i s em o t o rc o n t r o l ，g r e a t l yi m p r o v e st h es y s t e m sr e l i a b i l i t ya n d a c c u r a c y r e s e a r c ho nm o t i o nc o n t r o lt h e o r i e s ：c o m p a r i s o na n da n a l y s i st h en u m e r i c a l i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m s ，a c c e l e r a t i o n a n dd e c e l e r a t i o nc o n t r o l a l g o r i t h m s a n d n u r b sc u r v ei n t e r p o l a t i o n n u m e r i c a li n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m si n c l u d ep o i n tb y p o i n tc o m p a r i s o ni n t e r p o l a t i o n ，d i g i t a li n t e g r a li n t e r p o l a t i o na n dt i m e - s h a r i n g i n t e r p o l a t i o n ；a c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o nc o n t r o la l g o r i t h m si n c l u d et r a p e z o i d a la n d s - c u r v ec o n t r o la l g o r i t h m h a r d w a r ec i r c u i tr e s e a r c h i n c l u d e st h ea n a l y s i so ft h em o t i o nc o n t r o lc a r d s h a r d w a r es t r u c t u r e ，t h ed e s i g no fm o t i o na x i s e s l i m i t a t i o na n db a c kt oz e r o ，t h e a b s t r a c t c o n n e c t i o nb e t w e e nt h ec o n t r o lc a r da n dt h ed r i v e r sa n ds oo n s o f t w a r ed e s i g n ：d e s i g nt h em a n m a c h i n ei n t e r a c t i v ei n t e r f a c ea n dc o n t r o l p r o c e d u r e sb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n td e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tl a b v i e w8 6t o a c h i e v et r a j e c t o r ys i m u l a t i o na n dp r e c i s ec o n t r o lo ft h em o t o r m o r e o v e r ，i t s i n c r e a s e dt h es y s t e m se x t e n d e df u n c t i o n s ，s u c ha st h ep w m o u t p u t ，i 0c o n t r o la n d s oo n s y s t e mv e r i f i c a t i o n ：p r o c e s s e st h eo u t l i n ed e s i g no fs i m u l a t i o no nt h ep l e x i g l a s s ， a n a l y s e sa n di d e n t i f yt h es o u r c eo f e r r o ra n di m p r o v e m e n t 。 k e y w o r d s ：m o t i o nc o n t r o l ；t h r e e d i m e n s i o n a lm o t i o nc o n t r o ls y s t e m ；m o t i o nc o n t r o l c a r d ；l a b v i e w i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录v c o n t e n t s v i i i 第一章绪论1 1 1 课题来源1 1 2 运动控制技术的发展现状1 1 2 1 国外运动控制技术的发展现状1 1 2 2 国内运动控制技术的发展现状2 1 3 虚拟仪器简介及发展现状2 1 4 课题研究意义。3 1 5 主要研究内容4 1 6 本章小结4 第二章系统总体方案设计5 2 1 运动控制系统方案选择5 2 2 系统方案设计6 2 3 运动控制卡选择6 2 4 电机及其驱动器选择7 2 5 上位机控制软件选择9 2 6 本章小结1 0 第三章运动控制相关理论研究1 1 3 1 常用数值插补算法1 1 3 1 1 逐点比较插补法11 3 1 2 数字积分插补法1 3 3 1 3 时间分割插补法1 5 3 1 4 数值插补算法比较及选择1 7 3 2n u r b s 曲线插补研究17 3 2 1n u r b s 曲线数学模型1 7 v 广东工业大学硕士学位论文 3 2 2n u r b s 曲线计算18 3 2 3 轮廓误差分析与控制1 9 3 2 4 法向加速度分析与控制2 0 3 3 速度控制2 0 3 3 1 梯形曲线加减速控制算法2 l 3 3 2 指数加减速控制算法2 2 3 3 3s 曲线加减速控制算法。