精密数控分度转台的控制系统设计
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后, 每个驱动器脉冲当量 为 P D = 01009b, 分度转 台的 蜗轮 与蜗 杆传动比 Z = 180, 因此, 每个驱动脉冲当量 $P 为:
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$P = PD /Z = 01 000 05b( 01 18d)
( 1)
足够满足系统 ? 2d的分度精度要求。一次分度定位所输出
的脉冲总数为
N = S /$P
电机控制部分主 要选择 34H S300DZ 二相 混合步 进电 机和 SH - 2H 090M 二 相混合驱动器。最大静转矩 610 N# m, 最大空 载启动转速 240 r /m in. 电机 控制 方式有 2种 可选, 一种 是 CP / D IR 方式, 另一种是 CW /CCW 方式。系统选用 CP /D IR 控制方 式, 选用微处理器的单边沿脉宽调制输 出 PWM 2( P017) 作为驱 动脉冲信号。 P01 5作为 电机使 能控 制 信号, P01 6作 为电 机转 动方向控制信号。由于电机驱 动器为大功 率输出器 件, 为 了减 少其对主控元件的影 响, 在微处理器 与电机控制 器之间采 用高 速光电隔离器 6N 137进行光电隔 离。 2. 3 其他电路模块 2. 3. 1 键盘
存储器主要用 来保存 控制 系统的 指令 参 数, 如电 机转 速、 控制精度和分度参数等。 考虑到 微处理 器自带 I2 C 总线接 口, 选用 I2 C 总 线接 口的 EEPROM 芯片 24AA 128, 其存 储 容量 为 128 K B, 能够较好地 满足系 统的 存储要 求。微处 理器 通过 I2 C 接收与之相连。 2. 3. 3 数据接收
YANG J-i sen, WAN W en- lue, ZHENG Fang-yan, ZHANG T ian-heng ( Engineerin g R esearch Center ofM echan ical T esting T echnology and E qu ipmen t, M in istry of E du cation, Chongq ing Un iversity of T echnology, Chongq in g 400050, Ch ina)
由于步进电机的 转动 角位 移与控 制脉 冲数成 线性 比例 关
系, 电机的转速与脉 冲频 率也成 正比。因 此, 可以 利用 微控 制 器的脉宽调制器 ( PWM )产生变频的 驱动脉 冲进行 电机位 移和 速度的驱动控制。
3. 1 脉冲当量与 驱动脉冲数 所选步进电机的步距角为 118b, 经过 驱动器 200倍 细分之
0 引言 时栅位移传感器 作为一种新型的绝对 式角位移 传感器, 采
用了 / 用时间测空间 0的时栅测量理论 [ 1] , 成本低、测量精度 高, 达到 ? 01 8d, 具有广泛市 场应用前 景。融合 时栅角 位移传 感器 为一体的时栅分度转 台, 可以实现 高精度分度 定位。时栅 分度 转台在实际应用的过 程中发现: 虽然 时栅分度转 台实现了 数字 化显示, 但是转动还 是依 靠转台 本身 的手轮 进行 转动 定位, 工 作效率不高。而且由于时栅分度转台的 定位精度 高 (分 辨率为 01 2d, 精度达到 ? 112d), 在人 工定 位过程 中很 不容易 实现 一次 性精确地定位, 经常 要反 复多次, 严 重影响 了时 栅分 度转 台的 工作性能。因此, 研制一套时栅分度转 台的自动 分度定位 控制 系统具有十分重要的 意义, 不仅可以 提高时栅分 度转台的 工作 性能, 而且可以进一步扩大其市场应用范围。 1 系统结构与控制模型
总共分为 7个速度分段, 控制模型如图 3所示。
图 3 电机速度控制模型 图 3( a) 中, f0 为电机驱动 脉冲的 起始频率 , 也 是速度 分段 一的起始频率, f1 为速度 分段 一的结 束频 率, 也是 速度 分段 二 的起始频率。微处理器的脉宽调 制器产生的 驱动脉 冲, 其 宽度 和占空比可以 分别通 过寄 存器配 置进 行任意 控制。对 于三 段
测分度转台的绝 对角 位移, 并反 馈给控 制系 统, 从而构 成一 个 全闭环控制系统, 保证分度转台能够精 确定位到 指定的目 标位 置, 其控制原理与控制模型如图 1所示。
图 1 系统结构与控制模型 2 硬件电路设计
为了满足低功耗、智 能化 的设计 要求, 整 个系 统以 高性 能 32位嵌入式 ARM 处理器 LPC2138为核心 [2- 3] , 设 计了 LCD 驱 动模块、电机驱动模块、键盘驱动 模块、存 储器模块 和一个 带光 电隔离的 RS- 232串行接口模块, 如图 2所示。 2. 1 LCD
