基于PCL-839＋的二維步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

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2011年2月 第39卷第4期 機(jī)床與液壓 MACHINE T00L HYDRAULICS Feh 201l Vo1 39 NO 4 DOI 10 3969 j issn 1001 3881 201 1 04 030 基于PCL一839 的二維步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 付毅賓 袁自鈞 吳先友 江海河 1 中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所 安徽合肥230031 2 合肥工業(yè)大學(xué) 安徽合肥230009 摘要 設(shè)計(jì)一種 PCL 839 控制卡嵌入Pc機(jī) 模式的二維步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng) 詳細(xì)分析直線型速度控制算 法 提出短距運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度曲線改進(jìn)方法 插補(bǔ)算法采用逐點(diǎn)比較法并針對(duì)直線和圓弧插補(bǔ)進(jìn)行改進(jìn) 提出一種圓弧終點(diǎn) 校正方法 該二維平臺(tái)控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用于激光劃片機(jī) 控制效果較好 關(guān)鍵詞 二維平臺(tái) 步進(jìn)電機(jī) PCL一839 控制卡 速度控制 插補(bǔ)算法 中圖分類號(hào) TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B 文章編號(hào) 1001 3881 2011 4 092 3 Design of Control System for Two dimension Workbench Equipped with Two Stepping Motors Based on PCL 839 FU Yibin YUAN Zijun2 WU Xianyou J1ANG Haihe 1 Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics Chinese Academy of Sciences Hefei Anhui 23003 1 China 2 Herei University of Technology Heifei Anhui 230009 China Abstract A control system for two dimension workbench equipped with two stepping moto was designed with a PCL一839 control card embedded in a PC The linear speed control algorithm was analyzed The improving method for short distance speed con trol curve was proposed The case by point comparison interpolation was adopted and the linear interpolation and circular interpolation were improved A emending method for arc endpoint was presented The two dimension workbench control system has been used in laser dieing machine and the control effect is good Keywords Two dimension workbench Stepping motor PCL一839 control card Speed control Interpolation algorithm 二維步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在各種經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中 的運(yùn)用比較廣泛 如激光加工系統(tǒng)中的激光切割機(jī) 激光劃片機(jī) 激光打標(biāo)機(jī) 激光焊接機(jī)等 基于 PC 運(yùn)動(dòng)控制卡 的開放式數(shù)控體系是數(shù)控應(yīng)用系 統(tǒng)的重要方式 這種結(jié)構(gòu)體系可以充分利用Pc機(jī)友 好的人機(jī)界面和強(qiáng)大的運(yùn)算能力 實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜功 能 作者采用PCL一839 三軸步進(jìn)電機(jī)控制卡 與工 控PC機(jī)構(gòu)成 PC 