基于PC的步進電機三軸聯(lián)動控制系統(tǒng)研究

1、技術(shù)創(chuàng)新微計算機信息(測控自動化2009年第25卷第5-1期360元/年郵局訂閱號:82-946現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用200例控制系統(tǒng)基于PC 的步進電機三軸聯(lián)動控制系統(tǒng)研究Research on 3-axis Simultaneous-motioned Step Motor Control System Based on PC(廣東省科學(xué)院自動化工程研制中心張嚴(yán)林李海生鐘震宇肖先文ZHANG Yan-lin LI Hai-sheng ZHONG Zhen-yu XIAO Xian-wen摘要:詳細(xì)介紹Windows 環(huán)境下面用PC 的并口直接控制三軸聯(lián)動的步進電機運動控制系統(tǒng)。分析了包括G 代碼編

2、譯、數(shù)字積分插補算法實現(xiàn)三軸聯(lián)動、PC 上微秒級定時器的實現(xiàn)方法等一系列關(guān)鍵技術(shù)問題。關(guān)鍵詞:步進電機;運動控制;數(shù)控中圖分類號:TP273文獻標(biāo)識碼:BAbstract:The solution to control 3-axis Simultaneous -motioned Step Motor Control System directly in Windows OS based on PC LPT is presented.A series of key problems are analyzed such as G code compiling,DDA arithmetic for

3、3-axis simultaneous -mo -tioned control,microsecond-level timer on PC,etc.Key words:Step Motor;Motion Control;NC文章編號:1008-0570(200905-1-0076-021引言當(dāng)前,運動控制一般有兩種方案,一種是分布式結(jié)構(gòu),即上位機和下位機獨立的方式,由PC 作為上位機,完成復(fù)雜用戶界面和復(fù)雜的算法,下位機由單片機實現(xiàn)底層的電機運動控制,上位機一般通過串行口與下位機通信,發(fā)加工指令到下位機進行加工;另一種是PC 完全控制,這種控制方式又分成兩類,一類是PC 通過并口直接發(fā)脈沖信號

4、控制電機,另一類是在PC 的擴展槽中插入運動控制卡來控制電機。以上方式各有優(yōu)缺點,根據(jù)實際應(yīng)用情況選擇。分布式結(jié)構(gòu)伸縮性好,一臺上位機可以連接多臺下位機,在下位機較多的情況下整體成本較低,但下位機結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,不易進行功能擴展。PC 完全控制的方式可以充分利用PC 的軟件資源,結(jié)構(gòu)簡單,易于進行功能擴展,但一臺PC 只能控制一臺運動裝置,當(dāng)運動裝置的成本與PC 的成本接近的時候整體成本較高。另外,如果PC 直接通過并口控制的方式對PC 的實時性和穩(wěn)定性要求較高。而PC 擴展槽中插入運動控制卡的方式能夠輕松地使用系統(tǒng)所配置的軟件模塊和硬件運動控制器(卡,便于機床制造商和用戶進行軟件開發(fā)。本文在設(shè)

5、計數(shù)控點膠機的時候,運用了以上兩種控制方式,在研發(fā)初期,系統(tǒng)功能尚未完全確定時采用的是PC 直接通過并口控制的方式,方便對功能進行擴展,而當(dāng)產(chǎn)品功能基本定型以后,考慮到整體成本等因素,采用的是分布式結(jié)構(gòu)控制方式。因篇幅原因,本文僅介紹PC 直接控制的方式,其中大部分的算法思路是一致的,分布式結(jié)構(gòu)僅是把部分控制算法移動到下位機完成。2設(shè)計方案綜述本文所設(shè)計的運動控制主要用于數(shù)控點膠機。數(shù)控點膠機用來加工二維或三維PVC 塑膠標(biāo)簽,根據(jù)標(biāo)簽圖案事先雕刻好模板,通過點膠機將膠體按指定軌跡、指定速度滴入模板,然后經(jīng)烤箱烘烤后成為塑膠標(biāo)簽。上位機軟件先將模板掃描并導(dǎo)入軟件,用軟件提供的點、線、圓、圓弧、

6、矩形等幾何圖形按照模板繪制加工軌跡,然后用路徑優(yōu)化算法就加工軌跡排序,轉(zhuǎn)成G 代碼。再用G 代碼編譯成加工指令,指示三軸驅(qū)動機構(gòu)進行加工。上位機軟件的主要難點有以下幾個,繪圖系統(tǒng)、加工路徑優(yōu)化、G 代碼生成、G 代碼編譯、多線程方式實現(xiàn)微秒級定時器、三軸聯(lián)動運動控制完成加工曲線等。前三個難點與本文主題關(guān)聯(lián)不大,下面重點介紹后面幾個難點的解決方案。2G 代碼編譯為提高通用性,本文的設(shè)計方案中,將加工軌跡轉(zhuǎn)換成G 代碼,再編譯成加工指令。這樣設(shè)計的好處是可以導(dǎo)入其它軟件生成的G 代碼進行編譯加工,也可以為熟練人員手工輸入G 代碼進行編譯加工。生成G 代碼的另外一個好處是將繪圖系統(tǒng)與加工系統(tǒng)完全隔離