20 10 年 第 7期
仪表技术与 传感器
Instrum ent T echn ique and Sensor
20 10 N o17
精密数控分度转台的控制系统设计
杨继森, 万文略, 郑方燕, 张天恒
(重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心 , 重庆 400050)
摘要: 融合了时栅传感器测量技术的高精度时栅分度转台, 在实际应用过程中出现了因定位精度高, 人工很难一 次性
微处理器通过串行 接口 ( UART 0)与 分度 转台进 行数 据传 送, 采用 SP3232EEA 作为串行接 口电平 转换芯 片, 连 接微 处理 器的串行接 口引脚 P010和 P011。采用迈威科技的 R S- 232全 信号串口无源隔离保 护器作为隔离保护 器, 提高 系统的抗 干扰
能力。 3 电机控制
为了能够有效地 抵抗 工作 现场的 油污、水 渍和 灰 尘等, 选 用薄膜键盘作为输入 装置。键 盘主要分为 数字键区、字母 键区 和特 殊功能 键区, 总共 34个 按键。采用 行列式 键盘的布 局 ( 5 行 @ 8列 )。为了减少微处理器扫描键 盘的工作负担, 选用专用 键 盘 扫 描 芯 片 MAX 7349, 微 处 理 器 的 外 部 中 断 引 脚 E INT3 ( P0130)与 M AX7349的按键 中断信 号相连, 微 处理器 通过 I2 C 接口读取键盘扫描值 。 2. 3. 2 存储器
根据设计目标要 求, 该控制系统的 主要能够 通过键盘 输入 运动方向、定位精度 和转 动角位 移等 控制指 令, 使分 度转 台按 照指令运动。分度 转台 中嵌入 的时 栅角位 移传 感器 实时 地检
基金项目: 国家自然科学基金项目 ( 50805150 ); 重庆市 科技攻关 重大项 目 ( CSTC2006AA 3010) 收稿日期: 2010 - 03- 11 收修改稿日期: 2010- 03- 31
( 2)
式中 S 为该次分度定位的驱动位 移量。
3. 2 分段式速度 控制
由于步进电机具有启动转速 较低, 随 着转动速 度的增 加输
出转矩下降的特 点, 而且分 度转 台的启 动转 矩较 大, 因 此为 了 避免高速启动时 发生堵 转和 高速突 然停 机发生 惯性 过冲 的情
况。对电机的驱动 采用分 段式 速度控 制, 主要 分为 加速 段、匀 速段和减速段 [ 4- 5] , 为了使电机快 速而平稳 地达到 设定的 最大 工作转速, 对其中的 加速段 和减 速段又 采用 三段 式进行 控制 ,
显示选用 6. 4寸 的真彩液 晶产品, 分 辨率为 640 @ 480, 显
96
Instrum ent T echn ique and Sensor
Ju l12010
图 2 驱动电路 示颜色达到 256色。微 处理 器通 过 I /O 接 口方 式与 液晶 控制 器相连, P0115~ P0122 作为 数 据 线, P01 13 作 为选 通 控 制 线, P01 11和 P01 12 分 别 作 为 写 信 号 与 读 信 号 控 制 线, P11 21 ~ P11 23作为控制寄存 器地 址线。由 于 LCD 控制 器的 工作 电压 为 + 5 V, 而微处理器的 I /O 引脚输出电平为 + 313 V, 因此用总 线驱动芯片 74LS245进行 电平 转换。显 示缓存 采用 SRAM, 将 显示缓存配置 为双层 叠加 显示 模式。将不 需要 经常 更新 的背 景内容放到底层, 而将需要实时更 新的显示内 容放到 顶层。简 化控制方式, 提高显示效率。 2. 2 电机驱动
度定位精度达到 ? 2d。
关键词: 时栅; ARM; 分度转台; 嵌入式; 闭环控制
中图分类号: TP393
文献标识码: A
文章编号: 1002- 1841( 2010) 07- 0095- 04
D esign of Control System for H igh Precision T im e G rating NC R otary Table
准确分度定位。针对该问 题, 利用高性价比的 ARM 嵌入式处理器 , 设计开发了一套基于时栅分度转台的自动分度定 位控
制系统。该系统采用步进 电机作为驱动装置, 利用转台中嵌入 的高精度时 栅角位移 传感器的角 位移测 量数据作 为反馈,
构成闭环控制, 采用分段控制、逐步逼近的控制算法, 达到高速、高精度分度定位的目的。实际应用表明: 该控制系统 的分