運(yùn)動(dòng)控制卡 數(shù)控系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)對(duì) 二維步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制 1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 圖1是控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 工控PC機(jī)通過 PCI總線與PCL一839十控制卡通信 步進(jìn)電機(jī)由細(xì)分 驅(qū)動(dòng)器SH 20403驅(qū)動(dòng) PCL 839 卡是三軸步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡 每個(gè) 軸有一個(gè)獨(dú)立的控制模塊 為步進(jìn)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)脈沖 和方向控制信號(hào) 每個(gè)軸都有5路用于限位開關(guān)的數(shù) 字信號(hào)輸入通道 可編程的直線型速度控制策略 此 外還提供16路數(shù)字輸入接口和16路數(shù)字輸出接 口 SH 20403細(xì)分驅(qū)動(dòng)器可提供整步 改善半步 4細(xì)分 8細(xì)分 16細(xì)分 32細(xì)分 64細(xì)分運(yùn)行模 式 輸入信號(hào)都帶有光電隔離 能夠保護(hù)電路 去除 干擾 工業(yè) PC機(jī) 運(yùn)動(dòng)控制 卡 限位開關(guān)信號(hào) l蘭 l 竺 1 SH 2O4O3 二二 限位開關(guān)信號(hào) Ix軸限位開關(guān) I 一 幽 xyZ維平臺(tái) Y軸限位開關(guān) 圖1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 步進(jìn)電機(jī)采用兩相混合式步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)的 步進(jìn)角為1 8 步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器采用16細(xì)分 運(yùn)行模式 步進(jìn)電機(jī)的理論運(yùn)轉(zhuǎn)分辨率為每個(gè)脈沖 0 112 5 步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周 平臺(tái)移動(dòng)的距離為10 film 平臺(tái)可以達(dá)到的理論移動(dòng)分辨率為3 125 收稿日期 2010 01 20 基金項(xiàng)目 江蘇省高技術(shù)研究項(xiàng)目 BG2007015 作者簡介 付毅賓 1985一 男 碩士研究生 主要研究激光技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù) DSP應(yīng)用技術(shù) 電話 13866660529 E mail fyb507 163 com 第4期 付毅賓等 基于PCL一839 的二維步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 93 2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)軟件是用高級(jí)編程語言VB開發(fā)的 軟 件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分 用戶界面設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫設(shè) 計(jì) 運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心 雖然PCL一 839 控制卡帶有函數(shù)庫 但功能比較單一 控制效 果不好 因此需要對(duì)函數(shù)庫進(jìn)行重新設(shè)計(jì) 文中主要 介紹運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫中核心算法的設(shè)計(jì) 包括速度控制算 法和插補(bǔ)算法 2 1 步進(jìn)電機(jī)的速度控制算法 步進(jìn)電機(jī)的極限啟動(dòng)頻率較低 而運(yùn)行頻率一般 比較高 如果步進(jìn)電機(jī)以運(yùn)行頻率直接啟動(dòng) 可能會(huì) 由于啟動(dòng)頻率過高發(fā)生堵轉(zhuǎn) 失步或根本不能啟動(dòng)等 情況 因此 通常步進(jìn)電機(jī)都是在較低的頻率下啟 動(dòng) 然后加速到運(yùn)行頻率 在停止時(shí) 如果步進(jìn)電機(jī) 運(yùn)行頻率過高 步進(jìn)電機(jī)直接停止會(huì)出現(xiàn)過沖現(xiàn)象 因此 在停止前步進(jìn)電機(jī)必須減速到較低的頻率 可 見 