运动控制卡入门

运动控制卡通常是采用专业的运动控制芯片或高速DSP来满足一系列运动控制需求的控制单元

其可通过PCI、PC等总线接口安装到PC和工业PC上,可与步进和伺服驱动器连接,驱动步进和伺服电机完成各种运动(单轴运动、多轴联动、多轴插补等),接收各种输入信号(限位原点信号,sensor),可输出控制继电器、电磁阀、气缸等元件。

出现原因

运动控制卡是基于PC总线,利用高性能微处理器(如DSP)及大规模可编程器件实现多个伺服电机的多轴协调控制的一种高性能的步进/伺服电机运动控制卡,包括脉冲输出、脉冲计数、数字输入、数字输出、D/A输出等功能,它可以发出连续的、高频率的脉冲串,通过改变发出脉冲的频率来控制电机的速度,改变发出脉冲的数量来控制电机的位置,它的脉冲输出模式包括脉冲/方向、脉冲/脉冲方式。脉冲计数可用于编码器的位置反馈,提供机器准确的位置,纠正传动过程中产生的误差。数字输入/输出点可用于限位、原点开关等。库函数包括S型、T型加速,直线插补和圆弧插补,多轴联动函数等。产品广泛应用于工业自动化控制领域中需要精确定位、定长的位置控制系统和基于PC的NC控制系统。具体就是将实现运动控制的底层软件和硬件集成在一起,使其具有伺服电机控制所需的各种速度、位置控制功能,这些功能能通过计算机方便地调用。

运动控制卡的出现主要是因为:

(1)为了满足新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求;

(2)在各种工业设备(如包装机械、印刷机械等)、国防装备(如跟踪定位系统等)、智能医疗装置等设备的自动化控制系统研制和改造中,急需一个运动控制模块的硬件平台;

(3)PC机在各种工业现场的广泛应用,也促使配备相应的控制卡以充分发挥PC机的强大功能。

三种脉冲模式

脉冲信号可以分为AB相脉冲,脉冲+方向,CW/CCW脉冲。这三种信号格式,在十几年前或者还有明显的相对优缺点和适用场合,现在就已经无所谓了,即使在使用上还是有所区分,也基本上是由于历史习惯。

20220805171200

所有的驱动器都支持方向脉冲信号,但低端的驱动器不一定都支持CW/CCW信号.不过CW/CCW是差分信号,在抗干扰能力和传输距离上占些优势.

A/B脉冲:有一点绝对值的味道,可以纠错。

CW/CCW脉冲:对电磁干扰无法免疫,但是2个输出独立。

脉冲+方向:对电磁干扰无法免疫,2个输出相互影响必须同时作用。

CW/CCW输出

驱动器最喜欢的格式,因为这种格式解读起来最简单。A/B格式,要识别每个上升沿和下降沿,CW和CCW只要识别各自的一个边沿就可以了。脉冲/方向信号虽然也很简单,但是存在一个匹配的问题,当匹配不好的时候,在特定情况下会出现解读错误,造成可累计的误差。

CW/CCW是双脉冲工作方式,两根线都输出脉冲信号,CW为正转脉冲信号,CCW为反转脉冲信号,通常都是差分方式输出,两信号相位差90度,根据相位超前或滞后来决定旋转方向.脉冲数决定电机转动角度.

脉冲/方向输出

控制器最喜欢的信号格式,因为只要一个高速脉冲输出口就可以实现一个电机的控制。现在,对于各种控制核心(MCU、FPGA、DSP等等)来说,高速脉冲输出口已经不算是什么宝贵资源了。而且不同形式的脉冲格式转换也很简单,但是这个传统依然还在。而且一些完整的控制产品,比如PLC上,高速脉冲输出口也还是一种有限的资源。

方向/脉冲信号是单脉冲的,脉冲信号发出脉冲决定电机转动角度,方向信号就是电平信号,比如,想正转加高电平,想反转加低电平.在电机朝一个方向转动时,此信号保持原有电平不需要改变.

A/B信号

位置传感器最喜欢的格式。因为,早期的编码器直接就是用两个传感器输出两路信号的。靠传感器安装的相对位置确保两个信号的相对相位关系。在传感器后面直接加上两个电压比较器,就直接得到了A/B的方波信号输出。如果要让编码器输出两位两种信号,都还需要特定的信号转换。

现在,高分辨率的编码器/光栅尺/磁栅尺……,虽然内部传感器上产生的还是相位差1/4周期的两路信号,但在输出时都要经过细分处理,而细分以后输出什么形式的脉冲信号,其实在技术上没有什么区别。还采用A/B信号的形式,基本上是由于传统。因为这样可以匹配各种现成的接收器。

对于A/B信号的所谓“四倍频”,是对信号的解读方式,所以不存在“输出本身就被4倍频”这种概念。所谓四倍频,是指接受信号的计数器,不是每个脉冲周期计数一次,而是A/B的每个上升沿/下降沿都各计数一次,一个完整的信号周期会计数四次。

对于编码器类的产品本身标称的分辨率是只一个完整信号周期对应的长度/角度,还是1/4信号周期对应的长度/角度,在习惯上各有不同。一般来说,旋转编码器说XXX线/转的时候,是指完整的信号周期。直线的光栅磁栅在说分辨率的时候,是指1/4周期。但是也不敢保证所有产品都是这样标称,具体产品,还是问清楚厂家或商家比较有谱。不过,国内有些商家,由于行业竞争激烈,养不起技术服务人员,甚至有些厂家也养不起做服务的技术人员。客户能接触到的人,也不一定真的清楚细节吧。