基于MC9S12DG128的伺服控制系统在CTP控制中的应用
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基于MC9S12DG128的伺服控制系统在CTP控制中的应用
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。