本文介紹了基于ADT-MC020嵌入式數(shù)控控制器通過串口和PC機(jī)通信，設(shè)計(jì)通過光柵尺反饋的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，分析了精確定位誤差的原因及其解決方法。

該系統(tǒng)已用于游標(biāo)卡尺激光打標(biāo)和精確送料裝置中。
　　　　
　　1 引言
　　

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式控制系統(tǒng)作為裝備工業(yè)的大腦快速地被應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)中。
　　

　　嵌入式控制系統(tǒng)由于其體積小、性價(jià)比高、針對(duì)性強(qiáng)、抗干擾能力好等特點(diǎn)快速不斷地進(jìn)入了數(shù)控行業(yè)各個(gè)領(lǐng)域。
　　

　　游標(biāo)卡尺由于是一種精密地測(cè)量?jī)x器，那么其生產(chǎn)的廠家對(duì)卡游標(biāo)尺本身的刻度打標(biāo)要求就非常高。現(xiàn)代化生產(chǎn)中必須要考慮生產(chǎn)效率，而生產(chǎn)效率又與操作方便、生產(chǎn)速度等因素相關(guān)。本文設(shè)計(jì)了采用PC機(jī)上位機(jī)發(fā)控制指令，下位機(jī)是ADT-MC020嵌入式數(shù)控控制器控制伺服加光柵尺的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，滿足了以上要求。
　　
　　2 工作原理
　　

　　首先在上位機(jī)（PC機(jī)，以下稱上位機(jī)）編輯好要加工的數(shù)據(jù)文件，然后通過上位機(jī)的串口向下位機(jī)（MC020嵌入式控制器，以下稱下位機(jī)）發(fā)送指令，下位機(jī)接收到正確的指令后，開始向伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令，當(dāng)伺服運(yùn)行到位后，下位機(jī)通知上位機(jī)繼續(xù)發(fā)下一個(gè)命令，以此循環(huán)。
　　
　　工作流程圖如圖1所示。
　　

　　
　　3 游標(biāo)卡尺激光打標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　

　?。?） 上位機(jī)系統(tǒng)
　　

　　上位機(jī)控制系統(tǒng)是由VC開發(fā)的控制軟件，在上位機(jī)上可以按使用者的要求，先通過一些簡(jiǎn)單的設(shè)定，系統(tǒng)便可以生成需要的圖形。比如卡尺刻度之間的間隔，激光打的刻度線的長(zhǎng)短，工制還是英制或兩者都有。生成好圖形客戶可以先預(yù)覽，看是否滿足要求。
　　

　　在選擇好循環(huán)打標(biāo)或單次打標(biāo)后，按開始按鈕后，計(jì)算機(jī)便通過串口發(fā)出規(guī)原點(diǎn)命令，下位機(jī)接收到回原點(diǎn)命令后，馬上執(zhí)行回原點(diǎn)的任務(wù)，當(dāng)回到原點(diǎn)后，發(fā)信號(hào)給上位機(jī)，上位機(jī)馬上控制振鏡和激光發(fā)生器打出0刻度線（刻度線的長(zhǎng)短在上面生成的圖形中已經(jīng)規(guī)定），等打完0刻度線后，上位機(jī)馬上發(fā)出再走一個(gè)刻度的命令，在下位機(jī)通過一系列的調(diào)整，保證精度后，重復(fù)上面的動(dòng)作。
　　

　　整個(gè)系統(tǒng)控制流程結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
　　

　 　圖2 控制流程結(jié)構(gòu)圖
　（2） 串口通信
　　

① 串口通信協(xié)議
　　

通信協(xié)議是指通信雙方共同遵守的交換數(shù)據(jù)的格式?，F(xiàn)在我們制定的通信協(xié)議只需考慮信息在線路中的傳輸規(guī)則。
　　