7、開,使它們之間的唯一聯(lián)系只有G 代碼。本文涉及的G 代碼只有3種。G00用于快速定位,G01用于按指定速度加工直線,G04用于暫停。如果要加工圓弧,先用插補算法轉(zhuǎn)換成直線用G01加工。實際使用中還用到了M 代碼進行開關(guān)量控制,因篇幅原因省略。編譯后的加工指令由以下結(jié)構(gòu)體組成的數(shù)組表示(用Del -phi 語言開發(fā):TCtrlData =recordgcode:string;/對應(yīng)的G 代碼x,y,z:Double;/G 代碼中定義的坐標(biāo)mm xpulses,ypulses,zpulses:Integer;/總脈沖數(shù),>0不管方向xt,yt,zt:Double;/發(fā)半個脈沖需要的時間ms/

8、half_pulsexn,yn,zn:Integer;/多少個定時間隔發(fā)一次1(或0dxn,dyn,dzn:Integer;/增量累計求和的基數(shù),累加后超過某個上界,就多一個定時間隔發(fā)1或0xd,yd,zd:Boolean;/方向,true -正false -負(fù)mcode:string;/M 指令,開關(guān)量輸出pause:Integer;/停留時間,定時間隔數(shù)end;張嚴(yán)林:碩士副研究員76- 郵局訂閱號:82-946360元/年技術(shù)創(chuàng)新控制系統(tǒng)PLC 技術(shù)應(yīng)用200例您的論文得到兩院院士關(guān)注加工指令保存于“ctrlDatas:array of TCtrlData;”本文采用的插補算法是數(shù)字積分

9、法(DDA,DDA 是在數(shù)字積分器的基礎(chǔ)上建立起來的一種插補法,基本思想是利用微小增量累積求和的方法,實現(xiàn)對空間直線和曲線的插補,具有運算速度快、脈沖分配均勻、易實現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動等優(yōu)點,應(yīng)用較廣泛。上面結(jié)構(gòu)體中的dxn,dyn,dzn 就是用于增量累計求和的基數(shù),累加后超過某個上界(預(yù)先定義的一個大整數(shù),就多一個定時間隔發(fā)1或0。編譯后的加工指令可以直接用于控制三軸聯(lián)動運動控制,最重要的四類參數(shù)是總脈沖數(shù)、發(fā)半個脈沖需要的時間、增量累計求和的基數(shù)以及方向。詳細(xì)控制算法見第4節(jié)。G 代碼編譯時,需要對G 代碼從頭到尾進行掃描,依次根據(jù)比較簡單的公式得到上面的結(jié)構(gòu)體,并添加到動態(tài)數(shù)組ctrlData

10、s 中。編譯時還需要對取整誤差進行補償,以避免累計誤差。3多線程方式實現(xiàn)微秒級定時器用PC 直接通過并口發(fā)送脈沖,最關(guān)鍵的技術(shù)就是高精度定時器,要有微秒級的定時器才能夠滿足需求(本文實際采用的是50微秒的定時器。要實現(xiàn)這么高精度的定時器,需要利用微機中分辨率極高的計數(shù)器。在Windows 系統(tǒng)下通過函數(shù)QueryPerformanceFrequency 來獲取計數(shù)器頻率,函數(shù)QueryPer -formanceCounter 來獲得當(dāng)前的計數(shù)器數(shù)值,然后采用查詢方式就能獲得準(zhǔn)確的定時時間。需要采用多線程技術(shù),提高監(jiān)控程序的線程優(yōu)先等級,二是在運動系統(tǒng)工作時盡量不要過多運行占用CPU 時間多的其

11、它大型應(yīng)用程序。對PC 的硬件配置要求較高,但在當(dāng)前奔騰系列CPU 盛行的情況下,大多數(shù)PC 已經(jīng)可以滿足需求了。本文設(shè)計了一個組件THPTimer 用于實現(xiàn)微秒級定時器,有一個事件TOnHPTimer =procedure (seconds:Extended;delta:Extend -ed;timers:int64of object;參數(shù)的意義分別是自定時器啟動以來經(jīng)過的時間(單位:秒、距離上一次觸發(fā)該事件經(jīng)過的時間、定時器啟動以來總的觸發(fā)事件的次數(shù)。本文設(shè)計了一個THPTimerThread 類來實現(xiàn)多線程。當(dāng)創(chuàng)建THPTimer 對象時自動啟動線程,該線程的Execute 方法如下:w

