基于labview和固高运动控制卡的PID半闭环位置控制.docx
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基于labview和固高运动控制卡的PID半闭环位置控制
丽水学院
毕业设计（论文）
（2017届）
基于运动控制卡的位置闭环PID控制
题目系统设计
院别工学院
指导教师张文辉
职称副教授
班级机自132班
姓名王宽
学号
2017年4月28日
基于运动控制卡的位置闭环PID控制系统设计
专业：
机械设计制造及其自动化班级：
机自132姓名：
王宽指导老师：
张文辉
摘要随着机电一体化技术的不断发展，制造业对自动化设备的位置精度要求越来越高。
由于机械传动误差、干扰等问题的存在，传统的开环控制在很多场合已经很难满足生产生活的精度要求，因此开发高精度的闭环运动控制器具有非常重要的实用价值和运用前景。
运动控制卡作为上位机的计算机技术日益成熟，功能强大，性能稳定，而且可靠性越来越高。
Labview作为上位机开发程序，编程方便、简洁，而且适用于调用运动控制卡的动态链接库文件去实现编程的可行性。
因此本文全面了解运动控制卡的程序调用方法及其用Labview作为开发语言的用法，使用步进电机驱动系统结合PID算法，实现步进半闭环位置控制的程序编写，并取得了一定效果。
关键词运动控制卡动态链接库Labview位置PID控制
Closed-loopPIDcontrolpositionsystemdesignbased onmotioncontrolcard
Profession:
MechanicalengineeringandautomationClass:
Machinefrom132Name:
WangKuanInstructor:
ZhangWenhui
AbstractWiththedevelopmentofelectromechanicalintegrationtechnology,themanufacturing industryisdemandinghigherandhigherprecisionofautomationequipment.Dueto mechanicaltransmissionerror,interferenceproblemssuchastheexistenceofthe traditionalopenloopcontrolonmanyoccasionsishardtomeettherequirementsofthe precisionoftheproductionandliving,sodevelopmenthighprecisionclosedloopmotion controllerhasveryimportantpracticalvalueandapplicationprospect.
Thecomputer technologyofthemotorcontrolcardisbecomingmoreandmoremature,thefunctionis strong,theperformanceisstable,andthereliabilityishigherandhigher.Labviewisa programmingconvenience,simplicity,andapplicationtothedynamiclinklibraryfilethat callsthemovementcontrolcardtoimplementthefeasibilityofprogramming.Sointhis paper,acomprehensiveunderstandingofthemovementcontrolcard’sprogramcallsthe useofthemethodanditsuseLanviewasdevelopmentlanguage,theuseofsteppingmotor drivensystemcombinedwithPIDalgorithm,implementationstepandahalfclosedloop positioncontrolprogramming,andobtainedthecertaineffect.
KeywordsThemotioncontrol DynamicLinkLibraryLabviewPID control
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1课题背景及意义1
1.2控制系统概述1
1.3研究内容2
第2章步进电机闭环系统设计3
2.1引言3
2.2电机与驱动器选型3
