运动控制系统的实现方式 - 基于LabVIEW NI SoftMotion的运动控制系统结构及原理应用

运动I/O – 作为模拟和数字I/O，发送并接受来自于运动控制系统其余部分的信号。一般来说，模拟输出用作驱动的命令信号，数字I/O则用于正交编码信号，作为电动机的反馈信号。运动I/O实现位置断点和高速捕获。同样，监控也使用运动I/O来实现必需的特定功能，如响应限位开关、生成初始化系统所需的运动模式等等。

NI公司提供了两种实现高性能运动控制系统的方式：

针对PCI或者PXI的基于DSP的插件式运动控制器
采用NI LabVIEW NI SoftMotion Module的定制化运动控制器

 

 

图3. 基于DSP的插件式运动控制器

 

 

图4. 采用LabVIEW NI SoftMotion Module的定制化运动控制器

基于DSP的插件式运动控制器

NI公司所提供的插件式运动控制器覆盖了很大范围——从针对复杂需求的全功能、高性能的控制器，到针对点对点运动应用的低成本、性能稳定的运动控制器。针对高精度应用，为了实现最高30kHz的快速伺服更新速率，这些控制器采用了一种双处理器架构。这两个处理器，一个是中央处理单元即CPU，一个是信号处理器即DSP，两者一起构成了NI运动控制器的支柱。

控制器CPU是一块32bit的微控制器，它运行多任务的嵌入式实时操作系统，解决了大多复杂运动控制应用中所必需的性能和确定性方面的要求。该CPU的主要任务有命令执行、主机同步、I/O反应和系统监督。

DSP的主要职责则是实现快速的闭环控制，在多轴上同步维护位置、速度和轨迹。它也关闭位置环和速度环，并直接发指令使扭矩传至驱动器或者放大器。运动I/O是以硬件形式实现在非定制化的FPGA(现场可编程逻辑阵列)上，它包含有限位/引导开关检测(limit/home switch detection)、位置断点和高速捕获。这保证了断点和高速捕获的延时非常短，延时范围大约在几百纳秒。

运动控制处理器采用看门狗定时器硬件监测。看门狗定时器可以用来自动检测软件异常，如果有异常发生则会自动重置处理器。该看门狗定时器检查处理器是否正常运行。如果运动控制器上的固件无法在62ms内处理事件，则看门狗定时器将重置运动控制器，并不允许进一步通信直至你明确地重置了运动控制器。这保证了运动控制系统的实时操作性。

这些基于PCI或者PXI的插件式运动设备是设计用于实现Windows或者实时操作系统中的可靠、精确控制。它们借助于强大的API，并支持诸如NI运动控制器之类交互式工具，从而降低了开发时间。NI 7350系列是NI公司性能最好的运动控制器家族，它们提供了最高8轴的步进式或伺服式运动控制、额外I/O以及很多强大的功能，包括无刷式电动机的正弦换向、高速集成中的4MHz的周期性断点和位置触发。因为这些插件式运动控制器设备都是基于PCI或者PXI的，所以你可以将它们与多种多样的额外I/O模块集成到一起，并方便地将它们与其它硬件结合在一起，实现数据采集或者图像处理。至于如何将运动控制设备连接至驱动器和电动机，NI提供了好几种电缆和连接块选项。

定制化运动控制器

虽然采用DSP的插件式运动控制器适用于很多应用场合，但是你也需要一些定制化的运动控制器以实现高精度的运动控制，其伺服更新速率最高可达200kHz。这些要求如此高精度和高灵活性的应用有：半导体行业中的晶圆加工设备，汽车行业中的可在运行时重新配置的内联汽车测序(ILVS)流水线。

对于那些要求高精度的定制化(基于灵活的FPGA)运动控制的机器设计者们而言，NI可重新配置I/O技术(RIO)和NI SoftMotion技术一起提供了理想的工具。除了高精度应用外，机器设计者和OEM(原始设备制造商)们还可以使用LabVIEW NI SoftMotion模块，借助于各种平台上的LabVIEW图像化开发环境，来实现多轴协调的运动控制。有些应用需要坚固、紧凑的系统，则可以使用NI CompactRIO可编程自动控制器(PAC)。将LabVIEW NI SoftMotion中的高级功能块API和NI的C系列新型驱动接口组合一起，可以快速开发出强大的运动应用，并应用于大量的步进式或伺服式驱动。