2 3 3 3 4 速度控制算法比较及选择2 5 3 4 本章小结2 6 第四章系统硬件设计2 7 4 1 控制卡工作原理及结构分析2 7 4 1 1 电源模块2 8 4 1 2 主控单元2 8 4 1 3 主机通信接口2 9 4 1 4 控制卡与p c 机的通信模块3 0 4 1 5 通用数字i o 信号3l 4 1 6p w m 产生及模拟量输出。3 2 4 1 7 电机控制模块3 3 4 1 8 编码器模块3 4 4 2 行程限位保护3 5 4 3 运动轴回零。3 6 4 4 驱动器与电机连接。3 7 4 5 整体连接3 8 4 6 抗干扰措施。4 0 4 7 本章小结。4 0 第五章系统软件设计4 1 5 1l a b v i e w 简介4 1 5 2l a b v i e w 应用程序开发4 2 5 2 1l a b v i e w 应用程序构成4 2 5 2 2 建立子v i 。4 2 v i 目录 5 2 3l a b v i e w 应用程序开发步骤4 3 5 3 控制卡基于l a b v i e w 驱动研究4 4 5 3 1 动态链接库简介4 4 5 3 2 调用库函数节点技术4 5 5 4 人机控制界面4 8 5 5 程序实现5 0 5 5 1 仿真程序实现5 0 5 5 2 控制程序实现。5 5 5 6l a b v i e w 程序打包一5 8 5 7 本章小结5 9 第六章系统验证6 0 6 1 仿真待加工的图案6 0 6 2 加工已仿真的图案6 1 6 3 实验分析总结。6 l 6 4 本章小结6 2 结论与展望6 3 参考文献。6 4 攻读硕士学位期间发表的论文6 7 独创性声明6 8 致谢6 9 v i i 广东工业大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) v c o n t e n t s ( e n g l i s h ) “v i i i c h a p t e r1p r e f a c e 1 1 1 s u b j e c to r i g i n ”1 1 2d e v e l o p m e n to f m o t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y 1 1 2 1o v e r s e a sd e v e l o p m e n to fm o t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y 1 1 2 2d o m e s t i cs t a t u so fm o t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y 。2 1 3b r i e f i n t r o d u c t i o na n dd e v e l o p m e n to f v i r t u a li n s t r u m e n t s 2 1 4s i g n i f i c a n c eo f t h er e s e a r c h 3 1 5m a i nr e s e a r c hc o n t e n t s 4 1 6s u m m a r y 4 c h a p t e r2s y s t e mo v e r a l lc o n c e p td e s i g n 5 2 1s e l e c t i o no f m o t i o nc o n t r o ls c h e m e 5 2 2s y s t e ms c h e m ed e s i g n 6 2 3s e l e c t i o no fm o t i o nc o n t r o lc a r d 6 2 4s e l e c t i o no f m o t o ra n di t sd r i v e r 7 2 5s e l e c t i o no f p cs o f t w a r e 9 2 6s u m m a r y 10 c h a p t e r3a n a l y s i so fm o t i o nc o n t r o lt h e o r i e s 1 1 3 1c o m m o ni n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m 11 3 1 1p o i n tb yp o i n tc o m p a r i s o ni n t e r p o l a t i o n 11 3 1 2d i g i t a li n t e g r a li n t e r p o l a t i o n 13 3 1 3t i m e s h a r i n gi n t e r p o l a t i o n 15 3 1 4c o m p a r i s o na n ds e l e c t i o no fi n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m s 17 3 2n u r b sc u r v ei n t e r p o l a t i o nr e s e a r c h 17 3 2 1m a t h e m a t i c a lm o d e lo f n u r b sc u r v e 17 3 n o 22c a l c u l a t i of n u r b sc u r v e 18 v i i i c o n t e n t s 3 2 3a n a l y s i sa n dc o n t r o lo f c o n t o u re r r o r 19 3 2 4a n a l y s i sa n dc