简易单轴运动控制器的设计

４ 结论
步 进 电 机 在 较 高 速 度 下 运 行 要 取 得 较 好 的 定 位 精 度 必 须 考 虑 加 减 速 过程 ，本 文 介 绍 的 单 轴 单
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加减 速段 输 出最 大脉 冲 频率 至 少可 达 ２ ｋ ５。
［２ 第３卷 １１ ３ 第５ 期 ２１－ （ ０ １ ５下）
２２ 按键扫描程序 ． 按 键 扫 描 可 以在 定 时器 中 断 程 序 执 行 ，也 可 以在主程 序的 ｗ ｉ ｈｌ 环 部 分 （ 序 采 用 Ｃ 语 言 ｅ循 程 开发） 执行 ，这里相比较而言 ，后者更合适 ，因为 若 在 定 时 器 执 行 的 话 ，中 断会 由 于 变 量 的 压 出栈
＝
１
厶＝厂 — ＝ ＝ ＝ — Ｖ — ＝ ＝ ＝ —＝ — ２
１
＝ 一 ＝ 一
２
√ × ｃ× ２ ｃ
１
＝
浮点数乘除运算 ） ，根据式 （ 、（） ８ ５ 分别求 出 ｖ ） 由 求 出 装 载 定 时 器 Ｔ ０的 初 始 值 。 同样 可 以
，
（） ２
ｉ
的 应 用 经 验 证 明 ，将 一个 零件 分 成 很 多 局 部 进 行
Ｃ ＡＭ 造 型及 加 工 是 可 行 的 ，即 完成 了设 计 任 务 ，
又使 软件 运 行速 度成 级数 速率 提 高 。
脉 冲 后停 止 。 综上 所 述 ，定 时 器 Ｔ Ｏ流 程 如 图 ６所 示 ，右 侧 是 加 速 段 流 程 ，中 间 是 匀 速 段 流 程 ，左 侧 是减 速 段流 程 。
３ 试验 结果
运 动 控 制 器 参数 根 据 实 际 需要 设 定 ，试 验 中 ，
位 移设 定 为 ４０ ０脉 冲 ，最大 速 度为 ４０ ００ ０ ０脉 冲 ／， ｓ 加 速 度 为 ４０ ００脉 冲 ／ ，加速 过 程捕 获 的输 出脉 冲 ｓ 波 形 如 图 ７所 示 ，其 脉 宽不 到 ４ ｕ ，该 脉 宽 时 间 ０ｓ
周期 是 １ ４Ｕ ，允 许情 况 下 尽可 能提 高 振荡 周 期 ， ／ Ｓ ２
常结 合 ＤＳ 、删 Ｐ
一 起 使 用 。第 二种 采 用 了基 于
这样 可以提高输 出脉冲频率 ，由于 ｄＰＣ ０ ２ １ ｓＩ ３Ｆ ０ ０ 完成显示、按键 、单轴插补 等任 务 ，故 主程序循
环 扫 描 按 键 ，显 示 由 定 时 器 Ｔ ｌ完 成 ，定 时 器 Ｔ Ｏ
（ 南京工程学院 自动化学院， 南京 ２ １６ ） １１ ７
摘 要：本文介绍了一款简易单轴运动控制器的设计方法，该控制器仅用一片ｄ ＰＣ ｓ Ｉ芯片实现按键、显 示、单轴插补、１管理等功能。论文首先简单介绍了运动控制器的硬件实现及软件设计总体 ０ 思路 ，然后 重点阐述 了用定 时器中断实 现的单轴插 补算法 ，针对 同步 启动的直线 加减速脉 冲 生成 方法 的不 足 ，提 出了一种 延时启动 的加减速脉 冲生成方 法 ，试验 波形表明 ，用该方法 生
