摘要:文章根据伺服系统的工作原理和系统构成,采用Freescale公司的MC9S12DG128 MCU作为控制器件,利用嵌入式技术,设计了一种基于单片机控制的伺服系统。同时通过PC机与单片机进行交互,使得用户可以通过PC机界面直观地控制伺服系统的各种动作。该伺服系统已应用于直接制版机(Computer-To-Plate,CTP)控制系统中,具有推广使用价值。
关键词:伺服系统;MC9S12DG128;CTP控制;直接制版机
中图分类号:TN959文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)03-0071-02
伺服系统(Servo System),也称伺服驱动系统,是专指被控制量是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统,其作用是使输出的机械位移(或转角)准确地跟踪输入的位移(或转角)。伺服系统可以完成在无机械连接情况下,由输入轴控制位于远处的输出轴,实现远距同步传动,以及使输出机械位移精确跟踪电信号等。伺服系统又分为直流伺服系统和交流伺服系统。
直接制版机(Computer-to-Plate,CTP)是一种由计算机直接将数字化印版成像的光机电一体化设备。制版设备由计算机直接控制,将文字、图像转变为数字信号,用此信号驱动激光在专用版材上扫描成像,直接生成印版。直接制版机控制系统的核心是伺服驱动系统,通过伺服系统带动一个鼓同步转动,并通过光栅编码器精确跟踪鼓的转动情况,进行鼓的精确定位。同时将光栅编码器的输出脉冲分频后,用于驱动横移步进电机横向移动并带动激光器进行激光打点,从而实现图像扫描。
一、系统介绍
直接制版机(Computer-To-Plate,CTP)控制采用了日本安川公司50引脚直流驱动伺服控制单元SGDH。本系统使用的控制器是Freescale公司M68HC12系列16位单片机中的一款高性能控制器MC9S12DG128(下文中简称DG128)。DG128的基本结构包括:中央处理器单元HCS12(CPU),2个异步串行通信口SCI,2个同步串行通信口SPI,8通道输入捕捉/输出比较定时器,1个8通道脉宽调制模块以及49个独立数字I/O口(其中20个具有外部中断及唤醒功能),片内集成128KB的Flash ROM,8KB的RAM,2KB的EEPROM,以及两个CAN功能模块等。MC9S12DG128以其丰富的内部资源和外部接口资源,满足了众多控制控制系统的应用需求,应用十分广泛。图1给出了基于MC9S12DG128的伺服驱动控制系统的组成框图:
图1中,伺服电机通过皮带带动鼓进行高速转动。伺服电机的转速与鼓的转速比为4∶1,即伺服电机转4圈,鼓转1圈。伺服电机主要完成三个功能:
1.通过位置控制,使鼓慢速转动,进行鼓的精确定位。
2.通过速度控制,实现鼓的高速转动。
3.伺服电机出错进行报警。
伺服电机上固定了一个光栅编码器,它由光栅盘和光电检测装置组成。光栅编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光栅盘与伺服电机同轴,伺服电机旋转时,光栅盘与电机同速旋转,经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号。光栅编码器原理示意图如图2所示:
光栅编码器的脉冲输出接在DG128的脉冲累加器引脚上,通过对光栅脉冲进行计数,计算每秒光栅编码器输出脉冲的个数就可计算出伺服电机的转速。从而可以到鼓转动的角度。同时光栅编码器的输出脉冲经过8254进行分频后输出,用于驱动横移步进电机横向移动并带动激光器进行激光打点,从而实现图像扫描。
二、伺服电机控制的实现
对伺服的控制首先需要了解和配置伺服控制器的输入和输出引脚。伺服控制器有8个输入状态信号引脚,其中包括伺服使能引脚(SON)、工作模式改变引脚(PCON)等。有17个输出引脚,其中包括伺服出错报警信号ALM±以及位置控制时定位完成信号COIN±等;然后是如何实现位置控制模式和速度控制模式。
(一)伺服控制器输入状态信号处理
在8个输入状态信号引脚中,使用最多的是SON和引脚PCON。SON引脚主要用于使能伺服电机,在正常工作状态中,伺服电机处于使能状态;一旦系统出现故障,则电机立刻处于禁止状态。PCON引脚的功能主要是进行电机工作模式的转换,实现位置控制模式和速度控制模式之间的相互转化。伺服电机控制器的状态输入引脚SON连接示意图如图3所示,图中三极管控制引Con接DG128的一个I/O引脚,当Con输出高电平时,三极管导通,SON引脚状态为低,导致发光二极管D1点亮,光耦L1导通,则伺服处于使能状态;反之,当Con输出低电平时,三极管被禁止,SON引脚状态为高,则D1熄灭,光耦L1不导通,伺服处于禁止状态。其它的状态引脚控制方式与SON类似,在此不再赘述。
