小激光器步进电机控制系统应用研究 - 文章

小激光器步进电机控制系统应用研究

作者：唐钟周小伟袁小兵

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摘要：小激光器实验系统有多台混合式步进电机和反应式步进电机需要控制，无论是靶丸的空间位置调节，还是光路中波片的调节都离不开步进电机的精确控制。通过PCL839运动控制卡以及自行研制的电机控制切换器和控制软件，不仅能实现步进电机的精确运动控制，还能满足靶场的特殊控制要求，实现实时在线控制。
关键词：小激光器;步进电机;运动控制

Abstract：Small laser experiment system is made of many stepping motors.Wheher adjusting space position of target bolus,or glass patch in the ray road,is impossible without accurate controling stepping motor.By PCL839 control and motor control switch developed ourself, accurate and real-time control of stepping motor can be implemented.
Keywords: small laser; stepping motor; athletics control

1 引言

小激光器实验系统需要控制的设备有：一台同步系统、两台300J电源、4台20KJ电源、1个二极管电源、一套液晶光阀及三路步进电机控制;在靶场中有4路CCD图象采集、19路步进电机控制、真空度显示等。根据用户需求，小激光器计算机控制系统分为器件控制系统和靶场控制系统。光路准直、光斑图象移动、镜片转动等操作都离不开步进电机的转动，而如何对步进电机实现高精确的定位控制，是靶场控制系统的难点。采用工控机、PCL839运动控制卡与控制切换器等相结合组成的控制系统，不仅能满足靶场对电机转动的高精度要求，还能实现实时在线控制。

2 控制系统结构及功能

靶场控制系统实现对真空靶室真空抽取、靶丸的移动的控制，并实现光路的调整。靶室内有4台混合式电机，完成靶丸的移动操作。光路上有15台反应式电机，实现激光光束的传输。

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图1 靶场控制系统结构图

靶场控制计算机通过PCL839运动控制卡将控制信号分解，传输给电机控制切换器（自行研制），电机控制切换器细分控制信号（地址信号和脉冲数），然后将电平信号以及相应的脉冲数送到目的电机，以驱动电机。

3 PCL839卡

PCL839卡是研华公司提供的步进电机控制卡，能提供精确的控制脉冲，满足对步进电机的高精度和实时控制。

该卡主要有以下性能特点：

能同时独立对三轴步进电机进行控制，提供控制每轴的步进脉冲和转向信号;
电机控制信号输出与开关信号输入全部采用光电隔离;
提供16路输入输出TTL通道;全部功能与运动控制可由软件实现;
中断输入可由跳接插头选择。

4 步进电机驱动设计

4.1物理结构

电机驱动器硬件信号逻辑如下：

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最多30个电机复用驱动通道1，包括：PULSE, DIR, EL+, EL-, ORG, FREE。

4.2 驱动控制软件设计

电机对象类之间的关系如图2。MotionController:对PCL839卡封装;StepMotor:同MotionController是多对一的Client/Service关系。MotionController

提供服务队列，缓存StepMotor提交的命令申请;命令完成或报警发生时，MotionController调用StepMotor提供的报警方法。通过这种方式，StepMotor可以实现异步的服务请求。PCL839Service:StepMotor提交的命令申请被封装为PCL839Service。

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图2 电机对象类调用关系

以下是3个重要类对象的设计：

（1）PCL839Service。

PCL839Service表示一个电机请求命令。StepMotor产生该对象实例，在MotionController中保存，当任务完成后，StepMotor负责清除。

在MotionController中，使用STL deque保存PCL839Service。

（2）MotionController。

MotionController有以下运行参数：

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提供以下报警：

l Enabled返回false;表示设备可能故障;
l bool返回值false; 表示设备可能故障;
l Busy返回true; 表示电机在运行。

MotionController没有控制参数。MotionController没有实验数据。

MoveAsStep（）的处理流程：

1. StepMotor发出MoveAsStep请求，
2. PCL839将请求排入队列;
3. PCL839开始处理该请求，首先调用StepMotor.SetReady（）;
4. StepMotor.SetReady先设置运转参数，令电机Online, 再令电机开始运转;
5. PCL839发现电机停转后，令电机Offline, 再调用StepMotor.StepOver（）;
6. PCL839从请求队列中删除该请求。

