基于PC的步进电机多轴运动控制策略研究_图文

《机床与液压》20041No18

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基于 PC 的步进电机多轴运动控制策略研究
张旭辉

(西安科技大学 , 西安 710054)
摘要 : 本文介绍一种用于自行研制的 ISA 总线多轴步进电机控制卡的控制策略 。借助于 PC 机丰富的软 、硬件资源 , 实 现了多轴联动控制 。将该控制策略用于多坐标联动管道环焊缝超声自动检测系统中 , 效果良好 。
关键词 : 多轴联动 ; 数字积分法 ; 控制卡 ; ISA 总线 中图分类号 : TH878 + 12   文献标识码 : A   文章编号 : 1001 - 3881 (2004) 8 - 055 - 2

Study on Control Strategy of Multi - axis Stepper Movement Based on PC

ZHANG Xu2hui ( X i’an University of Science and Technology , X i’an 710054 , China)

Abstract : The multi - axis stepper controlling card based on ISA bus was designed independently. Aided with the rich soft and hard re2

sources of PC , multi - axis simultaneous movement was realized. The control strategy was used in ultrasonic automatic testing system for

pipeline girth welds , the good effect was achieved.

Keywords : Multi - axis movement ; DDA ; Control card ; ISA bus

0  引言

粗插补 , 把扫查路径分为比系统当量步长大的段 , 每

多轴运动控制在自动检测与控制系统中很常见。 个插补段用软件及实时时钟中断控制实现精插补 , 插

插补算法是实现多轴联动控制的基础 , 也是难点所 补运算输出的脉冲经环行分配器 、步进电机驱动器驱

在 。插补运算方法很多 , 利用数字积分法 (DDA) 对 动步进电机移动一个当量步长距离 , 直到预定路径的

实现多轴联动插补比较简单 、方便的特点 , 研究多轴 终点 , 插补工作完成 , 系统停止检测 。

运动控制策略 , 实现了对多轴单独运动和联动运动的

系统中驱动程序是软件的最底层 , 完成 I/ O 端口

控制 。我们在开发管道环焊缝超声自动检测系统时 , 操作以及数据的输入输出等基本功能 。高层的软件调

采用此策略编制针对自行开发的多轴步进电机控制 用基本的 I/ O 函数去完成人机交互 、数据处理等功

卡的控制程序 , 实现了对管道环焊缝进行多种方式的 能 。这样有利于硬件接口电路的调试和查错 , 有利于

扫查 。

保证系统实时性 。另一方面 , 当硬件电路修改 (如控

基于 PC 的多轴步进电机控制卡[1] 是步进电机的 制卡上的地址选择开关变化) 后 , 只要修改底层的几

下位控制单元 , 与 PC 机构成主从式控制结构 。PC 机 个 I/ O 函数 , 上层软件的开发不必关心底层的细节 。

主要完成人机交互界面的管理 、控制系统的监测和控 2  运动控制方式的实现

制工作 ; 控制卡负责运动控制的细节 。每块控制卡可

运动控制 模 块 包 括 各 轴 单 独 运 动 和 联 动 运 动 控

以控制六轴步进电机 , 每轴可以输出脉冲和方向信 制 。

号 , 以控制电机的运转 ; 同时对外接限位信号做出处

(1) 单轴运动控制

理。

单轴有三个基本的运动类型 : 点动 ; 点位运动 ;

1  多轴运动控制基本策略

连续运动 。点动运动时 , 操作者按下键盘上某一键或

计算机根据设定的扫查条件 (扫查方式 、检测速 者鼠标 , 计算机立即启动控制卡输出一定频率的方波

度 、检测范围等) , 经过程序控制 , 发送控制字以及 脉冲 , 驱动步进电机运动 , 从而机械装置实现一维运

计数初值给多轴步进电机控制卡上的定时/ 计数器 动 。延时预定时间后 , 计数器停止输出方波脉冲 , 点

8253 , 启动计数器后输出一定频率的方波脉冲 , 脉冲 动结束 。点位运动和连续运动都是计算机自动控制运

经过环形分配器 CH250 、光电隔离 、功率驱动等电 行 。不同之处在于点位运动方式是到达预定距离自动

路 , 控制步进电机运动 , 从而带动机械装置按要求运 停止 , 而连续运动是接到行程开关信号或者报警信号

动 。各种参数的输入借助键盘采用人机对话方式 。

才停止运动 。

多轴步进电机控制卡上的定时/ 计数器 8253 编 程 , 用于实现三个步进电机的位置控制和速度控制 。 通过设定 8253 计数器的初值 , 实现对步进电机的速 度控制 ; 当前要求轨迹段运行结束后 , 触发软件中 断 , 计算机通过查询软件计数变量值获得当前检测装 置运行状态 。

(2) 多轴联动控制 多轴联动控制是针对较复杂运动路径或者曲线 、 曲面的加工路径控制算法 。计算机对设定的运动路径 进行插补运算 , 插补的结果换算为控制信号和计数器 初值赋给控制卡 , 控制卡控制多个步进电机完成插补 运动 。各轴控制电机从动作开始到停止为止的时间必

具体编程时 , 先开发基本的运动控制函数 。针对 不同的检测对象和预定的扫查路径 , 由插补软件进行

须相等 , 并根据这个时间来确定输出脉冲的周期 。以 三轴联动为例 , 时间参数按下式决定 :