2.2.1硬件设备的组成3
2.2.2步进电机系统介绍4
2.3运动控制卡选型5
2.4其它元器件选型7
2.3.1限位开关的使用说明7
2.3.2编码器的使用说明8
2.5小结8
第3章位置闭环PID控制系统设计10
3.1引言10
3.2Labview的介绍10
3.2.1动态链接库的调用10
3.2.2调用库函数节点技术12
3.3闭环PID控制系统设计14
3.3.1板卡初始化设计14
3.3.2开启轴并设置好闭环模式16
3.3.3设置运动参数使其规划运动16
3.3.4PID位置调节17
3.4小结18
总结20
致谢21
参考文献22
第1章绪论
1.1课题背景及意义
在当今这个技术与科技飞速发展的时代，运动控制技术及系统的普及和应用在它本有的进步发展道路上，也带动了其他更多产业的发展，并且与微电子技术、传感器技术、计算机技术等技术的发展和科技的进步共同相互协助发展。
目前，机电一体化越来越收到各方面的关注，科技技术的发展推动着我们的工业产业在朝着更加精致、高效率的方向快速发展，多样化的运动控制技术正在逐步大力兴起。
上个世纪90年代，美国国家仪器公司（NationalInstrument）最早提出基于计算机技术的虚拟仪器的概念，“软件由仪器生成”的概念由此诞生[1]。
虚拟仪器技术是计算机技术与测试技术相结合的产品，结合多个学科、多种技术的交互涉及，对于虚拟仪器来说，计算机是载体，软件是焦点，而要实现信号采集及其整理就要看A/D采集的质量如何，因而信号调节是关键。
虚拟仪器是一种基于计算机的仪器系统，必然与计算机相关的计数密切相关。
虚拟仪器为主流硬件提供智能化、模块化、集成，利用多种硬件技术和强大的软件资源，使信号采集和处理的速率大大提升，收缩了系统的开发时间，提高了整个体系的扩展性。
1.2控制系统概述
21世纪的到来，随着我国科技事业的飞速进步和社会的快速稳定发展，运动控制技术也是不断的在发展，特别体现在生产领域的自动化变革。
目前，以传统机电行业作为领导的制造业，正在经历着不停的深入改革。
在这场变革中，机电一体化计数使信息和智能与机械设备和动力设施想结合，使得机械工业迅猛发展，而且日益增长的新型制造要求操作系统灵活应对各种各样的自动化实用方案[2]。
在现代工业革命中，运动控制涉及了非常广阔的领域，不仅应用于工业机器人、数控机床、汽车制造等传统行业，而且还在导弹控制与发射及其国防领域得到了很大的运用，其中的数控技术、机器人技术绝对是体现一个国家运动控制水平的主要衡量方式。
因此，研究运动控制技术的方向是十分重要的。
系统地说，运动控制就是对机械运动零件的位置、速度等进行及时的控制管理，是机械技术与电子技术相互叠加的新型技术，它本身就是一种计算机控制的自动化系统。
运动控制系统有三种传动方式，依次为电气传动、液压传动和气压传动的运动控制方式，是综合运用力学、机械、电子、计算机、通讯和自动化等相关技术，在硬件或软件平台上实现满足精度、响应速度和其他要求的执行装置的位移换言之角位移、速度换言之角速度、加速度换言之角加速度、力矩的控制[3]。
现在的发展现状，提高运行效率已成为整个制造行业面临的重大难题，因此，运动技术也不断掀起了持续更新的浪潮。
在这种注重高效率和技术创新的前提下，对上位机下位机的选择方面也提出了更高的要求，即下位机硬件必须实现高速、高精度和系统化，而且必须与其他产业的发展相对应，同时应进一步加强上位机开发程序是现代工业中的一个重要组成部分，它是进行现代工业化进步的依据，同时它也促使着社会的技术进步，为广阔领域的科学探索活动供给试验和观测手段，为有序的生产活动提供一定的技术保障。
1.3研究内容
本次毕业设计的研究内容是一个单轴的运动控制平台，选择了“PC机+运动控制卡”的运动控制方式。
在这种模式下，我们可以充分发挥PC机资源丰富的优势，又可以利用运动控制卡的多种多样的控制方式，从而提高控制系统的应用范围。
而我们上位机程序采用图形化编程语言Labview2015为软件的开发平台，通过上位机发送控制指令，运动控制卡采用固高科技公司的GT-400PV运动控制卡，通过CLF节点调用固高GT-400PV运动控制卡自身携带的GT-400.dll编写了与Labview相兼容的一个个子VI程序，在Windows7操作系统上对GT-400PV运动控制卡进行二次开发，实现对步进电机驱动器的运动控制，硬件再用欧姆龙E6B2-CWZ6C型旋转编码器可以实时对电机运动的角位移和角速度进行反馈。
Labview是一款NationalInstruments公司专门为了虚拟仪器技术而设计研发的图形化编程软件。
虚拟仪器（VirtualInstrument）是基于计算机的仪器，将计算机和仪器密切结合是目前上位机程序仪器技术发展的一个重要方向[4]。
