基于PC的步进电机三轴联动控制系统研究

1、技术创新微计算机信息(测控自动化2009年第25卷第5-1期360元/年邮局订阅号:82-946现场总线技术应用200例控制系统基于PC 的步进电机三轴联动控制系统研究Research on 3-axis Simultaneous-motioned Step Motor Control System Based on PC(广东省科学院自动化工程研制中心张严林李海生钟震宇肖先文ZHANG Yan-lin LI Hai-sheng ZHONG Zhen-yu XIAO Xian-wen摘要:详细介绍Windows 环境下面用PC 的并口直接控制三轴联动的步进电机运动控制系统。分析了包括G 代码编

2、译、数字积分插补算法实现三轴联动、PC 上微秒级定时器的实现方法等一系列关键技术问题。关键词:步进电机;运动控制;数控中图分类号:TP273文献标识码: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文章编号:1008-0570(200905-1-0076-021引言当前,运动控制一般有两种方案,一种是分布式结构,即上位机和下位机独立的方式,由PC 作为上位机,完成复杂用户界面和复杂的算法,下位机由单片机实现底层的电机运动控制,上位机一般通过串行口与下位机通信,发加工指令到下位机进行加工;另一种是PC 完全控制,这种控制方式又分成两类,一类是PC 通过并口直接发脉冲信号

4、控制电机,另一类是在PC 的扩展槽中插入运动控制卡来控制电机。以上方式各有优缺点,根据实际应用情况选择。分布式结构伸缩性好,一台上位机可以连接多台下位机,在下位机较多的情况下整体成本较低,但下位机结构较为复杂,不易进行功能扩展。PC 完全控制的方式可以充分利用PC 的软件资源,结构简单,易于进行功能扩展,但一台PC 只能控制一台运动装置,当运动装置的成本与PC 的成本接近的时候整体成本较高。另外,如果PC 直接通过并口控制的方式对PC 的实时性和稳定性要求较高。而PC 扩展槽中插入运动控制卡的方式能够轻松地使用系统所配置的软件模块和硬件运动控制器(卡,便于机床制造商和用户进行软件开发。本文在设

5、计数控点胶机的时候,运用了以上两种控制方式,在研发初期,系统功能尚未完全确定时采用的是PC 直接通过并口控制的方式,方便对功能进行扩展,而当产品功能基本定型以后,考虑到整体成本等因素,采用的是分布式结构控制方式。因篇幅原因,本文仅介绍PC 直接控制的方式,其中大部分的算法思路是一致的,分布式结构仅是把部分控制算法移动到下位机完成。2设计方案综述本文所设计的运动控制主要用于数控点胶机。数控点胶机用来加工二维或三维PVC 塑胶标签,根据标签图案事先雕刻好模板,通过点胶机将胶体按指定轨迹、指定速度滴入模板,然后经烤箱烘烤后成为塑胶标签。上位机软件先将模板扫描并导入软件,用软件提供的点、线、圆、圆弧、

6、矩形等几何图形按照模板绘制加工轨迹,然后用路径优化算法就加工轨迹排序,转成G 代码。再用G 代码编译成加工指令,指示三轴驱动机构进行加工。上位机软件的主要难点有以下几个,绘图系统、加工路径优化、G 代码生成、G 代码编译、多线程方式实现微秒级定时器、三轴联动运动控制完成加工曲线等。前三个难点与本文主题关联不大,下面重点介绍后面几个难点的解决方案。2G 代码编译为提高通用性,本文的设计方案中,将加工轨迹转换成G 代码,再编译成加工指令。这样设计的好处是可以导入其它软件生成的G 代码进行编译加工,也可以为熟练人员手工输入G 代码进行编译加工。生成G 代码的另外一个好处是将绘图系统与加工系统完全隔离

7、开,使它们之间的唯一联系只有G 代码。本文涉及的G 代码只有3种。G00用于快速定位,G01用于按指定速度加工直线,G04用于暂停。如果要加工圆弧,先用插补算法转换成直线用G01加工。实际使用中还用到了M 代码进行开关量控制,因篇幅原因省略。编译后的加工指令由以下结构体组成的数组表示(用Del -phi 语言开发:TCtrlData =recordgcode:string;/对应的G 代码x,y,z:Double;/G 代码中定义的坐标mm xpulses,ypulses,zpulses:Integer;/总脉冲数,>0不管方向xt,yt,zt:Double;/发半个脉冲需要的时间ms/