o n t r o lo f n o r m a la c c e l e r a t i o n 2 0 3 3s p e e dc o n t r o l 2 0 3 3 1t r a p e z o i d a lc u r v ea c ea n dd e cc o n t r o la l g o r i t h m 2 1 3 3 2e x p o n e n ta c ea n dd e cc o n t r o la l g o r i t h m 2 2 3 3 3s - c u r v ea c ea n dd e cc o n t r o la l g o r i t h m 2 3 3 3 4c o m p a r i s o na n ds e l e c t i o no fs p e e dc o n t r o la l g o r i t h m s 2 5 3 4s u m m a r y 2 6 c h a p t e r 4s y s t e mh a r d w a r ed e s i g n 2 7 4 1c o n t r o l l e rw o r k i n gp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r ea n a l y s i s 2 7 4 1 1p o w e rm o d u l e 2 8 4 1 2c o n t r o l l e ru n i t 2 8 4 1 3h o s tc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e 2 9 4 1 4c o m m u n i c a t i o nm o d u l eb e t w e e nc o n t r o l l e ra n dp c 3 0 4 1 5g e n e r a ld i g i t a li os i g n a l s 3 1 4 1 6p w m g e n e r a t i o na n da n a l o go u t p u t 3 2 4 1 7m o t o rc o n t r o lm o d u l e 3 3 4 1 8e n c o d e rm o d u l e 3 4 4 2t r a v e ll i m i tp r o t e c t i o n 35 4 3m o v e m e n ta x i sb a c kt oz e r o 3 6 4 4d r i v e ra n dm o t o rc o n n e c t i o n 3 7 4 5w h o l ec o n n e c t i o n 3 8 3 6a n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e s 4 0 3 7s u m m a r y 4 0 c h a p t e r5s y s t e ms o f t w a r ed e s i g n 4 1 5 1l a b v i e wi n t r o d u c t i o n 4 1 5 2l a b v i e wa p p l i c a t i o np r o g r a md e v e l o p m e n t 4 2 5 2 1c o n s t i t u t i o no fl a b v i e wa p p l i c a t i o np r o g r a m 4 2 5 2 2e s t a b l i s h m e n to fs u b v i 4 2 5 2 3l a b v i e w a p p l i c a t i o np r o g r a md e v e l o p m e n ts t e p s 4 3 i x 广东工业大学硕士学位论文 5 3d r i v e nr e s e a r c ho fc o n t r o l l e rb a s e do nl a b v i e w 4 4 5 3 1d y n a m i cl i n kl i b r a r yi n t r o d u c t i o n 4 4 5 3 2c a l ll i b r a r yf u n c t i o nn o d et e c h n o l o g y 4 5 5 4m a n m a c h i n ec o n t r o li n t e r f a c e 4 8 5 5p r o g r a mi m p l e m e n t a t i o n 5 0 5 5 1s i m u l a t i o np r o g r a mi m p l e m e n t a t i o n 5 0 5 5 2c o n t r o lp r o g r a mi m p l e m e n t a t i o n 5 5 5 6l a b v i e wp r o g r a mr e l e a s e 5 8 5 7s u m m a r y 5 9 c h a p t e r6s y s t e mv e r i f y e a t i o n 6 0 6 1s i m u l a t i n gt h ep a t t e r nt ob ep r o c e s s e d 6 0 6 2p r o c e s s i n gt h ep a t t e r nh a sb e e ns i m u l a t e d 6 1 6 3a n a l y s i sa n ds u m m a r i z eo f t h ee x p e r i m e n t 6 1 6 4s u m m a r y 6 2 c o n c l u s i o n sa n do u t l o o k 6 3 r e f e r e n c e s 6 4 p u b l i c a t i o nd u r i n gs t u d i n gf o rm a s t e r ss t u d i e s 6 7 o r i g i n a l i t ys t a t e m e n to fa c a d e m i cd i s s e r t a t i o n 6 8 a c k n o w l e d g e m e n t 6 9 x 第一章绪论 第一章绪论 运动控制是对机械运动部件的位置、速度、加速度和轨迹控制等进行实时的控 制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。