张 杨， 李彬华， 程向明， 杨 磊， 张益恭

(1.昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650504;2.中国科学院 云南天文台，云南 昆明 650216;3.中国科学院 天体结构与演化重点实验室，云南 昆明 650216;4.中国科学院 天文大科学研究中心，北京 100012)

基于PMAC的角编码器检测控制系统*

张 杨1， 李彬华1， 程向明2，3，4， 杨 磊2，3，4， 张益恭2，3，4

(1.昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650504;2.中国科学院 云南天文台，云南 昆明 650216;3.中国科学院 天体结构与演化重点实验室，云南 昆明 650216;4.中国科学院 天文大科学研究中心，北京 100012)

光杠杆角编码器检测装置用于角编码器的误差检测,可提高天文望远镜的运动控制精度。该装置需要较高精度的转动控制，并实现自动检测。根据该检测装置的功能要求，以可编程多轴运动控制器(PMAC)为核心，设计了角编码器检测装置的控制系统，搭建了控制系统的硬件平台，编写了控制系统的应用软件，实现了CCD曝光与码盘数据采集的同步。实验结果表明:该装置转台的重复定位误差绝对值小于4″，满足角编码器检测系统的要求。

运动控制； 可编程多轴运动控制器； 角度检测； 程序设计； 角编码器

0 引 言

现代天文望远镜需要借助角编码器实现高精度的运动控制，随着天文观测要求的提高以及天文技术的进步，对于应用在天文望远镜中的角编码器也提出了更高的精度要求[1,2]，为了获得高精度的测角数据，需要对角编码器进行检测与校正[3]。在国家自然科学基金的资助下，云南天文台设计了一种采用光杠杆方法检测角编码器的装置，通过多次小角度的测量实现整周角度检测。采用自动化的转台控制技术和CCD图像采集技术可显著提高检测效率[4]。

该装置的核心是一个双轴转台，两个转轴需要在控制系统的作用下按照特定次序依次转动，此外，控制系统还需要完成相机曝光和角编码器数据采集的同步。运动控制系统经过不断发展演变，功能越来越强大，其硬件核心从最初的单片机逐步发展到可编程逻辑控制器(PLC)再到数字信号处理器(DSP)以及现场可编程门阵列(FPGA)，控制能力从单轴逐步发展到多轴，系统集成度越来越高，运算速度越来越快，扩展性越来越好[5]。

根据云南天文台角编码器检测装置的要求，本文设计了一个双轴高精度转台控制系统，其运动控制系统基于Delta Tau公司的可编程多轴运动控制器(programmable multi-axis motion controller，PMAC)卡构建，基于PMAC实现了角编码器数据采集和CCD曝光的同步。

1 控制系统的需求分析与策略

云南天文台角编码器检测装置采用双轴形式的转台，上下两个转轴的轴线重合，用两个步进电机分别控制其转动。实物以及结构如图1所示。

图1 检测装置的实物与结构图

该检测装置的转台是两个步进电机驱动的蜗轮蜗杆转台，其传动比分别为180和90，步进电机的型号为42BYG250CⅡ，角距为1.8°。待测角编码器为雷尼绍(RENISHAW)52 mm绝对式环形光栅。

角编码器检测控制系统的设计要求如下：1)能够自动完成整周检测，其间不需要人工干预；2)可设置的检测参数包括：单步检测角度、单步检测图像数、检测数据保存路径等；3)具备转台控制调试所需的基本功能：转速调节、定点转动、增量转动、零点设置及保存、自动恢复零点等；4)实时采集并显示转台转角、速度等信息；5)实时采集并显示角编码器的转角读数；6)设置转台限位，限位范围为-1°～361°，且可方便取消及恢复限位；7)能够给CCD相机发送曝光脉冲，脉冲频率及数目可调，并能够同步采集角编码器读数；8)下转台重复定位误差绝对值小于4＂。

针对上述要求，并结合检测装置转台电机的情况，选用了型号为DM400的雷赛步进电机驱动器。另外，由于美国Delta Tau公司的PMAC卡具有强大的运动控制能力和丰富的可扩展性[6]。选择了以PMAC为核心来构建运动控制系统。

