两自由度绘图仪系统的设计

张 立 众

(陕西理工学院， 陕西 汉中723003)

笔式绘图仪系统的设计方法在实际生活生产中应用比较广泛.例如，在大型的机场和仓库的准确定位系统.本文以笔式绘图仪系统研究对象，分析说明了笔式两自由度自动绘图仪系统实现和调试方法，完成了系统硬件电路的搭建以及软件的设计.

1 系统工作原理

可编程控制器MicroLogix1500是系统中逻辑控制的中心.通过对它编程，可以实现把从RSView32中采集来的数据进行分析处理，然后准确地控制电机运动.由于系统的控制对象为步进电机，因此必须有高速脉冲源，基本单元为1764-28BXB的MicroLogix1500，支持两个高速输出点(O0:0/2和O0:0/3).这两个高速输出点既能用作标准输出(非高速输出)，又能组态为高速脉冲串输出(PTO).因此通过改变功能文件PTO中的参数值，来控制步进电机运行的距离与速度.

在本系统中，所使用的是步进电机.根据步进电机的自身的特点，即由于步进电机的步距不受电压波动，负载和环境的影响，起动、停止或反转均是输入脉冲信号控制，在不丢步的情况下运行，其角位移的误差不会长期积累.因此这种电机特别适合在开环控制系统中应用，所以本系统采用了开环控制.

系统的工作过程：1)在组态软件RSView32[1]中的绘图板上用鼠标绘制你想要的图形.2)可编程控制器(MicroLogix1500)对组态软件RSView32中鼠标的位置和速度数据信息进行采集.3)可编程控制器(MicroLogix1500)对采集来的数据进行处理并控制两个步进电机运动，最终来实现步进电机跟随人机界面上的图形的变化而运动.

2 两自由度绘图仪系统的实现

2.1 系统人机界面的实现

系统人机界面的实现是通过对罗克韦尔组态软件RSView32的编辑来实现的.RSView32是一种基于Windows的用于上位监控和数据采集以及人机界面(HMI/MMI)的软件.RSView32将微软公司的VBA(Visual Basic for Application)―世界上应用最广泛的程序开发语言嵌入了产品内核.由于这种开放的体系结构，使扩展和增强RSView32程序成为可能.

ActiveX控件是一种通过诸如：Microsoft的Visual Basic、Rockwell Software的Rstools等产品，由RSView32独立提供的软件组件.ActiveX控件提供了一种通过对象的属性、事件、方法，对象进行存取的功能.具体实现是通过ActiveX控件的开发与创建，包括：1)创建ActiveX对象.2) VBA程序的开发.在系统的设计过程中，使用了绘图板控件.由于组态软件RSView32的控件库中没有此控件，需要另外用VB对它进行开发，等开发完以后还得将它添加到组态软件RSView32的控件库中，通过VBA程序的编辑，把绘图板控件属性变量，与组态软件RSView32中的Tag对应起来了.接下来只需将RSView32中的Tag与可编程控制器的数据文件的对应就可以了.最后，进行标记数据库的编辑，目的就是将RSView32中的Tag与可编程控制器的数据文件相对应.

系统的人机界面的设计完成.其功能就是，能够使RSView32的标记和可编程控制器数据文件之间建立连接，在组态软件RSView32和可编程控制器之间搭建起一座桥梁.当系统正常工作的时候，可编程控制器很容易采集到人机界面中鼠标的运动信息.为可编程控制器控制步进电机运动提供了准确的依据.

2.2 硬件部分

在系统搭建的过程中，除了PC机和可编程控制器(MicroLogix1500)以外，还需要步进电机以及驱动电路.开环系统由控制器(含脉冲发生器)、分配器、功率放大器及步进电动机组成.此系统的最高工作速度受步进电动机的动态特性限制，对应于一定的负载转矩和负载惯量.步进电动机有一最高的起动频率和运行频率，超过这个频率极限，系统就不能正常工作.本次实验采用DL系列步进电机驱动器DL-025和DL-025M，可驱动二相或四相步进电机，最大提供5A的电流，提供多种细分数和步进角.采用0.9°和0.36°的步进角.