ｌ 訇 化 造
图２ 设 计造 型 、 加 工 造 型 、 二 维 造 型
６４ 化整为零提高运行效率 ．
在Ｐ Ｃ机 上 进行 三 维实 体 设计 ，当 零件 的 复 杂 程 度加 大 时 ，运 行 效 率 会 很 低 。 对 于 Ｃ Ｍ 来 说 ， Ａ
同样 会遇 到这 种 问 题 ，较 好 的 解 决 方 法 就 是 化 整 为 零 。ＣＡ 不 同于 Ｃ Ｄ，复 杂零件 如 果拆 开设 计 Ｍ Ａ 会 有很 多 麻 烦 ，Ｃ ＡＭ 则 是 完 全 可 以 的 。很 多企 业
文章编号 ：１０— １４ ２１ ）（ 一 ００ ０ ９ ０３（０１５下） ０１－ ４ ０
０ 引言
目前 运 动 控 制 器 主 要 有 两 种 ，一 种 主 要 是 以
专 用 运 动控 制 芯 片 或 Ｃ Ｌ Ｐ Ｄ、Ｆ ＧＡ方 式 存 在 ，通 Ｐ
频 ， 由于 时 钟 周期 是 ４倍 的振 荡 周 期 ，所 以 时 钟
、 Ｉ
訇 似
ｔ ｏ
ｔ ｌ
ｔ ２
图３ 延时 启动加速 曲线－ 脉冲图
曲线 １表 示 速 度 加 速 曲线 ，现 把 该 设 定 曲 线 延 时 时 间 ， 即 曲线 ２ ，在 曲线 ２初 始 时刻 发 首个 脉 冲 ，此时 速度 值
Ｖ ＝Ａ Ｃ １ ｌ ＣＸ０
由图 ３可知
成 的直线加减速脉 冲频率至少可达 ２１ ５ ，完全满足步进 电机最大 速度 要求 ，运动控制器参 数设 ＜ 置 灵活 ，在步进 电机精确定位控制场合有 一定应用 价值 。 关键词 ： 步进 电机 ； 动控制器 ；单轴 ；插补 运 中图分类号 ：Ｔ ０ Ｍ３１ 文献标 识码 ：Ａ
Ｄ ｉ１ ．９ ９ Ｊｉｓ ．０ ９ ０ ４ ２ １ ．（ ） ０ ｏ ： ３ ６ ／ ． ｎ １ ０ － １ ．０ １ ５ 下 ．４ ０ ｓ ３
而影 响 最 高输 出频 率 。ｗ ｉ 环 部 分 按键 扫 描 流 ｈｌ ｅ循 程如图 １ 所示 。显示 程 序 在 Ｔ１中断程 序 执 行 ，Ｔ１
定时 时 间为 ３ ，具 体过 程不 再详 述 。 ｍｓ
１ 硬件设计简介
简易 单 轴运 动 控 制器 仅 采 用 Ｍｉ ｏｈｐ公 司 的 ｃ ｃｉ ｒ ｄＰＣ ０ ２ １ ｓＩ ３Ｆ ００完成 显 示 、按键 、单 轴插 补 等任 务 ，
根据公 式 （ ）计 算速度值 ８
Ｐｓ
是 否 小 于 延 时
Ｙ
计 算 对 应 装 载 死的初 值
根据公式 （ ）计算速度值 ９
变 量ｋ ＋ ＋
计算对应 装载死的初值
图５ 无 匀速过程 的速度位移 曲线
脉冲输 出引脚清零
首 先 计算 中 间位 移 点 Ｐ ＝ Ｐ ／，并对 定 时 器 ２
做 单wk.baidu.com轴 插 补运 算 以及 脉 冲输 出 。 由于 ｄ ＰＣ３ Ｆ芯 ｓＩ ０
