雙步進尋跡跟蹤示教裝置的控制系統設計

李永梅，遲英姿，張衛芬

（東南大學 成賢學院 機械工程系，江蘇 南京 210088）

0 引言

利用伺服系統完成跟蹤掃描任務的示教裝置是一種特殊裝置。該裝置需要在兩個方向上實現位置控制，即雙坐標控制。在目前的制造業、科研和軍事等各領域內大量應用到雙坐標或多坐標位置控制系統的聯動，目標是掃描或者是對動態運動點的跟蹤。因此，掌握這種裝置的設計特別是如何通過軟件算法形成給定掃描軌跡或配合傳感的快速跟蹤，對經濟型數控機床的加工系統、立體倉庫中堆垛機的平面移動系統、平面繪圖儀的繪圖系統、機械手、搬運檢測裝置以及實驗教學等領域都有深遠的意義。

1 示教裝置的功能

圖1為雙步進尋跡跟蹤應用實驗裝置的結構圖，該運動實驗系統主要完成兩個任務：一個是在屏幕上實現給定曲線或圖形的掃描與顯示；另一個則是對屏幕上動點“靶”的快速跟蹤。前者是針對激光束（輕負載）加工或者繪圖機設備的實驗裝置，后者則是針對掃描搜索特別是雷達攝像頭之類的設備。兩種功能具有不同的實驗目的與技術要求，但其主要任務都是實現給定曲線的運動生成。

2 控制系統總體方案設計

為了使雙步進掃描實驗系統能在屏幕上形成給定曲線的軌跡，采用一種“模板”示教裝置。在屏幕上用黑紙帶貼出給定曲線，通過示教裝置，手動控制激光頭光點的運動，用目測判斷激光點的位置是否貼合曲線，然后手動操縱輸入裝置，使其向微控制器發出脈沖信號；微控制器將接收到的信號處理后，經L297+L298向步進電機驅動電路發出指令，從而實現對激光頭的位置控制，使其打在屏幕上的光點緊貼黑帶軌跡移動。該裝置在跟蹤移動過程中，通過單片機對X軸和Z軸的坐標進行記憶和存貯，除此還需要對兩軸的坐標能夠進行編輯，一旦跟蹤移動發生錯誤可以刪除前一次操作，當跟蹤結束后，撤掉黑帶，可以進行復現掃描。因此，該示教裝置有3項技術要點：①在外部專門做成步進電機的接口電路，可簡化設計電路和減輕主控制器的負擔；②時間響應的適配很重要，通過直線步進電機可以實現速度調節，防止人手操縱時激光束跑得過快或過慢；③整個示教操作要簡便，通過軟件可以實現在輸入模塊中自動修正錯誤的功能。

圖1 雙步進尋跡跟蹤應用實驗裝置結構圖

3 控制系統硬件電路設計

根據示教裝置的功能要求，設計出了一種基于串行口在線下載的單片機開發系統。采用帶有ISP功能的AT89S52單片機作為主控制器進行主要的信息處理，接收外部鍵盤發出的指令，形成各種控制信號，用于控制步進電機驅動電路。

3.1 步進電機驅動模塊設計

步進電機是將脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制系統［1］。該示教裝置采用螺桿作為電機輸出軸，在電機外部通過一個外部驅動螺母和螺桿相嚙合，從而實現直線運動。這樣做可以大大簡化設計，能夠在不安裝外部機械聯動裝置的情況下，直接使用直線步進電機實現精密的線性運動。步進電機螺距為4mm，螺桿為4頭，步距角為1.8°，按此計算，每個步距角螺桿上的螺母走0.04mm，工作方式為雙極性兩相四拍，最高頻率取1 200Hz，則每秒跟蹤頭可達48mm，如果沿斜直線走則速度可達到68mm／s。

L297單片步進電機控制集成電路適用于雙極性兩相步進電機或四相單極性步進電機的控制，與兩片H橋式驅動芯片L298組合，組成完整的步進電機固定斬波頻率的PWM恒流斬波驅動器［2］。

