丽水学院
【关键字】设计
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
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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，保守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-loop PID control position system design based on motion control card Profession: Mechanical engineering and automation Class: Machine from 132 Name: Wang Kuan Instructor:Zhang Wenhui
Abstract With the development of electromechanical integration technology, the manufacturing industry is demanding higher and higher precision of automation equipment. Due to mechanical transmission error, interference problems such as the existence of the traditional open loop control on many occasions is hard to meet the requirements of the precision of the production and living, so development high precision closed loop motion controller has very important practical value and application prospect.
The computer technology of the motor control card is becoming more and more mature, the function is strong, the performance is stable, and the reliability is higher and higher. Labview is a programming convenience, simplicity, and application to the dynamic link library file that calls the movement control card to implement the feasibility of programming. So in this paper, a comprehensive understanding of the movement control card’s program calls the use of the method and its use Lanview as development language, the use of stepping motor driven system combined with PID algorithm, implementation step and a half
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closed loop position control programming, and obtained the certain effect. Keywords The motion control Dynamic Link Library Labview PID control
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目 录
摘要 ........................................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................................ II 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 3.2 Labview 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
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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 3.3.4 PID位置调节 ................................................................................................ 17 3.4 小结 .......................................................................................................................... 18 总 结....................................................................................................................................... 20 致 谢....................................................................................................................................... 21 参考文献 ................................................................................................................................. 22
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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（National Instrument）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]。