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程實(shí)際上是一個(gè) 啟動(dòng)一加 速一恒速一減速一停止 的過程 在這個(gè)過程中要 對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度進(jìn)行控制 常見的步進(jìn)電機(jī)速度控 制曲線有直線型 s型和指數(shù)型等 PCL一839 控制 卡提供的速度控制 曲線是直線型的 如 圖2所示 C為總的 運(yùn)動(dòng)步數(shù) 為啟動(dòng) 頻率 為運(yùn)行頻 率 風(fēng)為步數(shù)計(jì)數(shù) 器 R 為減速點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)在頻率 圖2直線型速度控制曲線 下啟動(dòng) 然后加速到 步進(jìn)電機(jī)每走一步 就 減1 當(dāng)R R 時(shí) 開始減速 當(dāng)R 0時(shí) 步進(jìn)電 機(jī)停止運(yùn)動(dòng) 其中 減速點(diǎn) 的選擇比較關(guān)鍵 一 般 應(yīng)該剛好等于步進(jìn)電機(jī) 減速 過程所走步數(shù) C 這樣 當(dāng)脈沖頻率減小到 時(shí) 剛好為0 步進(jìn)電機(jī)停止 圖2中的速度曲線實(shí)際上是在步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)總步 數(shù)C 2C 時(shí)的情況 控制效果較好 當(dāng)C 2C 時(shí) 速度曲線如圖3 a 所示 此時(shí) 步進(jìn)電機(jī)還沒有加速到 就已經(jīng)到達(dá)減 速點(diǎn) 開始減速 當(dāng)減速到 時(shí) R 2C 一C 步進(jìn) 電機(jī)還要在 下運(yùn)行 2C 一C 步 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn) 動(dòng)過程為 啟動(dòng)一加速一減速一恒低速一停止 步 進(jìn)電機(jī)在 啟動(dòng)一加速一減速 階段平均速度較快 在 恒低速一停止 階段運(yùn)動(dòng)較慢 運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)明顯 的先快后慢現(xiàn)象 運(yùn)行很不平穩(wěn) 因此 要對(duì)C 2C 時(shí)的速度曲線進(jìn)行優(yōu)化 優(yōu)化的方法是 當(dāng)C 2C 時(shí) 取減速點(diǎn)R C 2 速度曲線如圖3 b 所 示 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)減速到 時(shí) R 0 步進(jìn)電機(jī)停 止 電機(jī)運(yùn)行比較平穩(wěn) 圖3總步數(shù)C 2C 時(shí)的速度曲線 2 2插補(bǔ)算法 插補(bǔ)技術(shù)是數(shù)控系統(tǒng)的核心技術(shù) 插補(bǔ)的任務(wù)就 是根據(jù)進(jìn)給速度的要求 完成軌跡起點(diǎn)和終點(diǎn)之間中 間點(diǎn)的坐標(biāo)值的計(jì)算 目前插補(bǔ)算法有多種 包括數(shù) 字脈沖相乘法 逐點(diǎn)比較法 最小偏差法 數(shù)字積分 法 DDA 目標(biāo)點(diǎn)跟蹤法 高次和更高次曲線插補(bǔ) 法 加密判別和雙判別插補(bǔ)法 作者采用逐點(diǎn)比較 法 逐點(diǎn)比較法既可以做直線插補(bǔ) 又可做圓弧插 補(bǔ) 比較適用于以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)裝置的開環(huán)數(shù)控系 統(tǒng) 與其他插補(bǔ)算法相比 逐點(diǎn)比較法是一種控制算 法簡單 進(jìn)給速度控制方便的插補(bǔ)算法 逐點(diǎn)比較法原理為 計(jì)算機(jī)在控制平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程 中 能逐點(diǎn)計(jì)算和判別加工偏差 以控制坐標(biāo)進(jìn)給 使平臺(tái)按規(guī)定軌跡運(yùn)動(dòng) 步進(jìn)電機(jī)每走一步都要完成 4個(gè)工作節(jié)拍 偏差判斷 進(jìn)給 偏差計(jì)算 終點(diǎn) 判別 傳統(tǒng)的逐點(diǎn)比較法在偏差判斷后 兩個(gè)軸 僅有一個(gè)軸進(jìn)給 插補(bǔ)效率較低 作者改進(jìn)了傳統(tǒng)的 逐點(diǎn)比較法 在某些條件下 兩個(gè)軸可以同時(shí)進(jìn)給 提高插補(bǔ)效率和插補(bǔ)精度 2 2 1 直線插補(bǔ) 如圖4所示 以 第一象限直線為例 直線插補(bǔ)的偏差判別 i 為 F Y 一Y 直線OA位于 0 45 區(qū)域 直線OB 位于 45 90 區(qū) 域 P Y 為插 補(bǔ)點(diǎn) 對(duì)于直線OA 圖4逐點(diǎn)比較直線插 當(dāng)F 0時(shí) 