L298N是一種高電壓、大電流電機驅動芯片。采用L297和L298實現的步進電機驅動電路原理見圖2，該電路為固定斬波頻率的PWM恒流斬波驅動方式，適用于兩相雙極性步進電機，最高電壓46V，每相電流可達2A。用兩片L298和一片297配合使用，可驅動更大功率的兩相步進電機。該模塊只要求微控制器提供兩個輸入，一個是高低電平，表明電機的旋轉方向；另一個則是脈沖輸入，輸入一個脈沖，坐標軸將走0.04mm。

圖2 步進電機驅動原理

3.2 鍵盤輸入模塊設計

該裝置需要通過鍵盤來操控激光頭。一次正常的按鍵動作大概需要0.4s，如果脈沖頻率為500Hz，則按一次就發出200個脈沖，激光束在屏幕上移動200×0.04=8mm，這樣目測與手感比較適應，分別按下X軸鍵和Z軸鍵就能較方便地跟蹤屏幕曲線。如果實際操作不適應，則可以調整脈沖頻率，即通過程序控制能調出目測與手感的最佳協調方案。在這種情況下，如果微控制器電路采用分列式鍵盤，顯然浪費硬件資源。本示教裝置采用ZLG7290B作為接口芯片的鍵盤方案。ZLG7290B是由廣州周立功單片機發展有限公司自行設計的數碼管顯示驅動及鍵盤掃描管理芯片［3］，能夠直接驅動8位共陰式數碼管，同時還可以掃描管理多達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，自動掃描按鈕，復位按鈕。

3.3 顯示連接模塊

ZLG7290B除了接按鍵，還能夠自動消除抖動，因此用ZLG7290B連接顯示屏。ZLG7290B通過I2C接口與MCU進行串口通信，I2C總線接口傳輸速率可達32kb／s。ZLG7290B應用中應注意：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復位引腳由主控制器直接控制，每隔幾分鐘強制復位一次，可有效防止偶爾由于電磁干擾而產生的顯示不正常和按鍵失靈的現象；③降低晶振頻率，I2C總線的通信速率也應適當降低。

4 示教裝置系統的軟件設計

跟蹤示教裝置軟件部分采用模塊化設計，分為主控模塊、鍵盤輸入模塊及步進電機驅動模塊。根據示教裝置的要求采用C語言編寫鍵功能板的應用程序，實現X方向和Z方向的單步跟蹤，跟蹤結束后根據掃描軌跡快速聯動。另外，鍵功能板還應當具有編輯功能，如刪除、記憶、復位、快速掃描等。由于單片機的引腳P3.2和ZLG7290B芯片相連接［4］，因此一旦有按鍵按下，程序便轉入鍵功能子程序，從而完成判斷鍵值并驅動步進電機的工作。編寫鍵功能子程序是軟件設計的關鍵環節，定義按鍵1、2、3、4、5、6、7、0分別為步進電機1正反、步進電機2正反轉、存儲本次操作、刪除前次操作、復位以及快速掃描按鍵。使用硬件I2C對ZLG7290B進行讀鍵值的操作，利用中斷方式進行鍵功能的編程。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

本文主要完成對雙坐標控制系統的研究與設計，隨著電子技術、自動控制和傳感器技術的發展，這一領域將會得到更大的發展空間。將一條幾乎不可能用算法函數表達的復雜曲線，通過“靠模”的方法存儲下來。只要用手動和人眼觀察跟蹤一次，就可以將程序固定下來。該系統結構簡單、可靠性高、成本低，具有很強的實用價值。

［1］ 王鵬飛.基于PC的數控加工平臺系統關鍵技術研究［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學，2003：23-25.

［2］ 吳亞軍.數字閥控缸運動平臺設計及特性研究［D］.呼和浩特：內蒙古工業大學，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：沈陽工業大學，2008：12-17.

［4］ 毛玉良.微機系統原理及應用［M］.南京：東南大學出版社，2006.