8、half_pulsexn,yn,zn:Integer;/多少个定时间隔发一次1(或0dxn,dyn,dzn:Integer;/增量累计求和的基数,累加后超过某个上界,就多一个定时间隔发1或0xd,yd,zd:Boolean;/方向,true -正false -负mcode:string;/M 指令,开关量输出pause:Integer;/停留时间,定时间隔数end;张严林:硕士副研究员76- 邮局订阅号:82-946360元/年技术创新控制系统PLC 技术应用200例您的论文得到两院院士关注加工指令保存于“ctrlDatas:array of TCtrlData;”本文采用的插补算法是数字积分

9、法(DDA,DDA 是在数字积分器的基础上建立起来的一种插补法,基本思想是利用微小增量累积求和的方法,实现对空间直线和曲线的插补,具有运算速度快、脉冲分配均匀、易实现多坐标联动等优点,应用较广泛。上面结构体中的dxn,dyn,dzn 就是用于增量累计求和的基数,累加后超过某个上界(预先定义的一个大整数,就多一个定时间隔发1或0。编译后的加工指令可以直接用于控制三轴联动运动控制,最重要的四类参数是总脉冲数、发半个脉冲需要的时间、增量累计求和的基数以及方向。详细控制算法见第4节。G 代码编译时,需要对G 代码从头到尾进行扫描,依次根据比较简单的公式得到上面的结构体,并添加到动态数组ctrlData

10、s 中。编译时还需要对取整误差进行补偿,以避免累计误差。3多线程方式实现微秒级定时器用PC 直接通过并口发送脉冲,最关键的技术就是高精度定时器,要有微秒级的定时器才能够满足需求(本文实际采用的是50微秒的定时器。要实现这么高精度的定时器,需要利用微机中分辨率极高的计数器。在Windows 系统下通过函数QueryPerformanceFrequency 来获取计数器频率,函数QueryPer -formanceCounter 来获得当前的计数器数值,然后采用查询方式就能获得准确的定时时间。需要采用多线程技术,提高监控程序的线程优先等级,二是在运动系统工作时尽量不要过多运行占用CPU 时间多的其

11、它大型应用程序。对PC 的硬件配置要求较高,但在当前奔腾系列CPU 盛行的情况下,大多数PC 已经可以满足需求了。本文设计了一个组件THPTimer 用于实现微秒级定时器,有一个事件TOnHPTimer =procedure (seconds:Extended;delta:Extend -ed;timers:int64of object;参数的意义分别是自定时器启动以来经过的时间(单位:秒、距离上一次触发该事件经过的时间、定时器启动以来总的触发事件的次数。本文设计了一个THPTimerThread 类来实现多线程。当创建THPTimer 对象时自动启动线程,该线程的Execute 方法如下:w

12、hile not Terminated do beginrepeats :=(FOwner as THPTimer.GetElapsedSeconds;/获得经过的时间until (s >=(NTimes +1*FTimePeriodand not Termi -nated;/直到超过定时间隔if FEnabled then Synchronize (DoTimerWatch;/触发OnHPTimer 事件if toSuspend then begin toSuspend :=False;Suspend;end;/如果定时器停止,则线程暂停end;由上面的代码可以看出,启动线程后,只要定

13、时器一直出于激活状态,该线程不断读取经过的时间,一旦超过定时间隔,就触发OnHPTimer 事件。因此这种方式只能通过多线程实现,而且在该线程运行期间,不能过多运行占用CPU 时间多的其它大型应用程序,否则可能造成超过定时间隔还没有触发OnHPTimer 事件,会引起定时不准而影响运动控制的精度和平稳性。4三轴联动运动控制第2节指出,本文采用的插补算法是数字积分法(DDA,非常适合三轴联动运动控制。因为三轴之间的控制完全可以对称的进行,而不会互相影响。G 代码编译后的加工数据可以直接用于控制加工。第3节指出,定时器有一个OnHPTimer 事件,运动控制算法基本都在这个事件里面完成,这个事件的

14、第3个参数times 非常重要,有了这个参数就知道已经过了多少个定时间隔,从而通过简单的算法输出脉冲控制步进电机,包括电机的速度、方向。运动控制算法需要的数据已经在G 代码编译过程中全部得到了,需要的数据是xpulses,ypulses,zpulses:Integer;/总脉冲数,>0不管方向xn,yn,zn:Integer;/多少个定时间隔发一次1(或0dxn,dyn,dzn:Integer;/增量累计求和的基数,累加后超过某个上界,就多一个定时间隔发1或0xd,yd,zd:Boolean;/方向,true -正false -负算法中需要统计并判断是否走完总脉冲数(xpulses,yp