12、hile not Terminated do beginrepeats :=(FOwner as THPTimer.GetElapsedSeconds;/獲得經(jīng)過的時間until (s >=(NTimes +1*FTimePeriodand not Termi -nated;/直到超過定時間隔if FEnabled then Synchronize (DoTimerWatch;/觸發(fā)OnHPTimer 事件if toSuspend then begin toSuspend :=False;Suspend;end;/如果定時器停止,則線程暫停end;由上面的代碼可以看出,啟動線程后,只要定

13、時器一直出于激活狀態(tài),該線程不斷讀取經(jīng)過的時間,一旦超過定時間隔,就觸發(fā)OnHPTimer 事件。因此這種方式只能通過多線程實現(xiàn),而且在該線程運行期間,不能過多運行占用CPU 時間多的其它大型應(yīng)用程序,否則可能造成超過定時間隔還沒有觸發(fā)OnHPTimer 事件,會引起定時不準(zhǔn)而影響運動控制的精度和平穩(wěn)性。4三軸聯(lián)動運動控制第2節(jié)指出,本文采用的插補算法是數(shù)字積分法(DDA,非常適合三軸聯(lián)動運動控制。因為三軸之間的控制完全可以對稱的進行,而不會互相影響。G 代碼編譯后的加工數(shù)據(jù)可以直接用于控制加工。第3節(jié)指出,定時器有一個OnHPTimer 事件,運動控制算法基本都在這個事件里面完成,這個事件的

14、第3個參數(shù)times 非常重要,有了這個參數(shù)就知道已經(jīng)過了多少個定時間隔,從而通過簡單的算法輸出脈沖控制步進電機,包括電機的速度、方向。運動控制算法需要的數(shù)據(jù)已經(jīng)在G 代碼編譯過程中全部得到了,需要的數(shù)據(jù)是xpulses,ypulses,zpulses:Integer;/總脈沖數(shù),>0不管方向xn,yn,zn:Integer;/多少個定時間隔發(fā)一次1(或0dxn,dyn,dzn:Integer;/增量累計求和的基數(shù),累加后超過某個上界,就多一個定時間隔發(fā)1或0xd,yd,zd:Boolean;/方向,true -正false -負(fù)算法中需要統(tǒng)計并判斷是否走完總脈沖數(shù)(xpulses,yp

15、uls -es,zpulses,到了指定的定時間隔(xn,yn,zn就通過并口發(fā)1或0,再對增量累計求和的基數(shù)(dxn,dyn,dzn進行累加,如果到達(dá)指定的大整數(shù)就增加一個定時間隔,方向(xd,yd,zd 發(fā)送到步進電機的方向信號。DDA 算法使得整個三軸聯(lián)動運動控制算法只有整數(shù)的加減運算,沒有整數(shù)的乘除運算和浮點數(shù)運算,大大提高了運算速度,從而使得算法的實時性非常高,適合在微秒級定時器的定時間隔內(nèi)完成,也適合用單片機完成。5總結(jié)本文提出的三軸聯(lián)動運動控制方案在數(shù)控點膠機上得到了很好的應(yīng)用,實踐表明,只要設(shè)計合理,PC 完全可以滿足實時性、穩(wěn)定性和高精度的要求。本文的控制方案同樣可以應(yīng)用到其

16、它運動控制場合。此外,在設(shè)計數(shù)控點膠機還采用了分布式結(jié)構(gòu)的方案,由單片機完成運動控制,在控制算法上幾乎完全一致,區(qū)別在于G 代碼編譯后,將編譯好的加工指令通過串行口下載到下位機,下位機同樣應(yīng)用DDA 算法完成三軸聯(lián)動運動控制。作者創(chuàng)新點:本文的設(shè)計方案采用G 代碼作為連接繪圖系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)的紐帶,使兩者之間實現(xiàn)完全隔離。G 代碼編譯方案和DDA 插補算法使運動控制算法中只有整數(shù)的加減運算,沒有整數(shù)的乘除運算和浮點數(shù)運算,大大提高了運算速度,從而使得算法的實時性非常高。而且算法可以完全移植到下位機實現(xiàn),能夠?qū)⒖刂品桨负芊奖愕財U展到上位機和下位機的分布式結(jié)構(gòu)。本項目目前出于市場推廣階段,已經(jīng)創(chuàng)

17、造經(jīng)濟效益100多萬元。參考文獻1趙春紅,秦現(xiàn)生,唐虹。基于PC 的開放式數(shù)控系統(tǒng)研究J。機械科學(xué)與技術(shù),2005,9:1109。2黃海鴻,劉志峰,尹志強,王淑旺。激光雕刻機二維步進電機運動控制系統(tǒng)研究?？刂婆c檢測J.2005,6:66。3王宏平,王平,張洛平?；赑C 的開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)。微計算機信息J.2007,23,4-1:230。(下轉(zhuǎn)第258頁77-技術(shù)創(chuàng)新微計算機信息(測控自動化2009年第25卷第5-1期360元/年郵局訂閱號:82-946現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用200例模式識別Speech to Facial Image for Intelligent Man -Machin

