LabVIEW開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的多軸運(yùn)動控制

使用PC并行端口到驅(qū)動器電路接口技術(shù)開發(fā)的，該技術(shù)消除了在PC內(nèi)部安裝昂貴的插入式運(yùn)動控制板的要求。為所介紹的系統(tǒng)開發(fā)了PC到電機(jī)接口和驅(qū)動器電路板。該系統(tǒng)能夠使用直流電機(jī)控制四軸運(yùn)動或使用步進(jìn)電機(jī)控制兩軸運(yùn)動。

運(yùn)動控制是自動化的一個子領(lǐng)域，其中機(jī)器的位置和、速度使用某種類型的設(shè)備進(jìn)行控制。運(yùn)動控制是機(jī)器人和CNC機(jī)床的重要組成部分。在基于PC的運(yùn)動控制系統(tǒng)中，PC執(zhí)行所有實(shí)時運(yùn)動控制操作，包括反饋回路和多軸協(xié)調(diào)。

系統(tǒng)的主要組件包括用于開發(fā)應(yīng)用軟件的PC，用于創(chuàng)建電機(jī)要遵循的軌跡的運(yùn)動控制器，為直流電機(jī)輸出±10V信號，或步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)和方向脈沖，驅(qū)動器（放大器）從控制器獲取命令并產(chǎn)生驅(qū)動或轉(zhuǎn)動電機(jī)所需的電流，一反饋裝置用于獲取電機(jī)位置并將結(jié)果報(bào)告給控制器，從而閉合運(yùn)動控制器的回路。

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系統(tǒng)使用LabVIEW軟件和PC并行口到驅(qū)動電路接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)，通過易于集成的LabVIEW軟件以及測試和測量硬件提高了生產(chǎn)力并降低了成本。運(yùn)動控制應(yīng)用軟件使用PC上的LabVIEW開發(fā)，并通過并行端口以及接口和驅(qū)動器電路（IDC）與直流/步進(jìn)電機(jī)通信。

基于LabVIEW的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的主要組件如下：

基于視窗的電腦

并行端口接口

接口和驅(qū)動電路

電機(jī)

1.基于視窗的電腦

作為工作的用戶界面，使用了基于Windows的PC。所有運(yùn)動控制應(yīng)用軟件均使用PC上的LabVIEW開發(fā)，并通過并行端口以及接口和驅(qū)動器電路與電機(jī)通信。

2.并行端口接口

并行端口是計(jì)算機(jī)上用于連接各種外圍設(shè)備的一種接口。在計(jì)算中，并行端口是并行通信物理接口。它也被稱為打印機(jī)端口或LPT端口，通常以25針母連接器的形式出現(xiàn)在PC的背面。

對于基于并行端口的運(yùn)動控制應(yīng)用，8位數(shù)據(jù)通過并行端口接口電纜發(fā)送到運(yùn)動控制接口硬件以控制電機(jī)。要將8位數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的并行端口，需要端口地址和十六進(jìn)制代碼。

3.接口和驅(qū)動電路

接口和驅(qū)動電路板用于將運(yùn)動控制電機(jī)連接和接口到PC。為了實(shí)現(xiàn)基于PC的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并組裝了IDC板。開發(fā)的IDC板能夠使用其八條數(shù)字輸出線驅(qū)動/控制四個直流電機(jī)或兩個步進(jìn)電機(jī)。

4.電機(jī)

運(yùn)動控制是指根據(jù)速度、距離、負(fù)載、慣性或所有這些因素的組合來精確控制物體的運(yùn)動。運(yùn)動控制設(shè)計(jì)人員面前總是有兩個選擇，即使用“直流電機(jī)”還是“步進(jìn)電機(jī)”。在速度、重量、尺寸、成本方面直流電機(jī)始終優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。當(dāng)與控制器接口時，可以用直流電機(jī)做很多事情。例如，可以控制電機(jī)的速度，可以控制旋轉(zhuǎn)方向，還可以對直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行編碼，即跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)了多少圈等。所以可以看到直流電機(jī)不亞于步進(jìn)電機(jī)。另一方面，步進(jìn)電機(jī)堅(jiān)固耐用，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，低速時扭矩大。對于系統(tǒng)的運(yùn)動控制演示，使用了低速直流/步進(jìn)電機(jī)。工作中使用的電機(jī)規(guī)格如下：

直流電機(jī)：10轉(zhuǎn)/分，12V，150mA，齒輪

步進(jìn)電機(jī)：0.9°步進(jìn)，12V，200mA，4線

如圖6所示，可以連接并驅(qū)動四個兩線直流電機(jī)或兩個4線步進(jìn)電機(jī)。

系統(tǒng)軟件

多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件是使用圖形化編程語言LabVIEW開發(fā)的。為4軸直流電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)和2軸步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)開發(fā)了獨(dú)立的應(yīng)用軟件。所開發(fā)的運(yùn)動控制軟件的簡要說明如下：

軸直流電機(jī)運(yùn)動控制軟件

對于四軸直流電機(jī)運(yùn)動控制演示模型，為每個軸使用了10RPM、12V、150mA減速直流電機(jī)。為了以恒定速度控制這些電機(jī)的位置和方向，使用LabVIEW開發(fā)了應(yīng)用軟件。

使用開發(fā)的運(yùn)動控制軟件，可以配置運(yùn)動控制軸以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立或同時運(yùn)動。在應(yīng)用軟件的前面板中，軸和2處于活動狀態(tài)（ON）以實(shí)現(xiàn)其同時運(yùn)動，而軸3和軸4處于關(guān)閉狀態(tài)。在開發(fā)的運(yùn)動控制軟件的所有前面板中，驅(qū)動電機(jī)的邏輯狀態(tài) “綠色”LED表示邏輯狀態(tài)“I”（ON），而“紅色”LED表示邏輯狀態(tài)“0”（OFF）。在開發(fā)的運(yùn)動控制系統(tǒng)中，軸位置可以控制在0°至360°的角度范圍內(nèi)，精度為±0.05°。

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直流電機(jī)的速度也可以使用變速運(yùn)動控制應(yīng)用軟件進(jìn)行控制。

2軸步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制軟件

對于兩軸步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制演示模型，在每個軸上使用0.96°步進(jìn)、12V、200mA、4線步進(jìn)電機(jī)。

為了控制兩軸步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)的位置、方向和速度，開發(fā)了基于LabVIEW的應(yīng)用軟件。使用開發(fā)的應(yīng)用軟件，可以將運(yùn)動控制軸配置為獨(dú)立或同時運(yùn)動。應(yīng)用軟件前面板中，軸1和軸2配置為同時和CW方向運(yùn)動控制。步進(jìn)電機(jī)各軸的運(yùn)動方向可以使用軸方向開關(guān)獨(dú)立設(shè)置為順時針（CW）或逆時針（CCW）。對于使用步進(jìn)電機(jī)開發(fā)的運(yùn)動控制系統(tǒng)，可以在±0.05°的精度范圍內(nèi)控制0°至360°角范圍內(nèi)的每個軸位置。

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