本次设计的主要内容是通过Labview编写GT-400PV运动控制卡的.dll库文件的运动控制程序，通过光电编码器的实时反馈，实现运动时对步进电机的精确位置半闭环控制。
第2章步进电机闭环系统设计
2.1引言
现代科技发展造成步进电机在各个产业都得到了广泛应用，步进电机也越来越到多地运用到众多规模。
在现代化的机电一体化产物中，都比较要求产品的定位精度或者动态响应要求比较高。
随着生产领域的自动化程度越来越高，传统的数字运动控制方式已经越来越不能满足人们的实际需求，传统的运动控制方式大多是以微机或者单片机来实现位置控制，操作电路设计复杂，而且最致命的是运行速度和计算效率已经远远达不到我们当今的需求。
尤其是今年来的工业发展，使得我们在运动控制的速度和精度上需求越来越严谨，设计新型计算速度高效、电机速度满足严格需求、位置要求精密的运动控制系统的形式已经刻不容缓[5]。
本次设计步进电机的控制以固高科技GT-400PV运动控制卡及其端子板作为硬件基础，采用Labview软件程序来实现步进电机的同步精确运动控制。
这种控制方法的关键是软件程序。
2.2电机与驱动器选型
2.2.1硬件设备的组成
本次步进电机半闭环运动控制系统设计的硬件主要由下面几个部分组成：
PC机、运动控制卡、步进电机及其驱动器、接触开关和光电编码器。
本次设计选用的PC机为32位Win7操作系统的固态硬盘主机，运行速度快，且操作稳定，给运动控制卡的高速运算提供基础设施。
运动控制卡为固高公司的GT-400-PV-PCI四轴运动控制卡。
步进电机驱动器采用的是TELESKY的TB6600型数字驱动器，配的是TELESKY的57型两相直流步进电机。
上位机控制硬件室友主机和运动控制卡一起组成的，运动控制卡插在主机的PCI卡槽上，然后由主机当作“中转站”，进行信息流与数据量的运算与管理。
再由PCI运动控制卡引出接线，外接端子板，端子板上可进行编码器、电机驱动器及其接触开关的接线，由此实现各机电原件与PCI的链接。
控制系统的组成如下图所示。
图2-1典型系统连接图
2.2.2步进电机系统介绍
步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或者直线位移的机电产品，它的输入量是以脉冲量来控制的，输出量则是由脉冲量转化成的位移量。
步进电机可以在很大的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，通过脉冲量的输入与否来控制快速起停，通过不同相位的脉冲输入顺序来控制电机正反转控制。
当电机如下图2-2所示：
图2-2步进电机外观图
正常情况下，电机的转速、转动的位置只取决于驱动器发送给电机的脉冲信号的频率和脉冲数。
这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。
使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单[6]。
步进电机在自动化领域有着很宽广的应用，而且如果我们想要去控制它运动的话，可以通过多种程序的编写去实现功能，如C#、VB、Labview等。
在本次设计中，大体上的传动装置是依靠步进电机的角位移转化为丝杠上的直线位移，而编码器在另一端也通过与弹性联轴器的连接使得电机、丝杠和编码器一体化。
在安装过程中，要注意编码器轴与丝杠连接的同轴度，确保运动过程中，装置不会发生太大的抖动，以免会对编码器的读取造成误差。
机械传动方面使用的是两相直流步进电机驱动。
通过S1至S3这3位拨码开关选择8档细分控制，通过S4至S6这3位拨码开关选择8档电流控制。
适合驱动57、42型两相、四相混合式步进电机。
能达到低振动、小噪声、高速度的效果驱动电机。
具体细分如下图2-3所示。
图2-3驱动器细分
因为在本次设计对步进电机的驱动上，我们选择的是脉冲+方向的接线方式，因此在驱动器signal一栏上，我们需要接DIR-、DIR+、PUL-和PUL+这四个接线脚。
由于是二相步进电机，B-、B+、A-、A+这四个引脚主要是和步进电机相连，依次顺序是电机上线颜色的蓝黄红绿。
GND（接地端）和VCC（这里注意是24V直流）则与集中开关电源连接。
这里特别要注意的是电机的驱动器设置，驱动器这里的S1-6是细分的设置，S4-S6这三个引脚是对所通过最大电流的设置，这里要根据步进电机的规格来设置，因为本次设计的电机允许通过的最大电流为1.5A，所以S4-6方面，我们只需打开S4、S5。
S1-3则是对步进电机脉冲当量的设置，也可以说成是对步距角的设置。
