張 楊， 李彬華， 程向明， 楊 磊， 張益恭

(1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650504;2.中國科學(xué)院 云南天文臺，云南 昆明 650216;3.中國科學(xué)院 天體結(jié)構(gòu)與演化重點實驗室，云南 昆明 650216;4.中國科學(xué)院 天文大科學(xué)研究中心，北京 100012)

基于PMAC的角編碼器檢測控制系統(tǒng)*

張 楊1， 李彬華1， 程向明2，3，4， 楊 磊2，3，4， 張益恭2，3，4

(1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650504;2.中國科學(xué)院 云南天文臺，云南 昆明 650216;3.中國科學(xué)院 天體結(jié)構(gòu)與演化重點實驗室，云南 昆明 650216;4.中國科學(xué)院 天文大科學(xué)研究中心，北京 100012)

光杠桿角編碼器檢測裝置用于角編碼器的誤差檢測,可提高天文望遠(yuǎn)鏡的運動控制精度。該裝置需要較高精度的轉(zhuǎn)動控制，并實現(xiàn)自動檢測。根據(jù)該檢測裝置的功能要求，以可編程多軸運動控制器(PMAC)為核心，設(shè)計了角編碼器檢測裝置的控制系統(tǒng)，搭建了控制系統(tǒng)的硬件平臺，編寫了控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，實現(xiàn)了CCD曝光與碼盤數(shù)據(jù)采集的同步。實驗結(jié)果表明:該裝置轉(zhuǎn)臺的重復(fù)定位誤差絕對值小于4″，滿足角編碼器檢測系統(tǒng)的要求。

運動控制； 可編程多軸運動控制器； 角度檢測； 程序設(shè)計； 角編碼器

0 引 言

現(xiàn)代天文望遠(yuǎn)鏡需要借助角編碼器實現(xiàn)高精度的運動控制，隨著天文觀測要求的提高以及天文技術(shù)的進步，對于應(yīng)用在天文望遠(yuǎn)鏡中的角編碼器也提出了更高的精度要求[1,2]，為了獲得高精度的測角數(shù)據(jù)，需要對角編碼器進行檢測與校正[3]。在國家自然科學(xué)基金的資助下，云南天文臺設(shè)計了一種采用光杠桿方法檢測角編碼器的裝置，通過多次小角度的測量實現(xiàn)整周角度檢測。采用自動化的轉(zhuǎn)臺控制技術(shù)和CCD圖像采集技術(shù)可顯著提高檢測效率[4]。

該裝置的核心是一個雙軸轉(zhuǎn)臺，兩個轉(zhuǎn)軸需要在控制系統(tǒng)的作用下按照特定次序依次轉(zhuǎn)動，此外，控制系統(tǒng)還需要完成相機曝光和角編碼器數(shù)據(jù)采集的同步。運動控制系統(tǒng)經(jīng)過不斷發(fā)展演變，功能越來越強大，其硬件核心從最初的單片機逐步發(fā)展到可編程邏輯控制器(PLC)再到數(shù)字信號處理器(DSP)以及現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)，控制能力從單軸逐步發(fā)展到多軸，系統(tǒng)集成度越來越高，運算速度越來越快，擴展性越來越好[5]。

根據(jù)云南天文臺角編碼器檢測裝置的要求，本文設(shè)計了一個雙軸高精度轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)，其運動控制系統(tǒng)基于Delta Tau公司的可編程多軸運動控制器(programmable multi-axis motion controller，PMAC)卡構(gòu)建，基于PMAC實現(xiàn)了角編碼器數(shù)據(jù)采集和CCD曝光的同步。

1 控制系統(tǒng)的需求分析與策略

云南天文臺角編碼器檢測裝置采用雙軸形式的轉(zhuǎn)臺，上下兩個轉(zhuǎn)軸的軸線重合，用兩個步進電機分別控制其轉(zhuǎn)動。實物以及結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 檢測裝置的實物與結(jié)構(gòu)圖

該檢測裝置的轉(zhuǎn)臺是兩個步進電機驅(qū)動的蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)臺，其傳動比分別為180和90，步進電機的型號為42BYG250CⅡ，角距為1.8°。待測角編碼器為雷尼紹(RENISHAW)52 mm絕對式環(huán)形光柵。