Abstract: The high precision tim e grating rotary table was used in the m ach in ing index ing. But it is genera lly d ifficu lt to use the tim e g rating wo rktable to index accura tely by turn ing the handwheel of rota ry tab le in second scale, and it is necessary to adjust and index in the pro cess. It has g rea t in fluence on the wo rk effic iency. Fo r so lv ing the prob lem, one tim e grating N C ro tary table system was designed and deve loped w ith the high advanced em bedded pro cessor ARM. The step mo tor is the driv ing equ ipm ent, and the angu lar m easuring data from the h igh precision tim e g rating sensor embedded in the ro tary tab le w as used as the feed contro l inform ation to construct one closed- loop contro l system. T he control algor ithm of segm entation contro l and successive approx im ation w as used to index h igh precision and high speed in the c losed- loop contro l sy stem. T he applica tion con fo rm s that the index ing prec-i sion of the contro l system reaches ? 2d. K ey word s: tim e g ra ting; ARM; index tab le; em bedded; c losed- loop contro l
式加速段或者减 速段中 的每 一个速 度分 段都可 以非 常方 便地 采用阶梯式变频加减速的控 制方案。图 3( b)是加 速分段 一的 放大效果图, $ t1 是频 率 变换 的周 期, $f1 是 频率 变 化的 增量 。 同理其他 6个速度分段的参数如表 1所示。
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$P = PD /Z = 01 000 05b( 01 18d)
( 1)
足够满足系统 ? 2d的分度精度要求。一次分度定位所输出
的脉冲总数为
N = S /$P
电机控制部分主 要选择 34H S300DZ 二相 混合步 进电 机和 SH - 2H 090M 二 相混合驱动器。最大静转矩 610 N# m, 最大空 载启动转速 240 r /m in. 电机 控制 方式有 2种 可选, 一种 是 CP / D IR 方式, 另一种是 CW /CCW 方式。系统选用 CP /D IR 控制方 式, 选用微处理器的单边沿脉宽调制输 出 PWM 2( P017) 作为驱 动脉冲信号。 P01 5作为 电机使 能控 制 信号, P01 6作 为电 机转 动方向控制信号。由于电机驱 动器为大功 率输出器 件, 为 了减 少其对主控元件的影 响, 在微处理器 与电机控制 器之间采 用高 速光电隔离器 6N 137进行光电隔 离。 2. 3 其他电路模块 2. 3. 1 键盘
存储器主要用 来保存 控制 系统的 指令 参 数, 如电 机转 速、 控制精度和分度参数等。 考虑到 微处理 器自带 I2 C 总线接 口, 选用 I2 C 总 线接 口的 EEPROM 芯片 24AA 128, 其存 储 容量 为 128 K B, 能够较好地 满足系 统的 存储要 求。微处 理器 通过 I2 C 接收与之相连。 2. 3. 3 数据接收
YANG J-i sen, WAN W en- lue, ZHENG Fang-yan, ZHANG T ian-heng ( Engineerin g R esearch Center ofM echan ical T esting T echnology and E qu ipmen t, M in istry of E du cation, Chongq ing Un iversity of T echnology, Chongq in g 400050, Ch ina)
由于步进电机的 转动 角位 移与控 制脉 冲数成 线性 比例 关
