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)用到各個行業(yè)中。

嵌入式控制系統(tǒng)由于其體積小、性價比高、針對性強(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)各個領(lǐng)域。

游標(biāo)卡尺由于是一種精密地測量儀器，那么其生產(chǎn)的廠家對卡游標(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)下一個命令，以此循環(huán)。

工作流程圖如圖1所示

圖1 原理圖
3 游標(biāo)卡尺激光打標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1） 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)上面的動作。

整個系統(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。現(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)在得到按鈕信號或得到下位機(jī)發(fā)回到位得信號，上位機(jī)就可以隨時發(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)。

加上光柵尺檢測目標(biāo)的最后位置，并把這個位置反饋給下位機(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，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)時檢測，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)時檢測，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。而對于整個系統(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數(shù)發(fā)給執(zhí)行單元伺服驅(qū)動器的寄存器中，但伺服電機(jī)以不同的速度走，走完所有的脈沖所用的時間就不同，如果在伺服電機(jī)還沒真正停穩(wěn)的時候去讀光柵尺檢測的實(shí)際位置值，再把這個偏差發(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，這時去檢測，可能檢測的是一個中間值，而這個中間值有可能就在精度要求的范圍內(nèi)，進(jìn)而控制器跳出對精度的調(diào)整，但伺服電機(jī)還在走，當(dāng)其真正停下來時位置勢必引起偏差。

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)動器上的定位完成信號輸出給下位機(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)動器并不是等所有的脈沖都發(fā)完才輸出這個信號，而是當(dāng)達(dá)到一定脈沖數(shù)時就輸出此信號，所以必須把伺服驅(qū)動器中此控制定位完成的脈沖數(shù)調(diào)到一個恰當(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一段時間，延時后再去檢測光柵尺的實(shí)際位置，然后再去校正。