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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Windows 7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National Instruments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（Virtual Instrument）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。
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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
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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
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，
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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2-4 4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
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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2-7 CN9-1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-WZ6C NPN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
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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。
3.2 Labview 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(Dynamic Link Library，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
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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 函数节
调用库点技术
Laview中，在同一函数选板上有CLF(Call Library Function)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3-3 CLF子选板
节点所在的函数
（1）新在程序面板上—库与可执行栏中，点击“调点”，将它放上；
（2）双击
建一个子VI，的“互连接口程序”的下拉用库函数节置在后面板
它，弹出如图
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3-4所示的框图，在“库名与路径”选择好库文件.dll的路径；
3-4 CLF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、获取规划位置及速度并设置对比曲线、停止运动等模块。具体流程下面将一一介绍。
3.3.1 板卡初始化设计
要实现labview对运动控制卡的二次开发，最简单有效的方法则是通过我们之前调用的子VI包里的各个节点相互作用实现功能。初始化设计的大体框架是在while循环结构下，先在前面板点击空白处右键添加布尔控件，如图3-6。
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图3-6 初始化板卡
GT Open.vi表示打开运动控制器，让它实现功能，即可使运动控制器正常打开。而复位板卡，这是初始化中打开运动控制器后必须要做的。GT Reset.vi指令将使运动控制器的所有寄存器恢复到默认状态，一般在打开运动控制器之后调用该指令。
要知道，我们在硬件设置时，就要考虑滑块的行程问题，所以在开启板卡的模块里我就设置了限位开关来保护系统的正常使用。因为限位开关有很多类型，我们需要依靠它的常开还是常闭类型去设置它的正常使用，因此需要提前设置好限位开关的有效电平。限位开关的设置要根据硬件与端子板链接的关系来判断，因为在这里我只使用了一轴的正负限位，而且正负限位都是常开NPN型，所以这里我只对它赋了“11”这个常量，表示一轴正负限位触发时，运动控制器可以检测到低电平。要说到限位开关的使用，因为之前我们说了，此时已经设置好高低电平触发了，那么触发时我们就需要调用GT Get Di.vi来读取触发状态。如图3-7表示的是获取限位开关触发时，会给板卡发送数字量，让运动控制卡检测到低电平。
图3-7 板卡获取限位和原点发送Di模块
这个时候如果限位触发，那么前面板的“positive”（正限位）和“negative”（负限位）如图3-8所示的数值就会发生变化，那个这个变化便可以当作保护运动的条件。
图3-8 前面板正负限位
限位触发时，我们则是通过“negative”和“positive”这两个数值的变化当作条件，调用数值的属性节点，一旦限位触发，那么条件发生，调用GT Stop.vi使其停止运动。
程序设计中，要使用光电编码器来对电机运动的实际位置和速度进行读取，前面我们已经说了编码器的接线方式有很多种，这个一定要注意！encoder将会对输出的脉冲个数进行
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计数。设置为外部编码器，可以调用指令GT EncOn.vi来实现；设置为脉冲计数器，可以调用指令GT EncOff.vi来实现。设置为外部编码器是指通过外部安装的编码器计数值来计算，而脉冲计数器则是指通过控制器内部硬件来计算发出去的脉冲个数。在闭环控制方式下，必须设置成外部编码器计数方式。也就是说，想让编码器检测的是由丝杠转动而得到的脉冲数，就必须需要这个指令。
前面我们说过，要必须保证电机与编码器的脉冲当量一致，这就需要调用GT Enc Scale.vi设置编码器的当量变换值。
在设计硬件时，我的编码器和电机时相向安装的，因此我的编码器和电机轴运动的方向是相反的。该项可以通过指令 GT EncSns.vi来修改，使编码器计数时实际位置和速度会与规划值方向对应。当编码器值与规划值方向相反时，可以通过修改“输入脉冲反转”来校正。
3.3.2 开启轴并设置好闭环模式
图3-9 开启轴模块