系, 电机的转速与脉 冲频 率也成 正比。因 此, 可以 利用 微控 制 器的脉宽调制器 ( PWM )产生变频的 驱动脉 冲进行 电机位 移和 速度的驱动控制。
3. 1 脉冲当量与 驱动脉冲数 所选步进电机的步距角为 118b, 经过 驱动器 200倍 细分之
0 引言 时栅位移传感器 作为一种新型的绝对 式角位移 传感器, 采
用了 / 用时间测空间 0的时栅测量理论 [ 1] , 成本低、测量精度 高, 达到 ? 01 8d, 具有广泛市 场应用前 景。融合 时栅角 位移传 感器 为一体的时栅分度转 台, 可以实现 高精度分度 定位。时栅 分度 转台在实际应用的过 程中发现: 虽然 时栅分度转 台实现了 数字 化显示, 但是转动还 是依 靠转台 本身 的手轮 进行 转动 定位, 工 作效率不高。而且由于时栅分度转台的 定位精度 高 (分 辨率为 01 2d, 精度达到 ? 112d), 在人 工定 位过程 中很 不容易 实现 一次 性精确地定位, 经常 要反 复多次, 严 重影响 了时 栅分 度转 台的 工作性能。因此, 研制一套时栅分度转 台的自动 分度定位 控制 系统具有十分重要的 意义, 不仅可以 提高时栅分 度转台的 工作 性能, 而且可以进一步扩大其市场应用范围。 1 系统结构与控制模型
总共分为 7个速度分段, 控制模型如图 3所示。
图 3 电机速度控制模型 图 3( a) 中, f0 为电机驱动 脉冲的 起始频率 , 也 是速度 分段 一的起始频率, f1 为速度 分段 一的结 束频 率, 也是 速度 分段 二 的起始频率。微处理器的脉宽调 制器产生的 驱动脉 冲, 其 宽度 和占空比可以 分别通 过寄 存器配 置进 行任意 控制。对 于三 段
测分度转台的绝 对角 位移, 并反 馈给控 制系 统, 从而构 成一 个 全闭环控制系统, 保证分度转台能够精 确定位到 指定的目 标位 置, 其控制原理与控制模型如图 1所示。
图 1 系统结构与控制模型 2 硬件电路设计
为了满足低功耗、智 能化 的设计 要求, 整 个系 统以 高性 能 32位嵌入式 ARM 处理器 LPC2138为核心 [2- 3] , 设 计了 LCD 驱 动模块、电机驱动模块、键盘驱动 模块、存 储器模块 和一个 带光 电隔离的 RS- 232串行接口模块, 如图 2所示。 2. 1 LCD
20 10 年 第 7期
仪表技术与 传感器
Instrum ent T echn ique and Sensor
20 10 N o17
精密数控分度转台的控制系统设计
杨继森, 万文略, 郑方燕, 张天恒
(重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心 , 重庆 400050)
摘要: 融合了时栅传感器测量技术的高精度时栅分度转台, 在实际应用过程中出现了因定位精度高, 人工很难一 次性
微处理器通过串行 接口 ( UART 0)与 分度 转台进 行数 据传 送, 采用 SP3232EEA 作为串行接 口电平 转换芯 片, 连 接微 处理 器的串行接 口引脚 P010和 P011。采用迈威科技的 R S- 232全 信号串口无源隔离保 护器作为隔离保护 器, 提高 系统的抗 干扰
能力。 3 电机控制
为了能够有效地 抵抗 工作 现场的 油污、水 渍和 灰 尘等, 选 用薄膜键盘作为输入 装置。键 盘主要分为 数字键区、字母 键区 和特 殊功能 键区, 总共 34个 按键。采用 行列式 键盘的布 局 ( 5 行 @ 8列 )。为了减少微处理器扫描键 盘的工作负担, 选用专用 键 盘 扫 描 芯 片 MAX 7349, 微 处 理 器 的 外 部 中 断 引 脚 E INT3 ( P0130)与 M AX7349的按键 中断信 号相连, 微 处理器 通过 I2 C 接口读取键盘扫描值 。 2. 3. 2 存储器
根据设计目标要 求, 该控制系统的 主要能够 通过键盘 输入 运动方向、定位精度 和转 动角位 移等 控制指 令, 使分 度转 台按 照指令运动。分度 转台 中嵌入 的时 栅角位 移传 感器 实时 地检
基金项目: 国家自然科学基金项目 ( 50805150 ); 重庆市 科技攻关 重大项 目 ( CSTC2006AA 3010) 收稿日期: 2010 - 03- 11 收修改稿日期: 2010- 03- 31
( 2)
式中 S 为该次分度定位的驱动位 移量。
3. 2 分段式速度 控制
由于步进电机具有启动转速 较低, 随 着转动速 度的增 加输
出转矩下降的特 点, 而且分 度转 台的启 动转 矩较 大, 因 此为 了 避免高速启动时 发生堵 转和 高速突 然停 机发生 惯性 过冲 的情
况。对电机的驱动 采用分 段式 速度控 制, 主要 分为 加速 段、匀 速段和减速段 [ 4- 5] , 为了使电机快 速而平稳 地达到 设定的 最大 工作转速, 对其中的 加速段 和减 速段又 采用 三段 式进行 控制 ,