(二)伺服控制器输出信号引脚处理
CTP控制系统中所用到的伺服电机的输出信号主要有伺服出错报警信号ALM±以及位置控制时定位完成信号COIN±。现在以ALM±信号处理为例。如图4为报警信号引脚连接方式图。正常情况下,报警信号ALM+为高电平,ALM-接地。当伺服电机出错时,伺服内部光耦导通,ALM+为低电平。ALM+引脚连接DG128的中断引脚,当ALM+从高电平向低电平跳变时,中断引脚会捕捉到电平变化,然后通过读取AL01、AL02、AL03引脚获取错误代码,做出相应处理动作。
(三)伺服电机控制方式实现
伺服电机的控制模式主要是通过改变PCON引脚的状态来改变。PCON引脚为低,则表明伺服电机处于速度控制模式;反之,则表明伺服电机处于位置控制模式。
1.位置控制模式。在位置控制模式下,鼓慢速转动,实现鼓定位。通过对伺服控制器第7、8引脚(PULS和PULS)输入脉冲来实现位置控制。系统将第7脚PULS引脚通过上拉180欧姆左右电阻接+5V电源来控制,而PULS引脚采用的是脉冲输入。图5为伺服控制器脉冲输入连接示意图。图中Vcc接+5V电源,R1电阻大小为180欧姆,连接到PULS引脚上。R1取180欧姆电阻,是为了确保VF保持在1.5～1.8V之间,让发光二极管D1’点亮。三极管Tr1的控制引脚pulse 接DG128的脉冲输出引脚,对三极管Tr1的控制引脚打入脉冲pulse,发光二极管D1’会以pulse的频率点亮,同时光耦L1’也以该频率导通,实现了对伺服电机的脉冲输入。
由于本系统对鼓定位的准确性要求比较高,通常要求误差不能超过1毫米。所以设计过程中使用了DG128芯片的脉冲累加器功能,当驱动脉冲数目达到预定的数目则停止脉冲发送,然后等待伺服电机的定位完成COIN+信号,这样可以使鼓基本定位在预计的位置。此外,还得考虑在鼓正转和反转过程中,电机皮带所引起的定位误差。实际实现过程中,经过多次测试,对系统鼓定位采取了补偿误差的方法,基本实现了鼓的精确定位。
2.速度控制模式。鼓的速度控制用于鼓的高速转动,主要是通过对第5、6引脚的控制来实现鼓的转动。实现方式是将第6脚接地。然后通过D/A芯片TLC7225和放大器LM324来给第5引脚输入模拟电压,模拟电压应控制在12V以内。TLC7225的数据口直接接DG128的8个I/O即可。通过输入的模拟电压的改变就可以改变鼓的转速,电压越高,鼓转动的就越快。
三、软件设计
由于CTP系统是由PC机控制印版的,因此在CTP控制系统的实现过程中,由PC方发送相关控制命令,PC与DG128通过串口进行通信,当DG128接收到PC方命令时,驱动伺服系统执行相应动作。DG128内部主程序是一个循环结构,在中断服务程序中对PC方命令进行响应。其流程可简述如下:
1.等待PC方制版命令。
2.发生串口中断,接到PC方制版命令,伺服电机开始运动,并带动鼓开始运动。等待光栅编码器输出脉冲累加到某一特定值而触发中断,找到鼓转动参考点,相对参考点继续转动某一特定脉冲值,到达上版位置,停止鼓转动。等待用户放入版材并上版,直到上版完毕。
3.等待PC方印版命令。
4.发生串口中断,接到PC方制版命令,伺服开始运动,并带动鼓开始运动,同时光栅编码器输出脉冲驱动横移电机带动激光器在印版上打点,完成图像扫描,直到扫描完成。
5.扫描完成,收到PC方下版命令下版。
6.重复步骤1～5重复印版或退出系统。
四、结语
采用单片机嵌入式控制不仅能够完成高精度的控制任务,而且只要采用合理的控制策略,就能使系统平稳运行。由于控制程序采用模块化结构,所以系统可以适应各种复杂情况,对不同型号的伺服电机只需要改动算法程序或控制参数即可得到理想的控制效果。本文所描述的基于MC9S12DG128的伺服驱动控制系统在CTP控制中发挥了很好的作用,且只要稍作修改即可应用在其他类似的控制系统中,可移植性较强。
参考文献
[1]张逸新,刘春林.CTP技术与应用[M].印刷工业出版社,2007.
[2]王宜怀.嵌入式系统-使用HCS12微控制器的设计与应用[M].北京航空航天大学出版社,2008.
[3]Freescale MC9S12DG128 DataSheet[DB/OL].,2004
作者简介:费莉(1981-),女,江苏人,苏州托普信息职业技术学院工程师,硕士,研究方向:嵌入式应用技术。
