雙步進(jìn)尋跡跟蹤示教裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李永梅，遲英姿，張衛(wèi)芬

（東南大學(xué) 成賢學(xué)院 機(jī)械工程系，江蘇 南京 210088）

0 引言

利用伺服系統(tǒng)完成跟蹤掃描任務(wù)的示教裝置是一種特殊裝置。該裝置需要在兩個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)位置控制，即雙坐標(biāo)控制。在目前的制造業(yè)、科研和軍事等各領(lǐng)域內(nèi)大量應(yīng)用到雙坐標(biāo)或多坐標(biāo)位置控制系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，目標(biāo)是掃描或者是對(duì)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的跟蹤。因此，掌握這種裝置的設(shè)計(jì)特別是如何通過(guò)軟件算法形成給定掃描軌跡或配合傳感的快速跟蹤，對(duì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的加工系統(tǒng)、立體倉(cāng)庫(kù)中堆垛機(jī)的平面移動(dòng)系統(tǒng)、平面繪圖儀的繪圖系統(tǒng)、機(jī)械手、搬運(yùn)檢測(cè)裝置以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)等領(lǐng)域都有深遠(yuǎn)的意義。

1 示教裝置的功能

圖1為雙步進(jìn)尋跡跟蹤應(yīng)用實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)圖，該運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要完成兩個(gè)任務(wù)：一個(gè)是在屏幕上實(shí)現(xiàn)給定曲線(xiàn)或圖形的掃描與顯示；另一個(gè)則是對(duì)屏幕上動(dòng)點(diǎn)“靶”的快速跟蹤。前者是針對(duì)激光束（輕負(fù)載）加工或者繪圖機(jī)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)裝置，后者則是針對(duì)掃描搜索特別是雷達(dá)攝像頭之類(lèi)的設(shè)備。兩種功能具有不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c技術(shù)要求，但其主要任務(wù)都是實(shí)現(xiàn)給定曲線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)生成。

2 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

為了使雙步進(jìn)掃描實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能在屏幕上形成給定曲線(xiàn)的軌跡，采用一種“模板”示教裝置。在屏幕上用黑紙帶貼出給定曲線(xiàn)，通過(guò)示教裝置，手動(dòng)控制激光頭光點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，用目測(cè)判斷激光點(diǎn)的位置是否貼合曲線(xiàn)，然后手動(dòng)操縱輸入裝置，使其向微控制器發(fā)出脈沖信號(hào)；微控制器將接收到的信號(hào)處理后，經(jīng)L297+L298向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)激光頭的位置控制，使其打在屏幕上的光點(diǎn)緊貼黑帶軌跡移動(dòng)。該裝置在跟蹤移動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)單片機(jī)對(duì)X軸和Z軸的坐標(biāo)進(jìn)行記憶和存貯，除此還需要對(duì)兩軸的坐標(biāo)能夠進(jìn)行編輯，一旦跟蹤移動(dòng)發(fā)生錯(cuò)誤可以刪除前一次操作，當(dāng)跟蹤結(jié)束后，撤掉黑帶，可以進(jìn)行復(fù)現(xiàn)掃描。因此，該示教裝置有3項(xiàng)技術(shù)要點(diǎn)：①在外部專(zhuān)門(mén)做成步進(jìn)電機(jī)的接口電路，可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)電路和減輕主控制器的負(fù)擔(dān)；②時(shí)間響應(yīng)的適配很重要，通過(guò)直線(xiàn)步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，防止人手操縱時(shí)激光束跑得過(guò)快或過(guò)慢；③整個(gè)示教操作要簡(jiǎn)便，通過(guò)軟件可以實(shí)現(xiàn)在輸入模塊中自動(dòng)修正錯(cuò)誤的功能。

圖1 雙步進(jìn)尋跡跟蹤應(yīng)用實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

3 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)示教裝置的功能要求，設(shè)計(jì)出了一種基于串行口在線(xiàn)下載的單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。采用帶有ISP功能的AT89S52單片機(jī)作為主控制器進(jìn)行主要的信息處理，接收外部鍵盤(pán)發(fā)出的指令，形成各種控制信號(hào)，用于控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

3.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)［1］。該示教裝置采用螺桿作為電機(jī)輸出軸，在電機(jī)外部通過(guò)一個(gè)外部驅(qū)動(dòng)螺母和螺桿相嚙合，從而實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。這樣做可以大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，能夠在不安裝外部機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置的情況下，直接使用直線(xiàn)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)精密的線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)螺距為4mm，螺桿為4頭，步距角為1.8°，按此計(jì)算，每個(gè)步距角螺桿上的螺母走0.04mm，工作方式為雙極性?xún)上嗨呐模罡哳l率取1 200Hz，則每秒跟蹤頭可達(dá)48mm，如果沿斜直線(xiàn)走則速度可達(dá)到68mm／s。

L297單片步進(jìn)電機(jī)控制集成電路適用于雙極性?xún)上嗖竭M(jìn)電機(jī)或四相單極性步進(jìn)電機(jī)的控制，與兩片H橋式驅(qū)動(dòng)芯片L298組合，組成完整的步進(jìn)電機(jī)固定斬波頻率的PWM恒流斬波驅(qū)動(dòng)器［2］。

