基于VB的四轴运动控制系统设计
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摘 要：采用“PC+运动控制卡”的运动控制方案，设计了基于vb的四轴运动控制系统，通过调用控制卡的运动函数库实现单轴点动、连续运动以及直线和圆弧插补等功能。详细说明了运动控制系统的组成及运动控制系统的软件设计。
关键词：VB；运动控制卡；运动控制系统；运动函数库
引言
为了提高产品质量和产量，运动控制系统正在不断地深入到各个领域并得以迅速发展，运动控制系统在各类控制工程中有着广泛的应用前景。其应用范围涵盖数控加工业、汽车制造业和机器人等多个领域。通过开发实时多轴运动控制系统软件来满足实际工作的需求，已经成为备受关注的研究课题[1，2]。
近年来，PC+运动控制卡模式的运动控制系统得到了广泛应用。它具有结构简单、开放性易实现、成本相对较低等优点[3]。文章的控制系统也采用PC+运动控制卡模式。
1 系统硬件设计
整个系统由运动执行机构及运动控制系统组成，PC为控制系统的上位机，运动控制卡为下位机，系统设计方案如图1所示。
PC主机与控制卡通过PCI通讯方式实现信息交换，PC机通过调用运动控制卡动态链接库向控制卡发出运动指令，运动卡接收来自上位机的指令后向驱动器发出控制脉冲信号，控制卡可以控制所发出脉冲的频率、个数及频率变化率，从而能满足电机各种复杂的控制要求[4，5]，主机也可以通过总线读取运动控制卡的输入信号，如通用输入口、限位信号、原点开关等，经判断并执行相应运算后向运动控制卡发出相应执行指令。
系统采用的运动控制卡是深圳固高公司生产的基于PCI总线的型号为GTS-400-SV的高性能运动控制卡，该控制卡可以同时控制4个轴，实现多轴协调运动。
图1 运动控制系统的硬件结构框图
系统其中一个轴的电路连接方式如图2所示，控制卡的脉冲信号及方向信号发送给驱动器，经放大处理后驱动步进电机运动，LIM+和LIM-分别连接对应轴的正向限位和负向限位开关，HOME为原点触发信号的输入引脚，连接原点开关[6]。
图2 电路连接图
2系统软件设计
固高运动控制卡的控制系统可以使用VC、VB和Delphi等支持动态链接库的开发工具来编写[7]。文章的运动控制系统的控制软件采用VB（Visual Basic）语言进行设计。VB是面向Windows的可视化编程开发工具，具有简练的语法和强大的功能、结构化程序设计思想以及方便快捷的可视化编程手段[8]，它屏蔽了Windows环境下程序设计的复杂性，利用动态链接库DLL可以很快开发出Windows平台下的运动控制系统，因此VB在机电系统软件开发方面占有很大的比例。
2.1 程序界面设计
程序界面主要包括参数设置、功能选择和运动操作模块。硬件参数包括电机每转脉冲数、丝杠螺距、驱动器细分倍数及控制卡控制周期的设置，增加了使控制系统的适用性，参数设置还包括运动轴轴号选择、运动速度设置、移动距离设置、加速度以及加加速度设置，功能选择模块包括直线插补、圆弧插补、单轴运动、电子齿轮等运动模式的选择，操作模块包括驱动复位、位置清零、回原点、开始、停止和点动等，控制程序界面如图3所示。
图3 程序界面
2.2 控制程序的编写
运动控制卡提供了Windows环境下的动态链接库，在Windows系统下，用户通过PC机调用函数库中的指令，向运动控制器发出控制指令，实现各种功能。在使用VB编写程序之前，首先将控制卡动态链接库gts.dll和函数声明文件gts.bas复制到工程文件夹中，然后选择工程菜单下的“添加模块”，切换到“现存”标签页，选择工程文件夹中的函数声明文件gts.bas，将其添加到工程中。最后将运动控制器的动态链接库文件gts.dll复制到PC机中C盘windows system 文件夹中。至此可以调用函数库中的指令函数来编写程序[9]，使用VB编写控制程序的界面如图4所示。
图4 程序代码编写界面
