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2011年2月 第39卷第4期 機床與液壓 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 的二維步進電機運動平臺控制系統(tǒng)設(shè)計 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)計一種 PCL 839 控制卡嵌入Pc機 模式的二維步進電機運動平臺控制系統(tǒng) 詳細分析直線型速度控制算 法 提出短距運動時的速度曲線改進方法 插補算法采用逐點比較法并針對直線和圓弧插補進行改進 提出一種圓弧終點 校正方法 該二維平臺控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用于激光劃片機 控制效果較好 關(guān)鍵詞 二維平臺 步進電機 PCL一839 控制卡 速度控制 插補算法 中圖分類號 TP273 文獻標識碼 B 文章編號 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 二維步進電機運動平臺在各種經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)中 的運用比較廣泛 如激光加工系統(tǒng)中的激光切割機 激光劃片機 激光打標機 激光焊接機等 基于 PC 運動控制卡 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機友 好的人機界面和強大的運算能力 實現(xiàn)各種復(fù)雜功 能 作者采用PCL一839 三軸步進電機控制卡 與工 控PC機構(gòu)成 PC 運動控制卡 數(shù)控系統(tǒng) 實現(xiàn)對 二維步進電機運動平臺的控制 1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 圖1是控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 工控PC機通過 PCI總線與PCL一839十控制卡通信 步進電機由細分 驅(qū)動器SH 20403驅(qū)動 PCL 839 卡是三軸步進電機運動控制卡 每個 軸有一個獨立的控制模塊 為步進電機提供驅(qū)動脈沖 和方向控制信號 每個軸都有5路用于限位開關(guān)的數(shù) 字信號輸入通道 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細分驅(qū)動器可提供整步 改善半步 4細分 8細分 16細分 32細分 64細分運行模 式 輸入信號都帶有光電隔離 能夠保護電路 去除 干擾 工業(yè) PC機 運動控制 卡 限位開關(guān)信號 l蘭 l 竺 1 SH 2O4O3 二二 限位開關(guān)信號 Ix軸限位開關(guān) I 一 幽 xyZ維平臺 Y軸限位開關(guān) 圖1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 步進電機采用兩相混合式步進電機 步進電機的 步進角為1 8 步進電機的細分驅(qū)動器采用16細分 運行模式 步進電機的理論運轉(zhuǎn)分辨率為每個脈沖 0 112 5 步進電機旋轉(zhuǎn)一周 平臺移動的距離為10 film 平臺可以達到的理論移動分辨率為3 125 收稿日期 2010 01 20 基金項目 江蘇省高技術(shù)研究項目 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 的二維步進電機運動平臺控制系統(tǒng)設(shè)計 93 2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 控制系統(tǒng)軟件是用高級編程語言VB開發(fā)的 軟 件設(shè)計分為兩個部分 用戶界面設(shè)計和運動函數(shù)庫設(shè) 計 運動函數(shù)庫是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心 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 因此需要對函數(shù)庫進行重新設(shè)計 文中主要 介紹運動函數(shù)庫中核心算法的設(shè)計 包括速度控制算 法和插補算法 2 1 步進電機的速度控制算法 步進電機的極限啟動頻率較低 而運行頻率一般 比較高 如果步進電機以運行頻率直接啟動 可能會 由于啟動頻率過高發(fā)生堵轉(zhuǎn) 失步或根本不能啟動等 情況 因此 通常步進電機都是在較低的頻率下啟 動 然后加速到運行頻率 在停止時 如果步進電機 運行頻率過高 步進電機直接停止會出現(xiàn)過沖現(xiàn)象 因此 在停止前步進電機必須減速到較低的頻率 可 見 步進電機的運動過程實際上是一個 啟動一加 速一恒速一減速一停止 的過程 在這個過程中要 對步進電機的速度進行控制 常見的步進電機速度控 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 運動步數(shù) 為啟動 頻率 為運行頻 率 風(fēng)為步數(shù)計數(shù) 器 R 為減速點 步進電機在頻率 圖2直線型速度控制曲線 下啟動 然后加速到 步進電機每走一步 就 減1 當R R 時 開始減速 當R 0時 步進電 機停止運動 其中 減速點 的選擇比較關(guān)鍵 