一種基于運動控制卡的步進電機控制系統

1 引言
運動控制系統的上位控制方案一般有單片機系統、專業運動控制PLC、專用控制系統和“PC＋運動控制卡”。采用單片機系統實現運動控制，成本較低，但開發難度較大，周期長。這種方案一般適用于產品批量較大、控制系統功能簡單、有單片機系統開發經驗的用戶。許多品牌的PLC都可選配定位控制模塊，有些PLC的CPU單元本身就具有運動控制功能，如松下公司的FP0。這種方案一般適用于運動過程比較簡單、運動軌跡固定的設備，如送料器、自動焊機等。專用控制系統一般是針對專用設備或專用行業，比如西門子公司的車床數控系統和銑床數控系統等。“PC＋運動控制卡”的方案隨著PC的普及用得越來越多，將是運動控制系統的主要發展趨勢。這種方案可充分利用計算機資源，用于運動過程、機械軌跡都比較復雜，而且柔性比較強的機器設備，比如目前很熱門的開放式數控系統大多采用這種方案。
本文介紹的控制系統采用的就是“PC＋運動控制卡”方案，這是本文的主要內容。

2 系統組成及硬件介紹
圖1示出本系統的硬件組成框圖。其中采用德國百格拉三相混合式步進電機(VRDM3910/LHA)及其配套驅動器(D921)。控制卡是成都步進機電有限公司生產的MPC02型運動控制卡。

2.1 驅動器面板及其功能設置
圖2是D921型驅動器的面板配置及功能。

功能選擇：STEP1、STEP2 設置電機每轉步數；

所有輸入信號均為光耦輸入。

2.2 運動控制卡的結構
MPC02型運動控制卡的結構如圖3所示。

該卡插在PC的PCI擴展槽內使用；MPC02卡完成運動控制的所有細節，包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速的處理、原點和限位信號的檢測等。它采用先進的專用控制集成電路，具有梯形及S形升降速度曲線。使用68芯SISC接口，外接線可采用屏蔽線纜，以提高控制卡的抗干擾能力。其信號接口定義如下：
脈沖量信號：脈沖/方向(編號17～28)；編碼器反饋(35～52)；光隔電源(29、30)。
開關量信號：限位(55、56、60、61、65、66)；減速(53、54、58、59、63、64)；原點(57、62、67)；伺服使能(9、11、13)；偏差清零(10、12、14)；外部報警(68)；通用輸入(31～34)；通用輸出(1～8)；光隔電源(15、16)。

3 運動控制系統的軟件
3.1 控制卡的軟件
在函數庫中使用的單位和函數返回值通常約定如下。
3.1.1 單位
1)位移或距離的單位為P(Pulse)，即脈沖數；
2)速度的單位是P/S(Pulse/sec)，即脈沖/秒；
3)加速度和減速度的單位是P/s2(Pulse/s2)，即脈沖/秒2。

3.1.2 函數返回值
運動庫中的大多數函數是整型函數，它們的返回意義如下：
0 函數執行正確；－1 函數執行錯誤。
在函數庫中使用的函數有如下幾種：控制卡和軸設置函數、獨立運動和插補運動函數、制動函數、位置和狀態的設置及查詢函數、I/O口操作函數、錯誤代碼函數和一些其他函數。這些函數實現的運動有如下六種基本類型，如圖4所示。