我所设置的微步细分是8，也就是说步进电机原本的步距角是1.8°，这么一细分的话，它的步距角就变成1.8/8=0.225°，那么它转一圈是360°，这么就可以算出它走一圈需要360°/0.225=1600个脉冲。
2.3运动控制卡选型
运动控制卡是电机基于总线的运动控制卡。
固高公司生产的GTS-400-PV（G）-PCI系列运动控制器，可以实现高速的点位运动控制，可以实现高性能的控制计算。
它适用领域广泛，包括机器人、数控机床、木工机械、印刷机械、装配生产线、电子加工设备、激光加工设备以及PCB钻铣设备等。
GTS-400-PV-PCI系列运动控制器是标准的PCI总线接口产品。
运动控制器提供C语言等函数库和Windows动态链接库，实现复杂的控制功能。
用户能够将这些控制函数与自己控制系统所需的数据处理、界面显示、用户接口等应用程序模块集成在一起，创作符合专业应用需求的控制系统，以适应各种应用领域的要求。
端子板上分布这很多接口，每个接口的定义与用法都不同，端子板CN1~CN4接口是轴信号接口，端子板CN9-1和CN9-2接口是通用数字IO，HOME输入，LIMIT输入信号接口，端子板CN12、CN13接口是辅助编码器接口。
辅助编码器接口接受A相、B相和C相（INDEX）信号，端子板CN14接口是HSIO接口[7]。
有一路位置比较输出通道。
端子板外观如图2.4所示。
图2-44轴端子板外观图
在接线方面，我们要严格按照运动控制卡自身携带的说明书要求，每个CN口的不同引脚对应的含义都不相同，本次设计要使用的端口有CN1的1轴各接线，和CN9-1的通用数字接脚。
CN1的各引脚说明如2-5所示，CN9-1的各引脚说明如图2-6所示。
图2-5端子板轴信号定义
由端子板轴信号定义以得出电机驱动器的DIR-与端子板1轴的22号引脚相接，DIR+与9号引脚相连，PUL-与11号引脚相连，PUL+与24号引脚相连。
2.4其它元器件选型
2.3.1限位开关的使用说明
在我们的系统设计中，传动装置是依靠步进电机的角位移转化为丝杠上的直线位移，因此在使用丝杠时，就要考虑它的行程问题，所以我们设计了光电开关作为系统的保护措施，当作正负限位，避免运动时因超出行程而使装置造成损坏。
光电开关如图2-6所示。
图2-6限位开关外观图
我们所用的限位开关有三根接线，棕色、黑色和蓝色，因为它的电源需求是6-36VDC，所以直接用端子板供电即可。
这里的光电开关是NPN型常开开关，NPN型表示的就是板卡读取编码器状态时，是检测0、1（高电平）的变化，因此后面的程序设计可以根据这一点来做限位开关的应用。
图2-7是对CN9-1的接口定义，由此可知我们设计中限位开关的接线方式，棕色接1号引脚，兰色接3号引脚，黑色的话则是信号线，具体要什么哪个轴的正或负限位，要根据具体说明来进行接线。
图2-7CN9-1的接口定义
2.3.2编码器的使用说明
作为运动控制系统中的闭环组成部分，必不可少的便是对规划量的实际测量，本次设计所使用的编码器时欧姆龙E6B2-WZ6CNPN开路集电极输出型光电编码器，NPN型表示的就是板卡读取编码器状态时，是检测0、1（高电平）的变化。
规格选用的是1000PPR，意思就是转一圈所读取的脉冲数为1000个，但是我们的板卡读取编码器时是4倍频的状态，也就是说，板卡读取出来编码器1圈的脉冲是4000个，这里要特别注意，因为要做PID控制，电机输入和编码器读取的规格一定要是同一规格。
编码器外形图如图2-8所示。
图2-8编码器及引线图
这里的褐色电源线是要用5V的直流电源供电，可以直接用图2-5所示的端子板上CN1通道的7号接口供电，黑白橙则分别与17、18、19相接，蓝色则直接与端子板上的数字地相接。
这里要特别强调接线的重要性，编码器的种类很多，每种类型的接线方式都不一样，我们在选择的时候也要调研清楚，我之前就是因为接线问题耽搁了很多时间，后来无意中解决发现是接线问题，真的很引人深思。
2.5小结
本章主要介绍了基于固高GT-400pv运动控制卡和步进电机及其TB6600驱动器为运动控制系统的设计，包括硬件设计、电机使用说明、驱动器设置说明、限位开关和编码器的使用说明，同时对系统进行了有效的资源配置，更好地提高了控制的效率。
而且在各个电气原件的使用说明上，也进行了详细的使用说明、接线具体说明和注意事项。
PC机所涵盖的资源非常丰富，可以设计简洁、实用的人机操作界面，既可以提升了加工精度，也极大的补善了运动控制系统的操控复杂性。
运用此体系即可实现对多电机的半闭环控制。
整体效果图如图2-9所示。
图2-9整体结构图
第3章位置闭环PID控制系统设计
3.1引言