角編碼器檢測控制系統(tǒng)的設(shè)計要求如下：1)能夠自動完成整周檢測，其間不需要人工干預(yù)；2)可設(shè)置的檢測參數(shù)包括：單步檢測角度、單步檢測圖像數(shù)、檢測數(shù)據(jù)保存路徑等；3)具備轉(zhuǎn)臺控制調(diào)試所需的基本功能：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、定點轉(zhuǎn)動、增量轉(zhuǎn)動、零點設(shè)置及保存、自動恢復(fù)零點等；4)實時采集并顯示轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角、速度等信息；5)實時采集并顯示角編碼器的轉(zhuǎn)角讀數(shù)；6)設(shè)置轉(zhuǎn)臺限位，限位范圍為-1°～361°，且可方便取消及恢復(fù)限位；7)能夠給CCD相機發(fā)送曝光脈沖，脈沖頻率及數(shù)目可調(diào)，并能夠同步采集角編碼器讀數(shù)；8)下轉(zhuǎn)臺重復(fù)定位誤差絕對值小于4＂。

針對上述要求，并結(jié)合檢測裝置轉(zhuǎn)臺電機的情況，選用了型號為DM400的雷賽步進電機驅(qū)動器。另外，由于美國Delta Tau公司的PMAC卡具有強大的運動控制能力和豐富的可擴展性[6]。選擇了以PMAC為核心來構(gòu)建運動控制系統(tǒng)。

2 硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)以PMAC運動控制器為核心，本系統(tǒng)選用的具體型號為Turbo PMAC2-Eth-lite控制器(clipper)。它功能強大而且結(jié)構(gòu)緊湊，可同時處理8軸的計算，具有100 Mbps以太網(wǎng)接口并內(nèi)嵌了PID/陷波/前饋伺服算法的功能。高速響應(yīng)性和高精度位置控制使其可用于絕大部分高精度運動控制的場合，比如高精度轉(zhuǎn)臺控制或者天文望遠(yuǎn)鏡控制等[2,7]。此外，基于PMAC卡的I/O擴展設(shè)備和運動寄存器，可以方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集[8]。

2.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

檢測控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，該系統(tǒng)主要由PMAC運動控制單元(包括Clipper卡、附件卡和轉(zhuǎn)接板)、轉(zhuǎn)臺(含電機)、步進電機驅(qū)動器、光柵角編碼器數(shù)據(jù)采集單元(包括光柵角編碼器和讀數(shù)頭)和CCD相機等組成。工作站作為控制系統(tǒng)的上位機，由其完成檢測系統(tǒng)控制的人機交互及數(shù)據(jù)采集。PMAC控制器是控制系統(tǒng)的下位機，主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)臺的運動控制、編碼器數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)發(fā)，以及圖像數(shù)據(jù)采集的控制。

圖2 角編碼器檢測控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 硬件參數(shù)配置

硬件系統(tǒng)搭建完成后還需要對PMAC卡進行參數(shù)配置，參數(shù)配置主要包括：脈沖+方向信號參數(shù)配置、I/0端口參數(shù)配置和讀數(shù)頭通信協(xié)議參數(shù)配置。

步進電機的脈沖加方向控制模式可通過PMAC自帶的全數(shù)字脈沖頻率調(diào)制(PFM)電路實現(xiàn)，其信號通過轉(zhuǎn)接板DTC—8B的1#,2#軸分別控制上轉(zhuǎn)臺和下轉(zhuǎn)臺。為了獲取這一信號，PMAC必須正確設(shè)置相關(guān)的I變量才能使PFM電路正常工作。這里需設(shè)置I7016=3，作用是設(shè)置第一個通道輸出模式為PFM。

為了實現(xiàn)CCD相機的圖像數(shù)據(jù)采集控制，選擇PMAC提供的通用數(shù)字輸入輸出端口(J9)，該接口包括8組輸出/入端口(MO1～MO8，MI1～MI8)和1組+5 V供電端。選擇其中一組輸出端口MO1用于發(fā)送外部觸發(fā)脈沖信號。ACC—84S通過32位絕對式讀數(shù)頭將光柵數(shù)據(jù)反饋給Clipper卡，它采用BISSC通信協(xié)議方式與Clipper卡通信。本系統(tǒng)的兩個讀數(shù)頭采用對稱安裝的方式，用于消減轉(zhuǎn)軸的偏心誤差。

