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1、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 13103190224 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
2、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 basedon motion control cardProfession: Mechanical en
3、gineering and automation Class: Machine from 132 Name: Wang Kuan Instructor:Zhang WenhuiAbstract With the development of electromechanical integration technology, the manufacturingindustry is demanding higher and higher precision of automation equipment. Due tomechanical transmission error, interfer
4、ence problems such as the existence of thetraditional open loop control on many occasions is hard to meet the requirements of theprecision of the production and living, so development high precision closed loop motioncontroller has very important practical value and application prospect.The computer
5、technology of the motor control card is becoming more and more mature, the function isstrong, the performance is stable, and the reliability is higher and higher. Labview is aprogramming convenience, simplicity, and application to the dynamic link library file thatcalls the movement control card to
6、implement the feasibility of programming. So in thispaper, a comprehensive understanding of the movement control cards program calls theuse of the method and its use Lanview as development language, the use of stepping motordriven system combined with PID algorithm, implementation step and a half cl
7、osed loopposition control programming, and obtained the certain effect.Keywords The motion control Dynamic Link Library Labview PIDcontrol目 录 摘要 IAbstract II第1章 绪论11.1 课题背景及意义11.2 控制系统概述11.3研究内容2第2章 步进电机闭环系统设计32.1 引言32.2 电机与驱动器选型32.2.1 硬件设备的组成32.2.2 步进电机系统介绍42.3 运动控制卡选型52.4 其它元器件选型72.3.1 限位开关的使用说明72
8、.3.2 编码器的使用说明82.5 小结8第3章 位置闭环PID控制系统设计103.1 引言103.2 Labview 的介绍103.2.1 动态链接库的调用103.2.2 调用库函数节点技术123.3 闭环PID控制系统设计143.3.1 板卡初始化设计143.3.2 开启轴并设置好闭环模式163.3.3 设置运动参数使其规划运动163.3.4 PID位置调节173.4 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、
9、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
10、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
11、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、
12、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
13、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
14、。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。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
15、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