Hold（）的处理流程：

1. StepMotor发出Hold请求，
2. PCL839将请求排入队列;
3. PCL839开始处理该请求，首先调用StepMotor.SetReady（）;
4. StepMotor.SetReady先设置运转参数，令电机Online;
5. StepMotor发出Release（）后，PCL839令电机Offline;
6. PCL839从请求队列中删除该请求。

（3）class StepMotor

异步命令将产生PCL839Service, 交由PCL839排队处理。如果完成PCL839将调用StepMotor的事件处理函数。

5 系统软件设计

软件操作的简易可靠、界面的美观是软件设计的基本原则。步进电机控制系统分为电机参数设置、电机选择、移动步数设置、前进/后退/停止四个步骤，为实现控制操作的直观便捷，将整个靶场电机排布图提供给用户，用户操作时直接点击需控制的电机，使得用户操作更加直观便捷，图3为控制操作界面。

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图3 步进电机控制系统软件

步进电机在刚开始转动时，转动速度较慢，经过几个时间脉冲才能达到正常速度，因此要控制电机的转动速度，必须设置两个速度值：最低FL和最高FH。

工程运用中，无论是靶丸的空间位置调节，还是光路的调节，都应该将步进电机当前转动步数（剩余步数）实时地反馈给用户，便于用户随时都可以根据靶丸和光路的情况对电机进行调节操作（前进/后退/停止）。研华PCL839步进电机驱动应用程序提供电机剩余脉冲数（步数）的查询接口，但经过测试发现反馈数值误差较大，通过多次实验，最终将类MotionController的状态反馈函数做了如下修改，主要代码：

unsigned int r0;
int status = Out_byte（0, 0x80）;
r0 = In_byte（1） & 0xFF;
r0 = （In_byte（2） & 0xFF）＊ 256 + r0;
r0 = （In_byte（3） & 0x3）＊ 65536 + r0;

6 结论

小激光器实验系统有多台不同种类的步进电机需要控制。由工控机、PCL839运动控制卡以及自行研制的控制切换器相结合组成了硬件控制系统，针对小激光器实验系统的具体要求，研制了特殊功能的控制软件，不仅能实现各种高精度定位、限位、自动轨迹等运动控制，还能满足靶场对步进电机的特殊控制要求，实现实时在线控制。

参考文献（References）：
[1] Taksshi Kenjo and Akira Sugawara, “Stepping Motors and Their Microprocessor Controls”, Second Edition, Oxford University Press, 1994
[2] F. Betin, M. Deloizy, and C. Goeldel, “Closed loop control of stepping motor drive: Comparison between PID control, self tuning regulation and fuzzy logic control,” Eur. Power Electron. J., vol. 8, no. 1–2, pp.33–39, June 1999.
[3]胡金明,侯石柱等.电磁调速电机控制系统的优化及维护应用.微计算机信息,2002（6）:41～43.
[4]刘少克,袁海洲,陆胜旺.步进电动机驱动的计算机控制方法[J].电气传动自动化,2000（4）:40-42.
[5]L. J. Lagin et al., “The Overview of the National Ignition Facility Distributed Computer Control System”, ICALEPCS 2001.
[6]P. VanArsdall B. Reed, R. Bettenhausen J. Spann, F. Holloway J. Wiedwald, M. Miller, “INTEGRATED COMPUTER CONTROL SYSTEM”, UCRL-LR-105821-97-3.
[7] S.M. Yang and E.L. Kuo. “Damping conml of two-phase hybrid stepping motors”, IEEE Trammtiom on Power Electronics, Vol. 18, No. 3, May 2003.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/17/2008)


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