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《机床与液压》20041No18

Tγ0 = A ×Pmax/ Pγ Tθ0 = A ×Pmax/ Pθ TZ0 = A ×Pmax/ PZ 其中 Pmax = max ( Pr , Pθ, Pz) 。用时间参数来调 整脉冲的周期 。常数 A 是步进电机不发生振动的最 快回转速度 , 要用实验方法确定其值 。 数字积分法 (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 , 相关资料较多[2 ,3] 。 曲面可以由空间曲线合成 , 空间曲线可以用空间
直线逼近 , 所以空间直线插补应用较多 。空间直线插 补与平面直线的原理相同 , 只需要增加一个 Z 轴的累 加器 , 每进行一次插补 , 对三个累加器分别累加 。哪 一轴的累加器有溢出则该轴进给一步 。空间直线的终

点判别可以每一轴各设一个终点判别计数器 , 分别进 行终点判别 , 哪一轴到终点即停止进给 。
上述直线 插 补 方 法 不 足 之 处 在 于 各 插 补 轴 为 平

面或者空间直角坐标系坐标轴 。如果插补轴含有旋转

坐标或插补轴超过三坐标时 , 时间参数不能计算 。我 们使用更广泛意义的时间参数计算式[4] 。

设 n 坐标线性插补中某段数据为 : { P1 , P2 , P3 , …, Pn , v} 其中 , P1~ Pn 为各插补坐标位移量 , v 为合成速度 。 根据多轴联动插补原理 , 各插补轴的位移和速度 之比相等 , 则有 :

|

P1| v1

| =

P2| v2

=

…= |

Pn| vn

=

P v

=

Tcon

其中 P 表示合成位移 , P = P21 + P22 + …+ P2n ; Tcon 表示联动运行时间; υi 为各插补轴运动速度 , 是合 成速度在各插补轴的分速度 。

3  系统运动控制的误差控制 采用步进电机组成开环控制系统 , 无需反馈就能
对位置和速度进行控制 , 但前提是步进电机就必须正 确响应每次励磁变化 。如果励磁频率选择不当 , 电机 不能够移到新的位置 , 那么实际的负载位置相对控制 器所期待的位置出现永久误差 , 即发生失步现象或过

冲现象 。步进电 机开环控制

系统中 , 如何防止失步和过 冲是 开 环 控 制 系 统 能 否 正 常

运行的关键 。为了克服失步

和过冲现象 , 应在步进电机 启停时进行如图 1 所示的升 降速控制 。

图 1  步进电机升降   速运行曲线

从图 1 可以看出 , L2 段为恒速运行 , L1 段为升 频 , L3 段为降频 , 如果在 L1 及 L3 段上升及下降的 控制频率变化大于步进电机的响应频率变化 , 步进电 机就会失步 , 失步会导致步进电机停转 , 经常会影响 系统的正常工作 , 因此 , 在步进电机变速运行中 , 必 须进行正确的升降速控制 。

多轴步进电机控制卡上的定时/ 计数器 8253 编程 为工作方式 3 ( 方波发生器方式) , 通过设定 8253 计 数器的初值 , 实现对步进电机的速度控制 , 计数初值 的多次重装就可以阶梯波方式调节环形分配器 CH250 的输入时钟频率大小 , 从而实现步进电机的加减速控 制。

4  结论 基于 PC 的超声自动检测装置控制系统已成功地
用于管道环焊缝超声自动检测系统 , 具有结构简单 、

性能稳定 、调速方便 、实现技术经济指标合理等特

点 , 可广泛地用于精密测试 、无损检测等领域 。可广 泛用于精密测量等自动检测与控制系统 。

参考文献

【1】马宏伟 , 张旭辉等 1 一种基于 ISA 的步进电机多轴联 动控制卡 1 组合机床与自动加工技术 , 2002 (3) : 12~

141 【2】全国数控培训网络天津分中心编 1 数控原理 1 机械工
业出版社 , 19971 【3】任玉田等 1 机床计算机数控技术 1 北京 : 北京理工大
学出版社 , 19961 【4】付云忠 , 富宏亚等 1 多轴联动线性插补及其速度的理
解 1 组合机床与自动化加工技术 , 2001 (8) : 42~431 作者简介 : 张旭辉 : 男 , 30 岁 , 汉族 , 陕西省凤翔县 人 , 西 安 交 通 大 学 博 士 生 。电 话 : 13186055295 , 029 -

5583056

收稿时间 : 2003 - 07 - 16

(上接第 71 页) 参考文献
【1】王 树 青 1 先 进 控 制 技 术 及 应 用 1 化 学 工 业 出 版 社 , 20001
【2】席裕庚 1 预测控制 1 国防工业出版社 , 19931 【3】Cutler. C. R. Dynamic Matrix Control Computer Control al2

gorithm. JACC , 19801 【4】方兴其 , 许晓鸣 , 席裕庚 1 线性时变系统的动态矩阵
控制 1 上海交通大学学报 , 1994 , 28 (4) : 34~381 作者简介 : 李广法 , 男 , 1978 年生 , 西安交通大学硕 士生 , 研究方向为机电过程的计算机监控 。电话 : 029 2674453 , E - mail : gfli426 @1com。
收稿时间 : 2003 - 07 - 28


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