此外，PMAC提供了固化在DSP中的完整的PID控制算法，其PID參數(shù)整定的過程，采用本文作者以前的做法[7]，在此不作贅述。

3 軟件設(shè)計

本控制系統(tǒng)的軟件需要將硬件系統(tǒng)的各個組成部分有機地聯(lián)系起來，按照系統(tǒng)的設(shè)計要求，開發(fā)出相應(yīng)的功能模塊，并協(xié)調(diào)相互之間的邏輯關(guān)系，還需要提供友好的人機交互界面。在上位機軟件中還需要正確地設(shè)置與下位機通信的方式。如前所述，本系統(tǒng)的上位機軟件采用VC++語言編寫。

3.1 軟件主要功能設(shè)計

本系統(tǒng)在VS2010應(yīng)用平臺上采用MFC開發(fā)了上位機軟件。上位機軟件界面如圖4所示，它主要分為上、下轉(zhuǎn)臺基本功能模式、N-1檢測功能模式和光柵數(shù)據(jù)模塊。

圖3 上位機軟件界面

該控制界面實現(xiàn)了儀器所需的功能，主要由6個功能模塊來完成:1)基本功能模塊：實現(xiàn)電機(轉(zhuǎn)臺)的轉(zhuǎn)動操作(包括增量轉(zhuǎn)動、定點轉(zhuǎn)動及停止)、回零、調(diào)速、關(guān)閉電機以及退出程序等功能。2)零點位置模塊：保存當(dāng)前位置為電機的零點位置信息，并可恢復(fù)轉(zhuǎn)臺零點。3)轉(zhuǎn)臺狀態(tài)模塊：上、下轉(zhuǎn)臺的實時位置、速度、跟隨誤差信息顯示。4)N-1檢測模式：選擇下轉(zhuǎn)臺每步轉(zhuǎn)動的角度，當(dāng)下轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動相應(yīng)角度后，上轉(zhuǎn)臺相對于下轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)相同角度。該模塊可完成角編碼器的自動檢測。5)同步模塊：實現(xiàn)相機曝光控制和光柵數(shù)據(jù)采集的同步。6)實時顯示和保存模塊：實現(xiàn)光柵數(shù)據(jù)實時顯示及保存，設(shè)置光柵當(dāng)前位置為零位以及讀取光柵的絕對位置。

對于系統(tǒng)的安全功能方面也做了相應(yīng)的設(shè)計。對電機設(shè)置了雙重軟限位。首先是下位機限位，通過I113和I114變量分別設(shè)置轉(zhuǎn)臺正向限位為361°和轉(zhuǎn)臺負(fù)限位為-1°。其次是上位機程序限位，當(dāng)上位機檢測出轉(zhuǎn)臺到了限位或者程序發(fā)生錯誤，上位機會發(fā)出Kill命令，停止電機運行。

3.2 上位機軟件流程

按角編碼器檢測控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，控制軟件的主要任務(wù)是：上位機根據(jù)用戶需要的角度轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺，記錄碼盤數(shù)據(jù)和CCD光斑位置。隨后下轉(zhuǎn)臺相對于上轉(zhuǎn)臺往反方向轉(zhuǎn)動相同角度，再次記錄碼盤數(shù)據(jù)和CCD光斑位置，隨后轉(zhuǎn)臺進行下一角度的檢測。據(jù)此給出控制系統(tǒng)的檢測流程圖如4所示。

圖4 系統(tǒng)主流程圖

3.3 與PMAC通信的編程接口函數(shù)

PMAC卡為用戶提供了與PC通信的接口—PComm32Pro通信驅(qū)動程序，它是在Windows下創(chuàng)建的開發(fā)工具，有400多個功能函數(shù)可用于設(shè)定和使用[9]。為了使上、下位機成功通信，必須在上位機操作系統(tǒng)上預(yù)先安裝Pewin 32驅(qū)動程序，安裝調(diào)試好動態(tài)鏈接庫，使Clipper卡在該操作環(huán)境下完成注冊。

在VS2010的開發(fā)平臺下調(diào)用動態(tài)鏈接庫可以完成角編碼器檢測系統(tǒng)的操作界面和控制功能。常用的函數(shù)有PmacRemoveDownloadFile(),PmacGet-Response(),PmacSendLine()。如PmacSendLine()函數(shù)可通過上位機在線發(fā)送命令字符串給Clipper卡。

