双步进寻迹跟踪示教装置的控制系统设计

李永梅，迟英姿，张卫芬

（东南大学 成贤学院 机械工程系，江苏 南京 210088）

0 引言

利用伺服系统完成跟踪扫描任务的示教装置是一种特殊装置。该装置需要在两个方向上实现位置控制，即双坐标控制。在目前的制造业、科研和军事等各领域内大量应用到双坐标或多坐标位置控制系统的联动，目标是扫描或者是对动态运动点的跟踪。因此，掌握这种装置的设计特别是如何通过软件算法形成给定扫描轨迹或配合传感的快速跟踪，对经济型数控机床的加工系统、立体仓库中堆垛机的平面移动系统、平面绘图仪的绘图系统、机械手、搬运检测装置以及实验教学等领域都有深远的意义。

1 示教装置的功能

图1为双步进寻迹跟踪应用实验装置的结构图，该运动实验系统主要完成两个任务：一个是在屏幕上实现给定曲线或图形的扫描与显示；另一个则是对屏幕上动点“靶”的快速跟踪。前者是针对激光束（轻负载）加工或者绘图机设备的实验装置，后者则是针对扫描搜索特别是雷达摄像头之类的设备。两种功能具有不同的实验目的与技术要求，但其主要任务都是实现给定曲线的运动生成。

2 控制系统总体方案设计

为了使双步进扫描实验系统能在屏幕上形成给定曲线的轨迹，采用一种“模板”示教装置。在屏幕上用黑纸带贴出给定曲线，通过示教装置，手动控制激光头光点的运动，用目测判断激光点的位置是否贴合曲线，然后手动操纵输入装置，使其向微控制器发出脉冲信号；微控制器将接收到的信号处理后，经L297+L298向步进电机驱动电路发出指令，从而实现对激光头的位置控制，使其打在屏幕上的光点紧贴黑带轨迹移动。该装置在跟踪移动过程中，通过单片机对X轴和Z轴的坐标进行记忆和存贮，除此还需要对两轴的坐标能够进行编辑，一旦跟踪移动发生错误可以删除前一次操作，当跟踪结束后，撤掉黑带，可以进行复现扫描。因此，该示教装置有3项技术要点：①在外部专门做成步进电机的接口电路，可简化设计电路和减轻主控制器的负担；②时间响应的适配很重要，通过直线步进电机可以实现速度调节，防止人手操纵时激光束跑得过快或过慢；③整个示教操作要简便，通过软件可以实现在输入模块中自动修正错误的功能。

图1 双步进寻迹跟踪应用实验装置结构图

3 控制系统硬件电路设计

根据示教装置的功能要求，设计出了一种基于串行口在线下载的单片机开发系统。采用带有ISP功能的AT89S52单片机作为主控制器进行主要的信息处理，接收外部键盘发出的指令，形成各种控制信号，用于控制步进电机驱动电路。

3.1 步进电机驱动模块设计

步进电机是将脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制系统［1］。该示教装置采用螺杆作为电机输出轴，在电机外部通过一个外部驱动螺母和螺杆相啮合，从而实现直线运动。这样做可以大大简化设计，能够在不安装外部机械联动装置的情况下，直接使用直线步进电机实现精密的线性运动。步进电机螺距为4mm，螺杆为4头，步距角为1.8°，按此计算，每个步距角螺杆上的螺母走0.04mm，工作方式为双极性两相四拍，最高频率取1 200Hz，则每秒跟踪头可达48mm，如果沿斜直线走则速度可达到68mm／s。

L297单片步进电机控制集成电路适用于双极性两相步进电机或四相单极性步进电机的控制，与两片H桥式驱动芯片L298组合，组成完整的步进电机固定斩波频率的PWM恒流斩波驱动器［2］。