程序主要包括返回值处理函数、初始化函数、运动参数设置及运动执行函数等。初始化函数包括控制卡和运动控制轴初始化函数，控制卡初始化函数由GT_Open（）（打开运动控制器）、GT_SwitchtoCardNo（）（指定当前控制卡）、GT_SetSmplTm（）（设置控制周期）、GT_Reset（）（复位运动控制器）等指令组成；运动轴初始化函数由GT_Axis（）（设置当前轴）、GT_ClrSts（）（清除当前轴状态）等指令组成。控制卡提供了大量的运动指令供调用，可以满足各种简单及复杂运动控制的要求。
以下是以电子齿轮模式运动函数为例简要介绍VB编程环境下运动指令的调用方式，对于用户通过主机发送的命令，运动控制器在检查、校验后，会给出一个反馈，这个反馈就是指令（库函数）的返回值，在程序中，指令的返回值赋值给变量rtn，rtn经过返回值处理函数显示出相应的错误信息。指令GT_PrflG（2）为设置当前轴的运动模式为电子齿轮控制模式，主轴为2轴，指令GT_SetRatio（2）用来设置当前轴的电子齿轮传动比为2。指令GT_SetAcc（0.01）、GT_SetVel（B）、GT_SetPos（A）分别用来设置当前轴的运动加速度、速度及目标位置，变量B和A分别为用户输入的速度及目标位置经过运算后的数值。
Private Sub GMotion（） '电子齿轮控制模式运动子函数
rtn = GT_Axis（1）： Er （rtn）
rtn = GT_PrflG（2）： Er （rtn）
rtn = GT_SetRatio（2）： Er （rtn）
rtn = GT_Update（）： Er （rtn）
End Sub
Private Sub Command6_Click（） '以电子齿轮模式运动到目标位置
Dim A As Single
Dim B As Single
A = Text2
B = Text1 / 4 * 1600 / 1000000 * 200
GT_Initial
InputCfg
Axis_1_Initial
Axis_2_Initial
GMotion
rtn = GT_Axis（2）
rtn = GT_PrflT（）： Er （rtn）
rtn = GT_SetAcc（0.01）： Er （rtn）
rtn = GT_SetVel（B）： Er （rtn）
rtn = GT_SetPos（A）： Er （rtn）
rtn = GT_Update（）： Er （rtn）
End Sub
3 结束语
文中运动控制系统采用“PC+运动控制卡”模式，使系统结构简单，动态链接库机制使VB在对第三方运动控制卡的支持上有了一个通用可行的途径。这种方法不仅可以采用价格相对较低的普通运动控制卡，而且能避免繁琐的界面编程，缩短周期，提高效率，降低成本。文章所引用的程序已在某四轴运动平台上通过测试并得到应用，运行稳定、可靠。
参考文献
[1]丛爽.实用运动控制技术[M].北京：电子工业出版社，2006：38-42.
[2]李刚，杨继东.基于PC的开放式数控系统的开发[J].机床与液压，2006（4）：82-83.
[3]何丽娇，张宪民，王宇华.二维定位平台的运动控制系统研究[J].机电工程技术，2008，37（1）：54-97.
[4]周光学.基于运动控制器的开放式数控系统研究及软件设计[D].秦皇岛：燕山大学，2005.
[5]关学锋，王伟，胡明.基于运动控制卡的五自由度机器人控制系统的开发[J].机械设计与制造，2009（6）：189-190.
[6]李国厚.步进电机驱动与控制系统的设计[J].煤矿机械，2008，29（2）：114-116.
[7]杨中宝，康顺哲.VB语言程序设计教程[M].北京：人民邮电出版社，2006：46-77.
[8]沈洪，施明利，等.VB程序设计[M].北京：清华大学出版社，
2010，6：0-56.
[9]固高科技（深圳）有限公司.GTS系列运动控制器编程手册[Z].
2011.