15、uls -es,zpulses,到了指定的定时间隔(xn,yn,zn就通过并口发1或0,再对增量累计求和的基数(dxn,dyn,dzn进行累加,如果到达指定的大整数就增加一个定时间隔,方向(xd,yd,zd 发送到步进电机的方向信号。DDA 算法使得整个三轴联动运动控制算法只有整数的加减运算,没有整数的乘除运算和浮点数运算,大大提高了运算速度,从而使得算法的实时性非常高,适合在微秒级定时器的定时间隔内完成,也适合用单片机完成。5总结本文提出的三轴联动运动控制方案在数控点胶机上得到了很好的应用,实践表明,只要设计合理,PC 完全可以满足实时性、稳定性和高精度的要求。本文的控制方案同样可以应用到其

16、它运动控制场合。此外,在设计数控点胶机还采用了分布式结构的方案,由单片机完成运动控制,在控制算法上几乎完全一致,区别在于G 代码编译后,将编译好的加工指令通过串行口下载到下位机,下位机同样应用DDA 算法完成三轴联动运动控制。作者创新点:本文的设计方案采用G 代码作为连接绘图系统和运动控制系统的纽带,使两者之间实现完全隔离。G 代码编译方案和DDA 插补算法使运动控制算法中只有整数的加减运算,没有整数的乘除运算和浮点数运算,大大提高了运算速度,从而使得算法的实时性非常高。而且算法可以完全移植到下位机实现,能够将控制方案很方便地扩展到上位机和下位机的分布式结构。本项目目前出于市场推广阶段,已经创

17、造经济效益100多万元。参考文献1赵春红,秦现生,唐虹。基于PC 的开放式数控系统研究J。机械科学与技术,2005,9:1109。2黄海鸿,刘志峰,尹志强,王淑旺。激光雕刻机二维步进电机运动控制系统研究。控制与检测J.2005,6:66。3王宏平,王平,张洛平。基于PC 的开放式数控系统的研究与开发。微计算机信息J.2007,23,4-1:230。(下转第258页77-技术创新微计算机信息(测控自动化2009年第25卷第5-1期360元/年邮局订阅号:82-946现场总线技术应用200例模式识别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

19、nd Motion of the Thread -like Objects",Proc.of NICOGRAPH90,pp.29-36,2004.5Y.Fukuda and S.Hiki,"Characteristic of the mouth shape in the production of Japanese -Stroboscopic Observation",Journal of Acoustical Society of Japan (E,3.2,pp.75-91,1982.6Cosatto,E.Ostermann,J.Graf,H.P.Schroet

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,杨国亮.基于Gabor 和ADABOOST 的面部表情识别J .微计算机信息,2007,3-1:290-292作者简介:赵黎,女,1980年生,汉族,籍贯黑龙江,天津师范大学计算机与信息工程学院教师,主要研究方向:人脸表情识别,Biography:ZHAO Li,female,1980,Han,HeiLongJiang,teach -er of

21、 TianJin normal university,major in facial expression recog -nizition(300387天津天津师范大学计算机与信息工程学院赵黎(School of computer and Information Engineering,TianJin Normal University TianJin 300387ZHAO Li通讯地址:(300387天津天津师范大学计算机与信息工程学院赵黎(收稿日期:2009.02.23(修稿日期:2009.03.25(上接第146页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徐从富,李石坚,饶大展,等.基于正三角形区域划分的传感器网络覆盖与连通J.传感技术学报,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钢筋混凝土筒仓设计规范S.北京:中国计划出版社,1990.9克列因.散体结构力学M.陈万佳译.北京:中国铁道出版社,1983.10董作霖,汪云,牟光臣.一种优化的传感器网络节点选择算法J.微计算机信息,2006,5-1:1541

25、56.作者简介:张元(1961-,男(汉,河南省洛阳市人,博士,教授,硕士生导师,现任河南工业大学副校长。享受国务院政府特殊津贴专家。研究方向:模式识别与人工智能;陈得民(1982-,男(汉,甘肃武威市人,河南工业大学硕士研究生,研究方向:无线传感器网络、模式识别与人工智能。孙钦清(1982-,男(汉,山东临沂人,郑州大学硕士研究生,研究方向:信息融合,信号处理。付麦霞(1978-,女,河南洛阳人,郑州大学硕士研究生,讲师,研究方向:智能信息系统.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河南工业大学人工智能研究所张元陈得民付麦霞(450001郑州大学孙钦清通讯地址:(450001郑州高新技术产业开发区莲花街河南工业大学人工智能研究所6407室陈得民(收稿日期:2009.03.23(修稿日期:2009.04.25(上接第77页4张旭辉。基于PC 的步进电机多轴运动控制策略研究。机床与液压J.2004,No.8:56。作者简介:张严林(1974.5-,男,江西丰城人,汉族,硕士,副研究员,主要从事企业信息化及工业自动化系统的设计、开发工作。Biography:ZHANG Yan -lin (1974.5-,male,born inFengcheng,Jiangxi,Han,master,associate researcher,engaged in research of enterprise informationization &automatization system.(510070广