L298N是一种高电压、大电流电机驱动芯片。采用L297和L298实现的步进电机驱动电路原理见图2，该电路为固定斩波频率的PWM恒流斩波驱动方式，适用于两相双极性步进电机，最高电压46V，每相电流可达2A。用两片L298和一片297配合使用，可驱动更大功率的两相步进电机。该模块只要求微控制器提供两个输入，一个是高低电平，表明电机的旋转方向；另一个则是脉冲输入，输入一个脉冲，坐标轴将走0.04mm。

图2 步进电机驱动原理

3.2 键盘输入模块设计

该装置需要通过键盘来操控激光头。一次正常的按键动作大概需要0.4s，如果脉冲频率为500Hz，则按一次就发出200个脉冲，激光束在屏幕上移动200×0.04=8mm，这样目测与手感比较适应，分别按下X轴键和Z轴键就能较方便地跟踪屏幕曲线。如果实际操作不适应，则可以调整脉冲频率，即通过程序控制能调出目测与手感的最佳协调方案。在这种情况下，如果微控制器电路采用分列式键盘，显然浪费硬件资源。本示教装置采用ZLG7290B作为接口芯片的键盘方案。ZLG7290B是由广州周立功单片机发展有限公司自行设计的数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片［3］，能够直接驱动8位共阴式数码管，同时还可以扫描管理多达64只按键。示教装置需要的按键有：X+，X-，Z+，Z-，删除按钮，记忆按钮，自动扫描按钮，复位按钮。

3.3 显示连接模块

ZLG7290B除了接按键，还能够自动消除抖动，因此用ZLG7290B连接显示屏。ZLG7290B通过I2C接口与MCU进行串口通信，I2C总线接口传输速率可达32kb／s。ZLG7290B应用中应注意：①ZLG7290B一定要放在控制面板上，否则容易造成显示混乱、按键失灵等故障；②复位引脚由主控制器直接控制，每隔几分钟强制复位一次，可有效防止偶尔由于电磁干扰而产生的显示不正常和按键失灵的现象；③降低晶振频率，I2C总线的通信速率也应适当降低。

4 示教装置系统的软件设计

跟踪示教装置软件部分采用模块化设计，分为主控模块、键盘输入模块及步进电机驱动模块。根据示教装置的要求采用C语言编写键功能板的应用程序，实现X方向和Z方向的单步跟踪，跟踪结束后根据扫描轨迹快速联动。另外，键功能板还应当具有编辑功能，如删除、记忆、复位、快速扫描等。由于单片机的引脚P3.2和ZLG7290B芯片相连接［4］，因此一旦有按键按下，程序便转入键功能子程序，从而完成判断键值并驱动步进电机的工作。编写键功能子程序是软件设计的关键环节，定义按键1、2、3、4、5、6、7、0分别为步进电机1正反、步进电机2正反转、存储本次操作、删除前次操作、复位以及快速扫描按键。使用硬件I2C对ZLG7290B进行读键值的操作，利用中断方式进行键功能的编程。键功能子程序流程图如图3所示。

图3 键功能子程序流程图

5 总结

本文主要完成对双坐标控制系统的研究与设计，随着电子技术、自动控制和传感器技术的发展，这一领域将会得到更大的发展空间。将一条几乎不可能用算法函数表达的复杂曲线，通过“靠模”的方法存储下来。只要用手动和人眼观察跟踪一次，就可以将程序固定下来。该系统结构简单、可靠性高、成本低，具有很强的实用价值。

［1］ 王鹏飞.基于PC的数控加工平台系统关键技术研究［D］.哈尔滨：哈尔滨理工大学，2003：23-25.

［2］ 吴亚军.数字阀控缸运动平台设计及特性研究［D］.呼和浩特：内蒙古工业大学，2010：18-22.

［3］ 冯成.基于模糊PID的原油井筒加热电源的温度控制方法［D］.沈阳：沈阳工业大学，2008：12-17.

［4］ 毛玉良.微机系统原理及应用［M］.南京：东南大学出版社，2006.