3.4 CCD曝光與角編碼器數(shù)據(jù)采集的同步

根據(jù)設(shè)計要求，需要實現(xiàn)CCD相機曝光與角編碼器數(shù)據(jù)采集的同步。如果采用“上位機發(fā)出曝光脈沖命令后再執(zhí)行位置數(shù)據(jù)采集”的方式，由于上位機延遲的不確定性，可能導(dǎo)致十幾個毫秒到幾百個毫秒不等的不同步，所以，需要設(shè)計更加精準(zhǔn)的方式來實現(xiàn)同步功能。

由于PMAC卡下位機具有運算速度快，且獨占運算線程的優(yōu)勢，PLC程序在每次發(fā)出觸發(fā)脈沖時，由于脈沖寬度約為0.5 ms，所以，可利用這段時間由下位機緩存記錄此時的角編碼器數(shù)據(jù)，在觸發(fā)完成后由上位機保存，從而實現(xiàn)CCD曝光與角編碼器數(shù)據(jù)采集的同步。

4 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析

由于本運動控制系統(tǒng)主要針對下轉(zhuǎn)臺的控制精度提出了較高的要求，所以測試只針對下轉(zhuǎn)臺。根據(jù)測試要求編寫了特定的測試程序，由測試程序控制轉(zhuǎn)臺往返轉(zhuǎn)動5圈，轉(zhuǎn)動步長為5°，每步間隔5 s用于角度數(shù)據(jù)采集。轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動360°后反向轉(zhuǎn)動，回到原位置即為一圈。以2個讀數(shù)頭采集的方位角位置數(shù)據(jù)的均值作為碼盤實測方位角位置。共10組數(shù)據(jù)，求出后9組數(shù)據(jù)與第一組相應(yīng)數(shù)據(jù)之差作圖，得到的下轉(zhuǎn)臺重復(fù)定位誤差，結(jié)果如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)臺重復(fù)定位誤差

測試結(jié)果表明:下轉(zhuǎn)臺各個測試點的重復(fù)轉(zhuǎn)動定位誤差在±4″以內(nèi)。誤差的均值為0.011 9″；標(biāo)準(zhǔn)差為0.857 1″；重復(fù)誤差的均方根值為為0.856 9″。系統(tǒng)控制性能滿足設(shè)計要求。

5 結(jié) 論

本文從硬件、軟件兩方面介紹了基于PMAC的角編碼器檢測控制系統(tǒng)。硬件方面，以PMAC控制器為核心，利用步進電機驅(qū)動器控制步進電機實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動。軟件方面，按照系統(tǒng)控制要求設(shè)計了控制軟件及界面，并實現(xiàn)了CCD曝光和角編碼器光柵讀數(shù)頭數(shù)據(jù)采集的同步。經(jīng)實測，重復(fù)定位誤差在±4″以內(nèi)，滿足角編碼器檢測系統(tǒng)的控制要求。目前，該控制系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，為光機電系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和角編碼器件的檢測奠定了基礎(chǔ)。

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PMAC-based control system for error detection of angular encoders*

ZHANG Yang1， LI Bin-hua1， CHENG Xiang-ming2,3,4， YANG Lei2,3,4， ZHANG Yi-gong2,3,4

(1.Faculty of Information Engineering and Automation，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650504，China; 2.Yunnan Observatory，Chinese Academy of Sciences，Kunming 650216，China; 3.Key Laboratory for the Structure and Evolution of Celestial Objects，Chinese Academy of Sciences，Kunming 650216，China; 4.Center for Astronomical Mega-Science,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100012,China)

The light lever detector can be used to detect error of angular encoder so as to improve precision of motion control of astronomical telescope.The device needs to achieve high precision of rotation control and automatic detection.According to the functional requirements of the detecting device,the control system of the angle encoder detection device is designed based on the programmable multi-axis motion controller(PMAC),hardware platform of the system is built,and the application software of the control system is compiled,and the synchronous between the CCD camera and data acquisition and exposure the encoder is implemented.Experimental results indicate that absolute value of repetitive positioning error of the turntable is less than 4″,which meet the requirements of the encoder detection system.

motion control； programmable multi-axis motion controller(PMAC)； angle detection； programming； design angular encoder

10.13873/J.1000—9787(2017)03—0087—04

2017—01—16

國家自然科學(xué)基金委員會—中國科學(xué)院天文聯(lián)合基金資助項目(U1331109)

TP 212

A

1000—9787(2017)03—0087—04

張 楊(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向為高精度運動控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)。

程向明(1977-)，男，通訊作者，碩士，高級工程師，碩士生導(dǎo)師，主要從事天文技術(shù)與方法方面的研究工作，E—mail：cxm@ynao.ac.cn。