［摘 要］∶本文介紹了基于ADT-MC020嵌入式數控控制器通過串口和PC機通信，設計通過光柵尺反饋的雙閉環控制系統，分析了精確定位誤差的原因及其解決方法。該系統已用于游標卡尺激光打標和精確送料裝置中。
［關鍵詞］∶嵌入式 MC020 串口通信 光柵尺 雙閉環 伺服 精確定位 激光打標
1 引言
隨著計算機技術、電子技術的發展，嵌入式控制系統作為裝備工業的大腦快速地被應用到各個行業中。
嵌入式控制系統由于其體積小、性價比高、針對性強、抗干擾能力好等特點快速不斷地進入了數控行業各個領域。
游標卡尺由于是一種精密地測量儀器，那么其生產的廠家對卡游標尺本身的刻度打標要求就非常高。現代化生產中必須要考慮生產效率，而生產效率又與操作方便、生產速度等因素相關。本文設計了采用PC機上位機發控制指令，下位機是ADT-MC020嵌入式數控控制器控制伺服加光柵尺的雙閉環控制系統，滿足了以上要求。
2 工作原理
首先在上位機（PC機，以下稱上位機）編輯好要加工的數據文件，然后通過上位機的串口向下位機（MC020嵌入式控制器，以下稱下位機）發送指令，下位機接收到正確的指令后，開始向伺服執行機構發出運動指令，當伺服運行到位后，下位機通知上位機繼續發下一個命令，以此循環。
工作流程圖如圖1所示。
3 游標卡尺激光打標系統設計
（1） 上位機系統
上位機控制系統是由VC開發的控制軟件，在上位機上可以按使用者的要求，先通過一些簡單的設定，系統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覽，看是否滿足要求。
在選擇好循環打標或單次打標后，按開始按鈕后，計算機便通過串口發出規原點命令，下位機接收到回原點命令后，馬上執行回原點的任務，當回到原點后，發信號給上位機，上位機馬上控制振鏡和激光發生器打出0刻度線（刻度線的長短在上面生成的圖形中已經規定），等打完0刻度線后，上位機馬上發出再走一個刻度的命令，在下位機通過一系列的調整，保證精度后，重復上面的動作。
整個系統控制流程結構圖如圖2所示。
圖2 控制流程結構圖
（2） 串口通信
① 串口通信協議
通信協議是指通信雙方共同遵守的交換數據的格式。現在我們制定的通信協議只需考慮信息在線路中的傳輸規則。
本文所使用的串口通信協議如表1所示。這樣上、下位機的相互通信就得以實現。
表1 通信協議幀格式
② 串口通信的程序流程圖如圖3所示。
本系統中，上位機在得到按鈕信號或得到下位機發回到位得信號，上位機就可以隨時發出讓下位機執行的指令；而上位機接收下位機指令是采用查詢的方式，看下位機是否有給它發新信息；
下位機MC020接收和發送信息都是利用串口中斷，當自己接收到新信息或要向上位機發送新信息，都將進入串口中斷服務子程序。這樣利用中斷處理異步事件，使之與上位機收、發信息同步，而又不影響做其他工作。
圖3 串口通信流程圖
（3） 下位機系統
下位機是本系統中精度的控制者和保證者，它關系到游標卡尺最后打標是否合格。
如圖2所示，首先下位機在接收到上位機的位置命令后，經過校驗和處理發給了伺服驅動器，伺服設成位置控制模式，伺服電機本身帶有光電編碼器，它會反饋伺服電機走的位置是否與下位機的給定值相等，進行負反饋調節，這便構成了位置環1。但位置環1只是反應了伺服走的位置，也就是伺服電機轉的圈數，但如果絲桿、導軌等有誤差，就不能反應出來，即不能反應目標位置的最終情況，所以位置環1只是半閉環。
加上光柵尺檢測目標的最后位置，并把這個位置反饋給下位機MC020控制器，MC020再與上位機的給定位置值進行比較，再次進行負反饋調節，這樣構成了位置環2，最終使目標達到上位機給定的命令值的位置，從而完成精確定位。
游標卡尺打標的雙環精確定位流程圖如圖4所示。
圖4 雙位置環定位程序流程圖
4 位置誤差產生原因及解決方案
（1） 原點誤差
在運動控制中，現在很多機器上安裝的原點開關一般是機械式的或光電開關，機械開關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和機械磨損帶來的位置偏差都將發生變化；光電感應開關本身有一定的感應范圍，即左邊沿到右邊沿的范圍；而每次電機以一定的速度回到原點時，在其慣性的作用下不可能剛好停在開關的感應邊沿上。
基于以上原因，我們可以讓電機先以一個較高的速度回到原點開關的感應范圍內，再讓電機以一個較低的速度向離開原點的方向走，下位機控制器實時檢測，當發現電機一離開原點開關馬上停止；接著讓電機以一個很低的速度向原點開關的方向走，下位機控制器實時檢測，當發現電機一碰到原點開關馬上停下來。
用以上方法，既可以讓電機以高速回零，提高效率，又保證將每次回零的誤差降到最低。而對于整個系統來講，每次打標的起點都一致。
（2） 控制器和伺服驅動器脈沖匹配產生的誤差
下位機控制器把位置值按脈沖的個數發給執行單元伺服驅動器的寄存器中，但伺服電機以不同的速度走，走完所有的脈沖所用的時間就不同，如果在伺服電機還沒真正停穩的時候去讀光柵尺檢測的實際位置值，再把這個偏差發給伺服，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，進而控制器跳出對精度的調整，但伺服電機還在走，當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，可以用伺服驅動器上的定位完成信號輸出給下位機控制器，讓下位機控制器知道下面伺服真正走到位了。但要注意：很多伺服驅動器并不是等所有的脈沖都發完才輸出這個信號，而是當達到一定脈沖數時就輸出此信號，所以必須把伺服驅動器中此控制定位完成的脈沖數調到一個恰當值。第二，就是給電機發了校正脈沖后適當的延長一段時間，延時后再去檢測光柵尺的實際位置，然后再去校正。
由于游標卡尺打標本身要求精度高，如果電機多走出幾個脈沖，那它的偏差就多幾個μm，是不允許的，所以必須控制好偏差的調節。
（3） 光柵尺的安裝即環境溫度造成的讀數誤差
本系統的精度就是依靠光柵尺做最后保證，那光柵尺本身的精度就至關重要。首先光柵尺的安裝要保持光柵尺內部的玻璃刻線條與運行的導軌平行，光柵尺的讀數滑塊連的運動滑臺的運行軌道要與光柵尺內部的玻璃刻線條保持平行。而支撐滑臺的導軌和絲桿本身的質量自然也要有保證。
令一個方面就是環境溫度對最后測量的影響，由于溫度的變化會造成光柵尺內部玻璃刻線條的熱脹冷縮的變化，以致造成最后讀書偏差。所以一定的溫度。
5 結束語
隨著國家制造業的不斷發展，對國家的裝備業要求也越來越高，尤其在快速定位和精度要求較高的系統中，對定位精度就提出更高的要求。本設計方案在游標卡尺激光打標中獲得了成功應用。
參考文獻：
【1】 徐建軍主編。MCS-51系列單片機應用及接口技術[M].北京：人民郵電出版社，2003。
【2】 郭慶鼎，王成元。交流伺服系統[M].北京：機械工業出版社。1996。