2 硬件设计

硬件系统以PMAC运动控制器为核心，本系统选用的具体型号为Turbo PMAC2-Eth-lite控制器(clipper)。它功能强大而且结构紧凑，可同时处理8轴的计算，具有100 Mbps以太网接口并内嵌了PID/陷波/前馈伺服算法的功能。高速响应性和高精度位置控制使其可用于绝大部分高精度运动控制的场合，比如高精度转台控制或者天文望远镜控制等[2,7]。此外，基于PMAC卡的I/O扩展设备和运动寄存器，可以方便地实现数据的实时采集[8]。

2.1 硬件系统结构

检测控制系统的硬件结构如图2所示，该系统主要由PMAC运动控制单元(包括Clipper卡、附件卡和转接板)、转台(含电机)、步进电机驱动器、光栅角编码器数据采集单元(包括光栅角编码器和读数头)和CCD相机等组成。工作站作为控制系统的上位机，由其完成检测系统控制的人机交互及数据采集。PMAC控制器是控制系统的下位机，主要负责转台的运动控制、编码器数据采集与转发，以及图像数据采集的控制。

图2 角编码器检测控制系统结构图

2.2 硬件参数配置

硬件系统搭建完成后还需要对PMAC卡进行参数配置，参数配置主要包括：脉冲+方向信号参数配置、I/0端口参数配置和读数头通信协议参数配置。

步进电机的脉冲加方向控制模式可通过PMAC自带的全数字脉冲频率调制(PFM)电路实现，其信号通过转接板DTC—8B的1#,2#轴分别控制上转台和下转台。为了获取这一信号，PMAC必须正确设置相关的I变量才能使PFM电路正常工作。这里需设置I7016=3，作用是设置第一个通道输出模式为PFM。

为了实现CCD相机的图像数据采集控制，选择PMAC提供的通用数字输入输出端口(J9)，该接口包括8组输出/入端口(MO1～MO8，MI1～MI8)和1组+5 V供电端。选择其中一组输出端口MO1用于发送外部触发脉冲信号。ACC—84S通过32位绝对式读数头将光栅数据反馈给Clipper卡，它采用BISSC通信协议方式与Clipper卡通信。本系统的两个读数头采用对称安装的方式，用于消减转轴的偏心误差。

此外，PMAC提供了固化在DSP中的完整的PID控制算法，其PID参数整定的过程，采用本文作者以前的做法[7]，在此不作赘述。

3 软件设计

本控制系统的软件需要将硬件系统的各个组成部分有机地联系起来，按照系统的设计要求，开发出相应的功能模块，并协调相互之间的逻辑关系，还需要提供友好的人机交互界面。在上位机软件中还需要正确地设置与下位机通信的方式。如前所述，本系统的上位机软件采用VC++语言编写。

3.1 软件主要功能设计

本系统在VS2010应用平台上采用MFC开发了上位机软件。上位机软件界面如图4所示，它主要分为上、下转台基本功能模式、N-1检测功能模式和光栅数据模块。

图3 上位机软件界面

该控制界面实现了仪器所需的功能，主要由6个功能模块来完成:1)基本功能模块：实现电机(转台)的转动操作(包括增量转动、定点转动及停止)、回零、调速、关闭电机以及退出程序等功能。2)零点位置模块：保存当前位置为电机的零点位置信息，并可恢复转台零点。3)转台状态模块：上、下转台的实时位置、速度、跟随误差信息显示。4)N-1检测模式：选择下转台每步转动的角度，当下转台转动相应角度后，上转台相对于下转台回转相同角度。该模块可完成角编码器的自动检测。5)同步模块：实现相机曝光控制和光栅数据采集的同步。6)实时显示和保存模块：实现光栅数据实时显示及保存，设置光栅当前位置为零位以及读取光栅的绝对位置。

对于系统的安全功能方面也做了相应的设计。对电机设置了双重软限位。首先是下位机限位，通过I113和I114变量分别设置转台正向限位为361°和转台负限位为-1°。其次是上位机程序限位，当上位机检测出转台到了限位或者程序发生错误，上位机会发出Kill命令，停止电机运行。

3.2 上位机软件流程

按角编码器检测控制系统的设计要求，控制软件的主要任务是：上位机根据用户需要的角度转动转台，记录码盘数据和CCD光斑位置。随后下转台相对于上转台往反方向转动相同角度，再次记录码盘数据和CCD光斑位置，随后转台进行下一角度的检测。据此给出控制系统的检测流程图如4所示。