LabVIEW作为一款自由的图形编程开发环境，被世界各地各个领域的所需要的人们所喜爱，被称作一个标准的数据采集和仪器控制软件。
它在测量和自动化等领域具有很大的优势，它还提供了大量常用于自动化领域的图形控件，LabVIEW内部存在很多的输入控件和显示控件来创建设显示界面，添加各种VI和结构作为代码控制显示对象，没有C语言编程时繁杂的指令和逻辑关系，清爽的图形编程界面不会让人觉得疲劳，这使得用户可以在短时间内完成一套完整的测试测量系统。
3.2Labview的介绍
Labview是一种用图标代替文本行建立应用程序的图形化语言。
Labview采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序，它用图标表示函数，用连线表示数据流向[8]。
Labview中含有很多外表看起来与传统仪器类似的控件，可以方便地创建用户界面。
用户界面在Labview中被称为前面板。
使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的工具进行控制，前面板上的每一个控件对应于程序框图中的一个个工具，当数据“流向”该控件时，控件就会根据自己的特征以一定的办法显示数据，例如开关、数字或图形。
它为设计者提供了一个便捷、简单的设计环境，使用它可以轻松组建一个测控系统或数据采集系统，并可以随意构建自己的仪器面板，而无需进行任何麻烦的计算机程序代码的编写，从而可以大大简化程序的设计[9]。
3.2.1动态链接库的调用
动态链接库（DynamicLinkLibrary，简称DLL）是一个囊括可由多个程序同时使用的代码和数据的库，它是从C语言函数库和Pascal库单元的概念发展而来的。
它是一个可以多方分享的程序模块，对共享的全程和资源进行了封装，可以和其他应用程序共享库中的函数与资源[10]。
因此当它以DLL的形式提供一种性能时，别的应用程序便可以直接使用，这样可以使操作效率大大提升。
图3-1所示即是我在使用GT-400PV时使用DLL创建子VI的方法。
图3-1使用DLL创建子VI
选择头文件和.dll库文件，这里要注意这两个文件都是我们在购买卡的时候卖家提供我们的光盘里的，这是很关键的东西。
如图所示.dll和.h头文件的列表选择好。
成功导入后的子VI库如图3-2所示，点击下一步保存至文件夹里，以后我们调用时直接拉出便可使用。
图3-2子VI库示例
3.2.2调用库函数节点技术
Laview中，在同一函数选板上有CLF（CallLibraryFunction）节点来实现动态链接库调用的方式，在labview中调用动态链接库函数，需要我们对函数的功能以及输入输出参数进行充分了解。
下面将介绍CLF节点的配置方法[11]。
调用动态链接库函数的设置界面如图3-3所示。
图3-3CLF节点所在的函数子选板
（1）新建一个子VI，在程序面板上的“互连接口—库与可执行程序”的下拉栏中，点击“调用库函数节点”，将它放置在后面板上；
（2）双击它，弹出如图3-4所示的框图，在“库名与路径”选择好库文件.dll的路径；
3-4CLF节点配置框图
（3）这里要注意在“线程”的栏目里，要考虑到我们调用的函数的使用返回时间，如果因为返回时间过长二导致界面反应会出现延迟故障，这时Labview就不能再继续执行其他任务，因此最好把它设置为“在任意线程中进行”；
（4）而在“调用规范”的栏目里，要注意我们所使用的板卡的标准，因为我所使用的GT-400pv运动控制卡所提供的是Windows标准运动共享函数库，所以我们选择第一项“stdcall（WINPAI）”。
以上两种调用运动控制卡的方法都可以实现调用板卡内涵函数的功能，但是相对来说，还是直接调用动态链接库从而生成子VI库的方式更加方便，使得编程变得更加便捷。
如图3-5所示便是我调用动态链接库.dll文件生成的子VI库，里面的每一个函数都是完整独立的，每一个子VI都是封装好了的，我们在使用的时候只需将它们拉向Labview的程序框图即可，当时我们调用时需要充分了解每个子VI的含义及返回值的意义，这样才不会使编程变得盲目，无从下手。
图3-5子VI库文件展示
3.3闭环PID控制系统设计
我们在程序设计中，为了满足实际应用的各种需求，就会使用板卡的运动控制卡的动态函数库调出的子VI库的内容。
运动控制卡通过接受PC机发出的操作指令，才能实时控制电机驱动器进而让其发挥功能，达到我们想要的运动结果。
具体的完成操控系统主要由以下几个部分组成：
开启板卡并实现初始化功能、开启轴并设置好闭环模式、设置运动参数使其规划运动、获取编码器的反馈数据、获取规划
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