显示选用 6. 4寸 的真彩液 晶产品, 分 辨率为 640 @ 480, 显
96
Instrum ent T echn ique and Sensor
Ju l12010
图 2 驱动电路 示颜色达到 256色。微 处理 器通 过 I /O 接 口方 式与 液晶 控制 器相连, P0115~ P0122 作为 数 据 线, P01 13 作 为选 通 控 制 线, P01 11和 P01 12 分 别 作 为 写 信 号 与 读 信 号 控 制 线, P11 21 ~ P11 23作为控制寄存 器地 址线。由 于 LCD 控制 器的 工作 电压 为 + 5 V, 而微处理器的 I /O 引脚输出电平为 + 313 V, 因此用总 线驱动芯片 74LS245进行 电平 转换。显 示缓存 采用 SRAM, 将 显示缓存配置 为双层 叠加 显示 模式。将不 需要 经常 更新 的背 景内容放到底层, 而将需要实时更 新的显示内 容放到 顶层。简 化控制方式, 提高显示效率。 2. 2 电机驱动
度定位精度达到 ? 2d。
关键词: 时栅; ARM; 分度转台; 嵌入式; 闭环控制
中图分类号: TP393
文献标识码: A
文章编号: 1002- 1841( 2010) 07- 0095- 04
D esign of Control System for H igh Precision T im e G rating NC R otary Table
准确分度定位。针对该问 题, 利用高性价比的 ARM 嵌入式处理器 , 设计开发了一套基于时栅分度转台的自动分度定 位控
制系统。该系统采用步进 电机作为驱动装置, 利用转台中嵌入 的高精度时 栅角位移 传感器的角 位移测 量数据作 为反馈,
构成闭环控制, 采用分段控制、逐步逼近的控制算法, 达到高速、高精度分度定位的目的。实际应用表明: 该控制系统 的分
Abstract: The high precision tim e grating rotary table was used in the m ach in ing index ing. But it is genera lly d ifficu lt to use the tim e g rating wo rktable to index accura tely by turn ing the handwheel of rota ry tab le in second scale, and it is necessary to adjust and index in the pro cess. It has g rea t in fluence on the wo rk effic iency. Fo r so lv ing the prob lem, one tim e grating N C ro tary table system was designed and deve loped w ith the high advanced em bedded pro cessor ARM. The step mo tor is the driv ing equ ipm ent, and the angu lar m easuring data from the h igh precision tim e g rating sensor embedded in the ro tary tab le w as used as the feed contro l inform ation to construct one closed- loop contro l system. T he control algor ithm of segm entation contro l and successive approx im ation w as used to index h igh precision and high speed in the c losed- loop contro l sy stem. T he applica tion con fo rm s that the index ing prec-i sion of the contro l system reaches ? 2d. K ey word s: tim e g ra ting; ARM; index tab le; em bedded; c losed- loop contro l
式加速段或者减 速段中 的每 一个速 度分 段都可 以非 常方 便地 采用阶梯式变频加减速的控 制方案。图 3( b)是加 速分段 一的 放大效果图, $ t1 是频 率 变换 的周 期, $f1 是 频率 变 化的 增量 。 同理其他 6个速度分段的参数如表 1所示。