本文所使用的串口通信協(xié)議如表1所示。這樣上、下位機(jī)的相互通信就得以實(shí)現(xiàn)。
　　

　　　 表1 通信協(xié)議幀格式
　　

② 串口通信的程序流程圖如圖3所示。
　　

本系統(tǒng)中，上位機(jī)在得到按鈕信號(hào)或得到下位機(jī)發(fā)回到位得信號(hào)，上位機(jī)就可以隨時(shí)發(fā)出讓下位機(jī)執(zhí)行的指令；而上位機(jī)接收下位機(jī)指令是采用查詢的方式，看下位機(jī)是否有給它發(fā)新信息；
　　

下位機(jī)MC020接收和發(fā)送信息都是利用串口中斷，當(dāng)自己接收到新信息或要向上位機(jī)發(fā)送新信息，都將進(jìn)入串口中斷服務(wù)子程序。這樣利用中斷處理異步事件，使之與上位機(jī)收、發(fā)信息同步，而又不影響做其他工作。
　　

　　 圖3　串口通信流程圖
（3）　下位機(jī)系統(tǒng)
　　

下位機(jī)是本系統(tǒng)中精度的控制者和保證者，它關(guān)系到游標(biāo)卡尺最后打標(biāo)是否合格。
　　

如圖2所示，首先下位機(jī)在接收到上位機(jī)的位置命令后，經(jīng)過校驗(yàn)和處理發(fā)給了伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服設(shè)成位置控制模式，伺服電機(jī)本身帶有光電編碼器，它會(huì)反饋伺服電機(jī)走的位置是否與下位機(jī)的給定值相等，進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié)，這便構(gòu)成了位置環(huán)1。但位置環(huán)1只是反應(yīng)了伺服走的位置，也就是伺服電機(jī)轉(zhuǎn)的圈數(shù)，但如果絲桿、導(dǎo)軌等有誤差，就不能反應(yīng)出來，即不能反應(yīng)目標(biāo)位置的最終情況，所以位置環(huán)1只是半閉環(huán)。
　　

加上光柵尺檢測(cè)目標(biāo)的最后位置，并把這個(gè)位置反饋給下位機(jī)MC020控制器，MC020再與上位機(jī)的給定位置值進(jìn)行比較，再次進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié)，這樣構(gòu)成了位置環(huán)2，最終使目標(biāo)達(dá)到上位機(jī)給定的命令值的位置，從而完成精確定位。
　　

游標(biāo)卡尺打標(biāo)的雙環(huán)精確定位流程圖如圖4所示。
　　

　　 圖4 雙位置環(huán)定位程序流程圖
　　
　 4 位置誤差產(chǎn)生原因及解決方案
　　

（1） 原點(diǎn)誤差
　　

在運(yùn)動(dòng)控制中，現(xiàn)在很多機(jī)器上安裝的原點(diǎn)開關(guān)一般是機(jī)械式的或光電開關(guān)，機(jī)械開關(guān)本身有一定的彈性變形范圍，而且用久了后彈片的彈性系數(shù)和機(jī)械磨損帶來的位置偏差都將發(fā)生變化；光電感應(yīng)開關(guān)本身有一定的感應(yīng)范圍，即左邊沿到右邊沿的范圍；而每次電機(jī)以一定的速度回到原點(diǎn)時(shí)，在其慣性的作用下不可能剛好停在開關(guān)的感應(yīng)邊沿上。
　　

基于以上原因，我們可以讓電機(jī)先以一個(gè)較高的速度回到原點(diǎn)開關(guān)的感應(yīng)范圍內(nèi)，再讓電機(jī)以一個(gè)較低的速度向離開原點(diǎn)的方向走，下位機(jī)控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電機(jī)一離開原點(diǎn)開關(guān)馬上停止；接著讓電機(jī)以一個(gè)很低的速度向原點(diǎn)開關(guān)的方向走，下位機(jī)控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電機(jī)一碰到原點(diǎn)開關(guān)馬上停下來。
　　