开启轴整体模块如图3-9所示。首先要加载文件的路径，配置运动控制器，配置文件取消了各轴的报警和限位，也就是为之后的清楚状态归位作准备。切换到后面板后我们知道板卡所提供的下载配置信息到运动控制器，而我们想让轴开始运动，刚开始就必须调用GT ClrSts.vi清除各di的状态，因次，GT LoadConfig.vi（下载配置信息到运动控制器）和GT ClrSts.vi必须全需要才能使轴发挥正常作用。由于这里的GT LoadConfig.vi的Pfile的输入是字符串格式，所以我需要加入一个路径转化为字符串的节点。
而GT Ctrl Mode.vi使当前轴工作在闭环方式时，运动控制器将当前规划的运动位置、速度、加速度送入数字伺服滤波器，与反馈的实际位置进行比较获得控制输出信号。这种方式能够实现准确的位置控制。将运动模式转化为闭环模式，这样才能使电机可以进行PID
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控制。
最后将设置的参数调用GT Update.vi进行数据更新，便可使我们的调用都发挥作用。
3.3.3 设置运动参数使其规划运动
本次设计所采用的是点位运动模式，如图3-10。
图3-10 开启运动模块
某一运动模式设定后，该轴将保持这种运动模式，直到设置新的运动模式为止。要注意开始运动时，要先设置好坐标原点。GT ZeroPos.vi则时实现清零规划位置和实际位置的功能，定义了坐标原点的位置，使下一次运动都以此为基点。
GT_PrfTrap.vi则是设置指定轴为点位运动模式。只需赋值规划轴号即可。这里注意“参数设置”这个输入控件也是右键直接生成的数据的捆绑体。设置规划速度和位置的方面，直接创建输入控件即可。两者颜色不同表示它俩是数据类型的数据，具体右键点击它查看“数据类型”便可得知。
GT_Update.vi表示启动点位运动，这里的解释按照我的理解不只启动运动那么简单，它具体实现的功能应该是数据更新，并使各输入数据有效运行。
3.3.4 PID位置调节
数字伺服滤波器用于计算控制输出信号。SV运动控制器采用PID滤波器，外加速度和加速度反馈。通过调节各参数，该滤波器能对大多数系统实现精确而稳定的控制[12]。PID调节模块如图3-11所示。
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图3-11 PID调节
PID参数说明如下：
1.kp比例增益：该系数的作用是改变控制系统的动态响应速度，当电机很容易被移动时，说明 kp太小，应慢慢加大 kp，但不能将电机调节的“过硬”，kp太大了可能会引起高频振荡，这时就需要减小该参数。一般可以从 kp = 1缓慢增大调试，查看响应曲线，一般如果控制旋转电机，走点位运动，只调此参数即可。
2.ki积分增益：该系数的作用是消除控制系统的稳态误差。
3.kd微分增益：该系数的作用是改善控制系统的动态性能。其作用与输出的偏差变化速度成比例，能够预测偏差的变化，产生超前控制作用，以阻止偏差的变化。
PID作用前曲线图如3-12所示，黑色表示规划位置与时间的曲线，红色表示实际的位置与时间的曲线。
图3-12 开环Pos-time图
增大KP后，响应速度大大提升，如图3-13所示。
图3-13 PID调节Pos-time图
3.4 小结
本章实验内容为用固高运动控制卡结合NI公司的Labview编程软件，通过PC机实现通讯，来实际控制电机的位置半闭环控制。在此实验中，难点是编程软件的编程问题，首先要成功调用dll.动态链接库和研华控制卡本身自带的例程，这就需要Labview驱动和固高控制卡相应的驱动的安装，其中一个驱动的安装不成功，Labview程序就会缺少子VI，导致程序的错误。在编码器的获取方面，一定要注意编码器的型号和接线方式，要考虑到板卡本
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身就具有对编码器获取的数字信号的计数功能。在限位和原点开关方面，要考虑到它们的类型和触发方式，再根据具体情况做好程序的编写。通过此次实验，在各电气原件的接线问题也有了更好的了解。对于运动控制卡和Labview图形化编程语言也有了初步的认识。
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总 结
本论文详细介绍了固高运动控制卡和Labview编程软件的基础知识，通过设计一种步进半闭环运动控制体系，解决生产企业设备投资高、利润回报少的问题。针对于需求和分析，通过查阅大量相关的书籍资料，学习研究Labview 的编程和运动控制卡的应用，综合考虑原先步进开环系统的精度低，反应效率差的问题，在这里设计了单轴半闭环系统，有效的实现了高精度、高响应的效果。主要完成工作总结如下：
（1）针对传统的运动控制技术的一般早已设计好了功能的情况，用户只需要很简易的运行，就可以使用控制器完成相应的具体行动，而实现了运动控制卡的二次开发，用户可以根据需求自己调用程序以实现功能；
（2）针对步进开环系统的精度低、低速率的问题，采用步进半闭环结合运动控制卡，有效实现了高速、高精度和系统化的运动体系；
（3）学会使用了各种传感器的使用，及其在Labview程序中的功能实现，以用来保护硬件；
（4）对于运动控制卡的二次开发选用了Labview 调用.dll动态链接库的方式，实现了程序的简单、便捷的设计，也在设计中学到了Labview的强大功能。
展望：
（1）运动控制卡的功能很强大，我本次所做的课题只是实现了很小的一部分功能，板卡的二次开发还仅仅是开始；
（2）本次设计的步进半闭环系统只是对位置环进行反馈，在速度环上需要更优秀的硬件组成和PID程序的编写，如果达到速度环的效果，那就相当于实现了伺服电机的功能，希望以后的学习生活中会有所突破。
致 谢
四年的时光走到了快分别的时候，时间总是不经意的在流走，一开始我对控制卡一窍不通，总感觉迷茫，而且关于运动控制卡的资料很少，但是通过我慢慢地看书、查资料，现在我对它已经有了更好的了解，想想这一过程确实是十分的艰辛。所以在此我要感谢曾经帮助过我的人。
在对整个运动系统的设计过程中，我不但对运动控制系统有了更好的了解，而且在计算
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机Labview编程技术方面也有了新的认识。同时，在这次毕业实验的过程中，每天在实验室的日子让我觉得很充实，虽然实践过程中会遇到很多问题，也缺少很多资料，但是通过不断的努力和探索来解决问题，很多问题也一步步得到了解决，从一开始的资料缺乏问题，接线问题，到后来的调试成功，程序控制成功，虽然成果不大，但对我来说都是值得我开心的事情，都是对我努力的回报。我也学会了如何才能更好地解决问题，而不是一味的抱怨，从一开始的不停抱怨到后来的默默坚持实验，尝试，都是对我的一种锻炼。张老师的严格要求和鼓励也是我努力的动力所在。通过这次毕业设计，为我以后的工作也打下了更好的基础。
谢谢这一路走来帮助过我的老师和同学，尤其是张老师，在毕业设计选题上还与我多次商量讨论，还提供了实验室环境让我更好地学习研究毕业设计，祝福他们以后的生活顺利，也祝福我自己在今后的工作中坚实脚步，勇敢前行！
作 者：王宽 2017年4月30日
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参考文献
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