Ｐ Ｃ标 准 总 线 的运 动 控 制器 ，在硬 件 设 计上 采 用 板 卡 方 式 ，这 种 结构 的运 动 控 制 器 不 宜 长 期 工 作 在 环 境 恶劣 的 工 业现 场 ，另外 与 Ｐ Ｃ机 一起 使 用增 加 了应用 成 本 ，且增 大 了控 制 系统 的体 积 ｕ 。
（） ４
‘） ５
所 以
ｖ ＝Ａ ｃｔ＋ １ ２ ｅ（ ／ ｏ ）
图 １ 按 键 扫 描 流 程 图
： ＋
ｆ ｃ ＿ Ａｃ １） ｖ － ＝ ｌ ４
＿ ＿ ＿
（） ６
＝
去寺—１ １ （ ＝＝Ｘｘ ＝ —— 一（ ４Ａ￣Ｐ １ ２ｃ － ） — ｃ
ｖ ＝Ａｃ（ ＋ ｆ） ３ ｃｔ ＋ ２ ｏ
分析 得 出减速 过程 中
Ａｃ ｅ
￣ Ｖｉ
－ ．
＿
１
＝
Ｉ
ｖ ｘ Ｘ ｅｘ ￣ ｉ ［ ＡｅＰ ２
（） ３
１ －
（） ９
一
定时器 Ｔ Ｏ中断程序中根据式 （ ） ３ 实时计算下 时刻脉冲频率所对应的定时时间值 ，按此公式，
匀减 速初 始时 刻 ＇ 就 是加 速 过程 中达 到 的速 ，
精 度，下文介绍 了精确 定位过程 中实现任意直线
加 减 速 的 方 法 ， 如 图 ２所 示 ， 设 位 移 设 定 值 是
已 、 最 大 速 度 是 一 加 速 度 是 Ａ ｃ ｃ ，根 据 公
式
￣
２ 程序设 计
２１程序规划 ． ｄＰＣ ０ ２ １ 用 １Ｍ 外 部 晶 振 ， 内部 ８倍 ｓＩ３ Ｆ ０Ｏ采 ２
度 最大 值 。
ｄＰ Ｃ根 本 无法 实 时计 算 出该 值 。这 里介 绍一 种 延 ｓＩ
在 加 减 速过 程 中 ， 用 户设 置 的 位移 值 、 加 速
度 值 可 能 较 小 ， 最 大 速 度 值 又 可 能 较 大 ，所 以
第３卷 ３ 第５ 期 ２１— （ ） ［１ ０ １ ５下 １１
务ｌ 匐 出
简 易单轴运动控制器 的设计
Ｄｅ ｇｎ ｏ ｉ ｐｌ － ｘｉ ｏ ｉ ｓｉ ｆ ｓ ｍ ｅ ａｎ ａ ｓ ｍ ｔｏｎ ｃｏｎ ｒ ｌ ｔ ｏｌ ｅｒ
刘汉忠 ，周伯荣 ，李宏胜
Ｌ Ｕ Ｈａ ． ｈ ｎ 。 ｌ ｎ ｚ ｏ ｇ ＺＨＯＵ ｏ ｒ ｎ ， ｌ ｎ ． ｈ ｇ Ｂ ．ｏ ｇ Ｌ Ｈｏ ｇ ｓ ｅｎ
收稿日期：２ １－１ － ４ ０ ０ ２ ２
： ２ ｃ Ｘ ，Ｖ 为 实 时 速 度 ， 可 得 ｖ ＝ ￣Ａ ｃ ｎ
／ ＡｃＰ， ＝ — ｃ ． ２ — Ｘ Ｘ
基金项 目：江苏省 自 然科学基金项 目资助 （Ｋ ０９５ ） Ｂ ２０３０ 作者简介：刘汉忠 （９ ６ １７ 一），男，江苏武进人 ，讲师 ，研究方向为 电力电子与 电力传动。 １０ 第３ 卷 １１ ３ 第５ 期 ２ １— （ ） ０１ ５下
２３ 插补程序 ． 步 进 电 机 加 减 速 通 常 有 三种 方 法 ：直 线 加 减 速 、 指 数 加 减 速 、抛 物 线 加 减 速 ，后 两 种 方 法 ，