一 般 應(yīng)該剛好等于步進電機 減速 過程所走步數(shù) C 這樣 當脈沖頻率減小到 時 剛好為0 步進電機停止 圖2中的速度曲線實際上是在步進電機運動總步 數(shù)C 2C 時的情況 控制效果較好 當C 2C 時 速度曲線如圖3 a 所示 此時 步進電機還沒有加速到 就已經(jīng)到達減 速點 開始減速 當減速到 時 R 2C 一C 步進 電機還要在 下運行 2C 一C 步 步進電機的運 動過程為 啟動一加速一減速一恒低速一停止 步 進電機在 啟動一加速一減速 階段平均速度較快 在 恒低速一停止 階段運動較慢 運動呈現(xiàn)明顯 的先快后慢現(xiàn)象 運行很不平穩(wěn) 因此 要對C 2C 時的速度曲線進行優(yōu)化 優(yōu)化的方法是 當C 2C 時 取減速點R C 2 速度曲線如圖3 b 所 示 當步進電機減速到 時 R 0 步進電機停 止 電機運行比較平穩(wěn) 圖3總步數(shù)C 2C 時的速度曲線 2 2插補算法 插補技術(shù)是數(shù)控系統(tǒng)的核心技術(shù) 插補的任務(wù)就 是根據(jù)進給速度的要求 完成軌跡起點和終點之間中 間點的坐標值的計算 目前插補算法有多種 包括數(shù) 字脈沖相乘法 逐點比較法 最小偏差法 數(shù)字積分 法 DDA 目標點跟蹤法 高次和更高次曲線插補 法 加密判別和雙判別插補法 作者采用逐點比較 法 逐點比較法既可以做直線插補 又可做圓弧插 補 比較適用于以步進電機為驅(qū)動裝置的開環(huán)數(shù)控系 統(tǒng) 與其他插補算法相比 逐點比較法是一種控制算 法簡單 進給速度控制方便的插補算法 逐點比較法原理為 計算機在控制平臺運動過程 中 能逐點計算和判別加工偏差 以控制坐標進給 使平臺按規(guī)定軌跡運動 步進電機每走一步都要完成 4個工作節(jié)拍 偏差判斷 進給 偏差計算 終點 判別 傳統(tǒng)的逐點比較法在偏差判斷后 兩個軸 僅有一個軸進給 插補效率較低 作者改進了傳統(tǒng)的 逐點比較法 在某些條件下 兩個軸可以同時進給 提高插補效率和插補精度 2 2 1 直線插補 如圖4所示 以 第一象限直線為例 直線插補的偏差判別 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 補點 對于直線OA 圖4逐點比較直線插 當F 0時 點P在 補算法原理圖 OA的上方 向 Ax方向進給一步 當F 0時 點 P在OA的下方 向 Ax和 Ay方向同時進給一步 對于OB 當 0時 插補點在OB的上方 向 和 方向同時進給一步 當F 0時 插補點在圓弧外或圓弧上 向一 y方向進給一步 當F 0時 插補點在圓弧外或圓弧上 向 血和一 y方向同時進給一步 當Fi 0時 插補 點在圓弧內(nèi) 向 方向進給一步 設(shè) Y軸的進給量分別為n b b取值為 一l 0 1 一1表示向該軸負方向進給一步 1 表示向該軸正方向進給一步 0表示不進給 表1給 出了8個區(qū)域?qū)?yīng)的進給方向 表l 逐點比較圓弧插補算法進給方向 2 2 3終點判別 終點判別的方法為 比較插補點的坐標與終點坐 標是否一致 若一致 就說明到達終點 插補停止 否則 繼續(xù)進行插補運算 用于終點判別的終點必須 在插補軌跡上 直線插補是以原點為起點 直線軌跡由終點唯一 確定 而且終點一定在插補軌跡上 因此直線的終點 是可以直接用于終點判別的 但對于圓弧插補 圓弧插補軌跡是以給定的圓弧 起點為基點 插補軌跡由起點和圓弧方向決定 與圓 弧終點無關(guān) 圓弧終點可能在插補軌跡上 也可能不 在插補軌跡上 因此圓弧終點不能直接用于終點判 別 插補前要判斷圓弧終點是否在插補軌跡上 如果 不在 還要對圓弧終點進行校正 判斷與校正方法 為 以圓弧起點為基點對圓弧所在圓進行軟件仿真插 補 在仿真過程中判斷終點是否在圓弧軌跡上 如果 不在 就找插補軌跡上距離圓弧終點最近的點代替圓 弧終點 從而保證用于終點判別的圓弧終點始終在插 補軌跡上 此外 這種校正方法還可以獲得精確的圓 弧坐標范圍及插補次數(shù) 3結(jié)束語 基于 PCL 839 控制卡嵌入PC機 模式的二 維平臺控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單 能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜控制功 能 同時又具有Pc機友好的人機界面 在經(jīng)濟型數(shù) 控系統(tǒng)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景 短距運動速度曲線 修正保證系統(tǒng)的速度控制具有更強的適應(yīng)性 改進逐 點比較法提高了插補效率和插補精度 圓弧終點校正 保證了圓弧插補運算的可靠運行 該二維平臺控制系 統(tǒng)已成功應(yīng)用于激光劃片機 控制效果較好 參考文獻 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 北京和利時電機技術(shù)有限公司 兩相混合式步進電機細 分驅(qū)動器SH 20403說明書 M 北京和利時電機技術(shù) 有限公司 2006 12 3 徐煜明 步進電機速度控制的研究與實現(xiàn) J 工礦自 動化 2007 2 82 84 4 李恩林 數(shù)控系統(tǒng)插補原理通論 M 北京 國防工業(yè) 出版社 2008 5 唐慧鋒 改進逐點比較法圓弧插補的研究與仿真 J 微計算機信息 2006 22 15 240 241