早期的运动控制 技术主要是伴随着数控技术、机器人技术和工厂自动化技术的发展而发展的，经过 多年的发展，现代运动控制己成为一个以控制理论为基础，涵盖电机技术、电力电 子技术、传感器检测技术、信息处理技术、自动控制技术、计算机仿真和辅助制造 技术等许多学科交叉应用的控制技术幢，。运动控制技术不仅应用于数控机床、工业 机器人、轻工、纺织、化工等传统行业，而且还在火炮操纵、雷达驱动、导弹发射、 导航控制等多个领域得到了广泛的应用，其中的数控技术、机器人技术更是一个国 家运动控制技术发展水平的重要标志。 1 1 课题来源 来源于粤港关键领域重点突破基金项目：多轴数控超声加工成套设备，编号： 2 0 0 6 a 1 5 1 0 1 0 0 4 。本课题属于该项目的前期研究，主要在系统方案及软硬件设计方 面作初步探讨。 1 2 运动控制技术的发展现状 1 2 1 国外运动控制技术的发展现状 早期的运动控制器无需另外的处理器和操作系统的支持，就能独立完成运动控 制功能，是可以独立运行的专用的控制器。这类运动控制器一般已根据应用行业的 工艺要求设计了相关的功能，所以不能离开其特定的工艺要求而跨行业应用，用户 也不能根据应用要求来重组自己的运动控制系统。这种运动控制器结构封闭，功能 单一，软件移植性、组网通讯能力差，不能满足现代工业和社会发展的要求。针对 这种情况，1 9 8 7 年起，世界各国开始研究一种开放式体系结构的数字运动控制系统， 即系统要具有互换性、可伸缩性、可移植性、互操作性和可扩展性。首先是美国空 军在美国政府资助下发表了著名的下一代控制器n g c ( n e x tg e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n m a c h i n ec o n t r o l l e r ) 研究计划，该计划重要内容之一便是提出了“开放系统体系结构 广东工业大学硕士学位论文 标准规格( o s a c a ) ”，目的是要建立一种开放式的控制系统标准，使不同的设计人员 可依据规范开发具有互换性和互操作性的控制器部件，打破少数制造商的技术垄断， 加快控制系统的发展步伐。其后有许多相关的研究计划在世界各国相继启动，其中 影响较大的有美国的开放式模块化结构控制器o m a c ( o p e nm o d u l a r a r c h i t e c t u r e c o n t r o l l e r ) 、欧洲的o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o n ) 和日本的o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e ra r c h i t e c t u r e ) 等计划口1 。 1 2 2 国内运动控制技术的发展现状 “八五”期间，我国广大科研工作者成功地开发了两种数控平台和华中i 型、蓝 天i 型、航天i 型、中华i 型等4 种数控系统，这些系统采用模块化、嵌入式的软、硬件 结构。其中以华中i 型较具代表性，它采用工业p c 机上插接口卡的结构，运行在d o s 平台上，具有较好的模块化、层次化特点，具有一定的扩展和伸缩性。但从整体上 来说，这些系统还不具备开放性系统的本质特征【，。 近年来，随着运动控制技术的不断进步和完善，运动控制器作为一个独立的工 业自动化控制类产品，已经被越来越多的产业领域接受，并且已经达到一个引人瞩 目的市场规模。我国在运动控制器及运动控制系统开发方面相对滞后，1 9 9 9 年固高 科技有限公司开始开发、生产开放式运动控制器及运动控制系统，随后，国内又有 其他几家公司相继进入该领域，如摩信、北京东方嘉宏等。由此可见，我国在运动 控制技术的研究和应用方面与美国等发达国家相比还有较大差距。 1 3 虚拟仪器简介及发展现状 虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种 测试、测量和自动化的应用。其基本思想是利用计算机来管理仪器、组织仪器系统， 进而逐步代替仪器完成某些功能，最终达到取代传统电子仪器的目的。 1 9 8 6 年，美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 首先提出基于计算机技术的虚 拟仪器概念，研制和推出了基于多种总线系统的虚拟仪器，其中的l a b v i e w 应用最 为方泛，随后h p 公司推出了h p v e e 、h p t i g 图形化开发工具，提供数十至数百种虚 拟仪器的组建单元和整机，用户可以用它组建或挑选自己所需的仪器，给虚拟仪器 的开发提供了极为方便的开发环境。除此之外，世界上陆续有数百家公司，如t e k t r o n i x 公司，r a c a l 公司、h e md a t a 公司等也相继推出了总线系统多达数百个品种的虚 2 第一章绪论 拟式仪器h “。从那以后，“软件即是仪器 的概念逐步形成，虚拟仪器的设想变为 现实。与传统仪器相比，虚拟仪器基于计算机的丌放系统，可方便地同外设、网络 及其它应用连接，价格低廉，可重用使用，技术更新快，基于软件体系的结构，大 大节省开发维护费用。 目前虚拟仪器在测试和测量领域应用广泛，如美国斯坦福大学的虚拟仪器教学、 实验、仿真系统；挪威c a r d i a c 公司的基于l a b v i e w 平台的测试北海油田石油、 大气、水流的m p f m 等系统；清华大学应用虚拟仪器技术构建的用于检测汽车发动 机性能的出厂检测系统等。发展到今天，