步 进 电机 可 能 因 为 升 降 速 太 快 而 丢 步 ，影 响 定 位
位 。剩 余 Ｉ 引脚接 限 位 、原点 开关 等 以备 扩充 。 Ｏ
显示 采用 ６位 数码 管 ，段码 数 据 通过 ｄ ＰＣ 的 Ｓ Ｉ ｓＩ Ｐ
接 口输 出至 ７ Ｌ １４ ４ Ｓ ６ ，后并 行输 出至数 码管 ，位选
数 据 通 过 ７ Ｌ １８译 码 后输 入 ７ Ｌ ２ ４ ４ Ｓ３ ４ Ｓ ４ ，其 输 出 引脚 接数 码 管 位 控 脚 。 按 键 采 用 独 立 式 键 盘 ，分 别 有 模 式 、 设 定 、移 位 、位 加 、运 行 、停 止 、复
时启动直线加减速脉冲生成方法。如图 ３ 所示
务ｌ
Ｄ Ｐ在运 算过程 中要判 断是 否有 匀速运动 过程 ， Ｓ
如 图 ４ 图 ５所 示 ，具 体方 法 如下 ： 、
Ｐｓ
ｌ 化 Ｉ ５
脉 冲输 出 引 脚 置 １ 计数变 量ｊ＋ ＋
Ｎ
速度是否小于
Ｙ
图４ 有 匀 速 过 程 的速 度位 移 曲 线
…
由此可 知 ：
一
＋ 等
（） ８
１－ —— ４
ｔ取值 越小 ，则实 际加 速 曲线越 逼近 给定 加 速 ｏ
ｔ １ ｔ ２ ｔ ３ ｔ ４
图２ 同步启动加速 曲线一 脉冲 图 １ １
２
曲线，这里为计算方便取 为 ０１， ． 由式 （）很容 ｓ ４ 易求出初始时刻 ｖ 一般将 ｖ 放大 １ 倍 ，以避免 （ Ｏ
图７ 加速段输 出脉冲 波形
主要是计算公式 （） ５ 所消耗的时 间，根据对 ８ 、（） 称性 ，在 减速段脉宽时 间相 同，匀速段不 需实时 计 算 下 一 时 刻 输 出脉 冲 频 率 大 小 ，其 脉 宽 可 以 通
过 延 时 来 获 得 ， 由此 可 见 ，用 该 方 法 ，控 制 器 在
片可 以实现 中断 欠套 ，这 样 把 定时 器 Ｔ Ｏ设 置为 最 高 中断优 先级 ，并 使能 中断欠 套功 能 。
本 文 介 绍 了一 款 简 易单 轴 运 动 控 制 器 ，其 仅 用一芯 片 实现 插补 和 １ 理 ，提供 多 种运 动方 式 ， ０管
位 移 、速 度 、加 速 度 等参 数 任 意 设 置 ，适 用 于 步 进 电机 的 精确 定位 控 制 。
Ｔ Ｏ输 出 脉 冲 数 进 行 计 数 ， 设 计 数 变 量 为 Ｊ 当 ，
．
７ Ｐ ＜ 时 ，实 时判 断 当前 速 度 是 否 到 达 设 定 的 最
大 速 度 值 ，若 到 达 ，则 记 录 当前 输 出 脉 冲 数 Ｐ ，
图６ 定时器Ｔ 中断程序流程 图 ０
根据对称性 ，可知在第 （ 个脉冲开始减速。 Ｐ 一Ｐ） 若 Ｊ＝ 时 ，当 前 速 度 依 ｌｄ 于 设 定 的最 大 速 度 Ｈ ， 值 ，则 系统 随 即开 始 减 速 ，两 者 都 直 至 输 出 个