18、e Interface",IEEE Joumal on Selected Areas in Communication,Vo1.9,No.4,2005.3S.Morishima and H.Harashima,"Speech -to -Image Media Conversion Based on VQ and Neural Network",Proceedings of I -CASSP91,M10.11,pp.2865-2868,2006.4S.Kobayashi,S.Morishima et.al,"Representation of Feel a

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20、er,J.“Lifelike talk -ing faces for interactive services ”.In:PROCEEDINGS OF THE IEEE,VOL.91,NO.9,SEPTEMBER 2003pp 140614297任金霞,楊國亮.基于Gabor 和ADABOOST 的面部表情識別J .微計算機信息,2007,3-1:290-292作者簡介:趙黎,女,1980年生,漢族,籍貫黑龍江,天津師范大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院教師,主要研究方向:人臉表情識別,Biography:ZHAO Li,female,1980,Han,HeiLongJiang,teach -er of

21、 TianJin normal university,major in facial expression recog -nizition(300387天津天津師范大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院趙黎(School of computer and Information Engineering,TianJin Normal University TianJin 300387ZHAO Li通訊地址:(300387天津天津師范大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院趙黎(收稿日期:2009.02.23(修稿日期:2009.03.25(上接第146頁2Sanjay Shakkottai,Srikant R,Ness Shr

22、off,Unreliable Sensor -Grids:Coverage,Connectivity and Diameter C/INFOCOM2003,Twenty-Second Annual Joint Conference of the IEEE Com-puter and Communications Societies.2003,1073-10833徐從富,李石堅,饒大展,等.基于正三角形區(qū)域劃分的傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋與連通J.傳感技術(shù)學(xué)報,2007,20-3:650655.4XOU Y,CHAKRABARTY K.Sensor deployment and target lo -cal

23、i-zation based on virtual forces A.Proceedings of INFOCOM C,2003.5AHMED N,KANHERE SS,JHA S.The holes problem in wire -lesssensor networks:a surveyJ.ACMSIGMOBILEMobileComputing and CommunicationsReview,2005,9(2:4-18.6LAMBERT F W.The Theory and Practical Design of Bunkers,Publication 32M.London:Britis

24、h Constr -uctional Steelwork Association,1968.7Hermann L R.Laplacian-isoparametric gridgenerationschemeJ.J.Eng.Meth.Divi.,Proceedings of Amer.Soc.Civil Eng.,1976,12(EMS:749-756.8GBJ 7785鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范S.北京:中國計劃出版社,1990.9克列因.散體結(jié)構(gòu)力學(xué)M.陳萬佳譯.北京:中國鐵道出版社,1983.10董作霖,汪云,牟光臣.一種優(yōu)化的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點選擇算法J.微計算機信息,2006,5-1:1541

25、56.作者簡介:張元(1961-,男(漢,河南省洛陽市人,博士,教授,碩士生導(dǎo)師,現(xiàn)任河南工業(yè)大學(xué)副校長。享受國務(wù)院政府特殊津貼專家。研究方向:模式識別與人工智能;陳得民(1982-,男(漢,甘肅武威市人,河南工業(yè)大學(xué)碩士研究生,研究方向:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、模式識別與人工智能。孫欽清(1982-,男(漢,山東臨沂人,鄭州大學(xué)碩士研究生,研究方向:信息融合,信號處理。付麥霞(1978-,女,河南洛陽人,鄭州大學(xué)碩士研究生,講師,研究方向:智能信息系統(tǒng).Biography:ZHANG Yuan (birth 1961-,male (Chinese,Lu -oyang City of Henan Pr

26、ovince,vice president of Henan Universi -ty of Technology,Ph.D.,Professor,Master's mentor,Direction:pattern recognition and artificial intelligence.(450001河南工業(yè)大學(xué)人工智能研究所張元陳得民付麥霞(450001鄭州大學(xué)孫欽清通訊地址:(450001鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)蓮花街河南工業(yè)大學(xué)人工智能研究所6407室陳得民(收稿日期:2009.03.23(修稿日期:2009.04.25(上接第77頁4張旭輝?；赑C 的步進電機多軸運動控制策略研究。機床與液壓J.2004,No.8:56。作者簡介:張嚴(yán)林(1974.5-,男,江西豐城人,漢族,碩士,副研究員,主要從事企業(yè)信息化及工業(yè)自動化系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)工作。Biography:ZHANG Yan -lin (1974.5-,male,born inFengcheng,Jiangxi,Han,master,associate researcher,engaged in research of enterprise informationization &automatization system.(510070廣