用以上方法，既可以讓電機(jī)以高速回零，提高效率，又保證將每次回零的誤差降到最低。而對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來講，每次打標(biāo)的起點(diǎn)都一致。
　　

（2） 控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器脈沖匹配產(chǎn)生的誤差
　　

下位機(jī)控制器把位置值按脈沖的個(gè)數(shù)發(fā)給執(zhí)行單元伺服驅(qū)動(dòng)器的寄存器中，但伺服電機(jī)以不同的速度走，走完所有的脈沖所用的時(shí)間就不同，如果在伺服電機(jī)還沒真正停穩(wěn)的時(shí)候去讀光柵尺檢測(cè)的實(shí)際位置值，再把這個(gè)偏差發(fā)給伺服，伺服降超過命令給定值。
　　

而且由于伺服沒真正的停下來，這時(shí)去檢測(cè)，可能檢測(cè)的是一個(gè)中間值，而這個(gè)中間值有可能就在精度要求的范圍內(nèi)，進(jìn)而控制器跳出對(duì)精度的調(diào)整，但伺服電機(jī)還在走，當(dāng)其真正停下來時(shí)位置勢(shì)必引起偏差。
　　
　 基于以上原因，基本可用兩種方法解決。第一，可以用伺服驅(qū)動(dòng)器上的定位完成信號(hào)輸出給下位機(jī)控制器，讓下位機(jī)控制器知道下面伺服真正走到位了。但要注意：很多伺服驅(qū)動(dòng)器并不是等所有的脈沖都發(fā)完才輸出這個(gè)信號(hào)，而是當(dāng)達(dá)到一定脈沖數(shù)時(shí)就輸出此信號(hào)，所以必須把伺服驅(qū)動(dòng)器中此控制定位完成的脈沖數(shù)調(diào)到一個(gè)恰當(dāng)值。第二，就是給電機(jī)發(fā)了校正脈沖后適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)一段時(shí)間，延時(shí)后再去檢測(cè)光柵尺的實(shí)際位置，然后再去校正。
　　

由于游標(biāo)卡尺打標(biāo)本身要求精度高，如果電機(jī)多走出幾個(gè)脈沖，那它的偏差就多幾個(gè)μm，是不允許的，所以必須控制好偏差的調(diào)節(jié)。
　　

（3） 光柵尺的安裝即環(huán)境溫度造成的讀數(shù)誤差
　　

本系統(tǒng)的精度就是依靠光柵尺做最后保證，那光柵尺本身的精度就至關(guān)重要。首先光柵尺的安裝要保持光柵尺內(nèi)部的玻璃刻線條與運(yùn)行的導(dǎo)軌平行，光柵尺的讀數(shù)滑塊連的運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)的運(yùn)行軌道要與光柵尺內(nèi)部的玻璃刻線條保持平行。而支撐滑臺(tái)的導(dǎo)軌和絲桿本身的質(zhì)量自然也要有保證。
　　

令一個(gè)方面就是環(huán)境溫度對(duì)最后測(cè)量的影響，由于溫度的變化會(huì)造成光柵尺內(nèi)部玻璃刻線條的熱脹冷縮的變化，以致造成最后讀書偏差。所以一定的溫度。
　　
　　5 結(jié)束語(yǔ)
　　　

隨著國(guó)家制造業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)國(guó)家的裝備業(yè)要求也越來越高，尤其在快速定位和精度要求較高的系統(tǒng)中，對(duì)定位精度就提出更高的要求。本設(shè)計(jì)方案在游標(biāo)卡尺激光打標(biāo)中獲得了成功應(yīng)用。
　　

參考文獻(xiàn)：
　　

【1】 徐建軍主編。MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用及接口技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2003。
　　

【2】 郭慶鼎，王成元。交流伺服系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社。1996。

（提供： 深圳市眾為興數(shù)控技術(shù)有限公司 ，作者：魏德軍 ，）