图4 系统主流程图

3.3 与PMAC通信的编程接口函数

PMAC卡为用户提供了与PC通信的接口—PComm32Pro通信驱动程序，它是在Windows下创建的开发工具，有400多个功能函数可用于设定和使用[9]。为了使上、下位机成功通信，必须在上位机操作系统上预先安装Pewin 32驱动程序，安装调试好动态链接库，使Clipper卡在该操作环境下完成注册。

在VS2010的开发平台下调用动态链接库可以完成角编码器检测系统的操作界面和控制功能。常用的函数有PmacRemoveDownloadFile(),PmacGet-Response(),PmacSendLine()。如PmacSendLine()函数可通过上位机在线发送命令字符串给Clipper卡。

3.4 CCD曝光与角编码器数据采集的同步

根据设计要求，需要实现CCD相机曝光与角编码器数据采集的同步。如果采用“上位机发出曝光脉冲命令后再执行位置数据采集”的方式，由于上位机延迟的不确定性，可能导致十几个毫秒到几百个毫秒不等的不同步，所以，需要设计更加精准的方式来实现同步功能。

由于PMAC卡下位机具有运算速度快，且独占运算线程的优势，PLC程序在每次发出触发脉冲时，由于脉冲宽度约为0.5 ms，所以，可利用这段时间由下位机缓存记录此时的角编码器数据，在触发完成后由上位机保存，从而实现CCD曝光与角编码器数据采集的同步。

4 系统调试与结果分析

由于本运动控制系统主要针对下转台的控制精度提出了较高的要求，所以测试只针对下转台。根据测试要求编写了特定的测试程序，由测试程序控制转台往返转动5圈，转动步长为5°，每步间隔5 s用于角度数据采集。转台转动360°后反向转动，回到原位置即为一圈。以2个读数头采集的方位角位置数据的均值作为码盘实测方位角位置。共10组数据，求出后9组数据与第一组相应数据之差作图，得到的下转台重复定位误差，结果如图5所示。

图5 转台重复定位误差

测试结果表明:下转台各个测试点的重复转动定位误差在±4″以内。误差的均值为0.011 9″；标准差为0.857 1″；重复误差的均方根值为为0.856 9″。系统控制性能满足设计要求。

5 结 论

本文从硬件、软件两方面介绍了基于PMAC的角编码器检测控制系统。硬件方面，以PMAC控制器为核心，利用步进电机驱动器控制步进电机实现转台转动。软件方面，按照系统控制要求设计了控制软件及界面，并实现了CCD曝光和角编码器光栅读数头数据采集的同步。经实测，重复定位误差在±4″以内，满足角编码器检测系统的控制要求。目前，该控制系统已经投入使用，为光机电系统联调和角编码器件的检测奠定了基础。

[1] 程景全.天文望远镜原理和设计[M].北京：中国科学技术出版社,2003.

[2] 黄 垒,魏建彦,姜晓军,等.基于PMAC的天文望远镜控制系统研究及应用[J].天文研究与技术,2015(1):44-53.

[3] 于 海,万秋华,王树洁,等.光电轴角编码器误差检测技术的发展动态[J].光电子技术,2013(3):145-150.

[4] 程向明,张益恭,赵志军,等.基于光杠杆的测角器件检定方法：中国， 201310004883.9[P].2013—01—07.

[5] 郗志刚,周宏甫.运动控制器的发展与现状[J].电气传动自动化,2005(3)：10-14.

[6] Delta Tau Data System Incorporated.Turbo PMAC /PMAC2 software reference manual[EB/OL]. http:∥www.deltatau-china.com/,2010.

[7] 叶 剑,李彬华,程向明,等.新型等高仪转台运动控制系统设计[J].光学技术,2015(2):171-176,180.

[8] 罗 钧,马先德,刘学明,等.基于光栅传感器的三坐标数据采集系统研究[J].传感器与微系统,2010,29(4):38-40.

[9] Delta Tau Data System Incorporated.Pcomm32 PRO software reference manual[EB/OL].http:∥www.deltatau-china.com/files/zlxz/PCOMM32-PRO.pdf.2010.

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

国家自然科学基金委员会—中国科学院天文联合基金资助项目(U1331109)

TP 212

A

1000—9787(2017)03—0087—04

张 杨(1989-)，男，硕士研究生，主要研究方向为高精度运动控制系统设计与实现。

程向明(1977-)，男，通讯作者，硕士，高级工程师，硕士生导师，主要从事天文技术与方法方面的研究工作，E—mail：cxm@ynao.ac.cn。