L298N是一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。采用L297和L298實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理見(jiàn)圖2，該電路為固定斬波頻率的PWM恒流斬波驅(qū)動(dòng)方式，適用于兩相雙極性步進(jìn)電機(jī)，最高電壓46V，每相電流可達(dá)2A。用兩片L298和一片297配合使用，可驅(qū)動(dòng)更大功率的兩相步進(jìn)電機(jī)。該模塊只要求微控制器提供兩個(gè)輸入，一個(gè)是高低電平，表明電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向；另一個(gè)則是脈沖輸入，輸入一個(gè)脈沖，坐標(biāo)軸將走0.04mm。

圖2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理

3.2 鍵盤(pán)輸入模塊設(shè)計(jì)

該裝置需要通過(guò)鍵盤(pán)來(lái)操控激光頭。一次正常的按鍵動(dòng)作大概需要0.4s，如果脈沖頻率為500Hz，則按一次就發(fā)出200個(gè)脈沖，激光束在屏幕上移動(dòng)200×0.04=8mm，這樣目測(cè)與手感比較適應(yīng)，分別按下X軸鍵和Z軸鍵就能較方便地跟蹤屏幕曲線(xiàn)。如果實(shí)際操作不適應(yīng)，則可以調(diào)整脈沖頻率，即通過(guò)程序控制能調(diào)出目測(cè)與手感的最佳協(xié)調(diào)方案。在這種情況下，如果微控制器電路采用分列式鍵盤(pán)，顯然浪費(fèi)硬件資源。本示教裝置采用ZLG7290B作為接口芯片的鍵盤(pán)方案。ZLG7290B是由廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司自行設(shè)計(jì)的數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)及鍵盤(pán)掃描管理芯片［3］，能夠直接驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管，同時(shí)還可以?huà)呙韫芾矶噙_(dá)64只按鍵。示教裝置需要的按鍵有：X+，X-，Z+，Z-，刪除按鈕，記憶按鈕，自動(dòng)掃描按鈕，復(fù)位按鈕。

3.3 顯示連接模塊

ZLG7290B除了接按鍵，還能夠自動(dòng)消除抖動(dòng)，因此用ZLG7290B連接顯示屏。ZLG7290B通過(guò)I2C接口與MCU進(jìn)行串口通信，I2C總線(xiàn)接口傳輸速率可達(dá)32kb／s。ZLG7290B應(yīng)用中應(yīng)注意：①ZLG7290B一定要放在控制面板上，否則容易造成顯示混亂、按鍵失靈等故障；②復(fù)位引腳由主控制器直接控制，每隔幾分鐘強(qiáng)制復(fù)位一次，可有效防止偶爾由于電磁干擾而產(chǎn)生的顯示不正常和按鍵失靈的現(xiàn)象；③降低晶振頻率，I2C總線(xiàn)的通信速率也應(yīng)適當(dāng)降低。

4 示教裝置系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

跟蹤示教裝置軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)，分為主控模塊、鍵盤(pán)輸入模塊及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。根據(jù)示教裝置的要求采用C語(yǔ)言編寫(xiě)鍵功能板的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)X方向和Z方向的單步跟蹤，跟蹤結(jié)束后根據(jù)掃描軌跡快速聯(lián)動(dòng)。另外，鍵功能板還應(yīng)當(dāng)具有編輯功能，如刪除、記憶、復(fù)位、快速掃描等。由于單片機(jī)的引腳P3.2和ZLG7290B芯片相連接［4］，因此一旦有按鍵按下，程序便轉(zhuǎn)入鍵功能子程序，從而完成判斷鍵值并驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的工作。編寫(xiě)鍵功能子程序是軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，定義按鍵1、2、3、4、5、6、7、0分別為步進(jìn)電機(jī)1正反、步進(jìn)電機(jī)2正反轉(zhuǎn)、存儲(chǔ)本次操作、刪除前次操作、復(fù)位以及快速掃描按鍵。使用硬件I2C對(duì)ZLG7290B進(jìn)行讀鍵值的操作，利用中斷方式進(jìn)行鍵功能的編程。鍵功能子程序流程圖如圖3所示。

圖3 鍵功能子程序流程圖

5 總結(jié)

本文主要完成對(duì)雙坐標(biāo)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，隨著電子技術(shù)、自動(dòng)控制和傳感器技術(shù)的發(fā)展，這一領(lǐng)域?qū)?huì)得到更大的發(fā)展空間。將一條幾乎不可能用算法函數(shù)表達(dá)的復(fù)雜曲線(xiàn)，通過(guò)“靠?！钡姆椒ù鎯?chǔ)下來(lái)。只要用手動(dòng)和人眼觀(guān)察跟蹤一次，就可以將程序固定下來(lái)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

［1］ 王鵬飛.基于PC的數(shù)控加工平臺(tái)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2003：23-25.

［2］ 吳亞軍.數(shù)字閥控缸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)及特性研究［D］.呼和浩特：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2010：18-22.

［3］ 馮成.基于模糊PID的原油井筒加熱電源的溫度控制方法［D］.沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2008：12-17.

［4］ 毛玉良.微機(jī)系統(tǒng)原理及應(yīng)用［M］.南京：東南大學(xué)出版社，2006.