點(diǎn)P在 補(bǔ)算法原理圖 OA的上方 向 Ax方向進(jìn)給一步 當(dāng)F 0時(shí) 點(diǎn) P在OA的下方 向 Ax和 Ay方向同時(shí)進(jìn)給一步 對(duì)于OB 當(dāng) 0時(shí) 插補(bǔ)點(diǎn)在OB的上方 向 和 方向同時(shí)進(jìn)給一步 當(dāng)F 0時(shí) 插補(bǔ)點(diǎn)在圓弧外或圓弧上 向一 y方向進(jìn)給一步 當(dāng)F 0時(shí) 插補(bǔ)點(diǎn)在圓弧外或圓弧上 向 血和一 y方向同時(shí)進(jìn)給一步 當(dāng)Fi 0時(shí) 插補(bǔ) 點(diǎn)在圓弧內(nèi) 向 方向進(jìn)給一步 設(shè) Y軸的進(jìn)給量分別為n b b取值為 一l 0 1 一1表示向該軸負(fù)方向進(jìn)給一步 1 表示向該軸正方向進(jìn)給一步 0表示不進(jìn)給 表1給 出了8個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的進(jìn)給方向 表l 逐點(diǎn)比較圓弧插補(bǔ)算法進(jìn)給方向 2 2 3終點(diǎn)判別 終點(diǎn)判別的方法為 比較插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)與終點(diǎn)坐 標(biāo)是否一致 若一致 就說明到達(dá)終點(diǎn) 插補(bǔ)停止 否則 繼續(xù)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算 用于終點(diǎn)判別的終點(diǎn)必須 在插補(bǔ)軌跡上 直線插補(bǔ)是以原點(diǎn)為起點(diǎn) 直線軌跡由終點(diǎn)唯一 確定 而且終點(diǎn)一定在插補(bǔ)軌跡上 因此直線的終點(diǎn) 是可以直接用于終點(diǎn)判別的 但對(duì)于圓弧插補(bǔ) 圓弧插補(bǔ)軌跡是以給定的圓弧 起點(diǎn)為基點(diǎn) 插補(bǔ)軌跡由起點(diǎn)和圓弧方向決定 與圓 弧終點(diǎn)無關(guān) 圓弧終點(diǎn)可能在插補(bǔ)軌跡上 也可能不 在插補(bǔ)軌跡上 因此圓弧終點(diǎn)不能直接用于終點(diǎn)判 別 插補(bǔ)前要判斷圓弧終點(diǎn)是否在插補(bǔ)軌跡上 如果 不在 還要對(duì)圓弧終點(diǎn)進(jìn)行校正 判斷與校正方法 為 以圓弧起點(diǎn)為基點(diǎn)對(duì)圓弧所在圓進(jìn)行軟件仿真插 補(bǔ) 在仿真過程中判斷終點(diǎn)是否在圓弧軌跡上 如果 不在 就找插補(bǔ)軌跡上距離圓弧終點(diǎn)最近的點(diǎn)代替圓 弧終點(diǎn) 從而保證用于終點(diǎn)判別的圓弧終點(diǎn)始終在插 補(bǔ)軌跡上 此外 這種校正方法還可以獲得精確的圓 弧坐標(biāo)范圍及插補(bǔ)次數(shù) 3結(jié)束語 基于 PCL 839 控制卡嵌入PC機(jī) 模式的二 維平臺(tái)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單 能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜控制功 能 同時(shí)又具有Pc機(jī)友好的人機(jī)界面 在經(jīng)濟(jì)型數(shù) 控系統(tǒng)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景 短距運(yùn)動(dòng)速度曲線 修正保證系統(tǒng)的速度控制具有更強(qiáng)的適應(yīng)性 改進(jìn)逐 點(diǎn)比較法提高了插補(bǔ)效率和插補(bǔ)精度 圓弧終點(diǎn)校正 保證了圓弧插補(bǔ)運(yùn)算的可靠運(yùn)行 該二維平臺(tái)控制系 統(tǒng)已成功應(yīng)用于激光劃片機(jī) 控制效果較好 參考文獻(xiàn) 1 研華 中國 有限公司 PCL一839 3 Axis Stepping Motor Control Card User s Manual M 研華 中國 有限公司 2004 5 2 北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì) 分驅(qū)動(dòng)器SH 20403說明書 M 北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù) 有限公司 2006 12 3 徐煜明 步進(jìn)電機(jī)速度控制的研究與實(shí)現(xiàn) J 工礦自 動(dòng)化 2007 2 82 84 4 李恩林 數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)原理通論 M 北京 國防工業(yè) 出版社 2008 5 唐慧鋒 改進(jìn)逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)的研究與仿真 J 微計(jì)算機(jī)信息 2006 22 15 240 241