1)PC机与可编程控制器(MicroLogix1500)连接.

在本系统中，可编程控制器使用的就是A-B公司生产的MicroLogix1500，如果要对它进行编程，必须有相应的编程软件RSLogix500.因此，这就涉及到了PC机和可编程控制器之间的连接.在本系统的中，采用了DF1[2]协议.将计算机的串口通过电缆线1761-CBL-PM02与可编程控制器的通信口相连，它们之间需加一个光电隔离器.

2)可编程控制器(MicroLogix1500)与驱动电路的连接..

由于不同的步进电机，其电压等级也是不同的，因此使用驱动电路是非常必要.本系统中，步进电机的电压等级是12V.将芯片DL-025和DL-025M与MicroLogix1500连接，就构成了本系统步进电机的电源驱动电路.这种连接的驱动电路的功能就是：通过在芯片DL-025的脉冲输入端输入5 V的矩形波，可以使步进电机转动.其速度取决于矩形波的频率，其移动的距离取决于输入的脉冲数；通过在芯片DL-025的控制电机正反转端输入高低电平来实现电机的正反转控制.

在本实验的硬件连接中，MicroLogix1500的输出口2和3可以输出高频率的脉冲，可以作为控制步进电机转动的输入脉冲.所以可以选择可编程控制器(MicroLogix1500)的输出口3直接与驱动电路的脉冲输入端相连，MicroLogix1500的输出口8是一般的输出口，用于控制步进电机的正反转的控制.所以采用MicroLogix1500的输出口8直接与驱动电路的电机正反转控制端相连.在实际的连线中，必须在驱动电路中的脉冲输入端和接地端之间并联接入一个10K的电阻，这是由于MicroLogix1500的输出口2和3属于晶体管输出，加入10K电阻后对输出有分流的作用，最重要的是能使高速输出口2和3输出比较标准的矩形波.

2.3 软件部分

在系统硬件搭建完以后，使用罗克韦尔通信组态软件RSLinx[3]进行通信组态，使用罗克韦尔编程软件RSLogix500进行编程.主程序流程图如图1所示.

图1 主程序流程图

根据系统的要求，此系统主要实现了下面几个功能：1)脉冲源的产生.控制步进电机转动的脉冲源是MicroLogix1500控制器的PTO功能文件.PTO脉冲串输出文件(PTO)基本单元为1764-28BXB的控制器，它支持两个高速输出点(O0:0/2和O0:0/3).这两个高速输出点既能用作标准输出(非高速输出)，又能组态为PTO输出.PTO功能允许从控制器直接控制运动曲线或脉冲分布曲线(脉冲分布曲线有3个主要部分：①脉冲总数；②加速减速时间；③匀速运动时间).在PTO功能文件内，也有两个元素：PTO0和PTO1，这些元素可以组态PTO，也允许控制程序读写关于脉冲输出的信息.2)步进电机的速度控制：步进电机的速度控制好坏，也体现了整个系统的随动效果的好坏.3)步进电机的位置控制：为了使步进电机的运动准确的跟随上位机中鼠标的运动，必须控制步进电机的位置，这是程序中最关键的.程序结束后画笔自动归位.

2.4 系统的运行与调试

2.4.1 通信组态及程序的运行

进行通信组态后.打开RSLogix500运行程序可以运行程序了.

2.4.2 人机界面的运行

打开组态软件RSView32后，打开编写的项目，打开组态软件RSView32的“逻辑和控制”栏中 “Visual Basic 编辑器”.双击“User Form1”，就会出现一个窗体，此窗体就是编写的绘图板控件.点击运行按钮，人机界面就开始运行了.

3 结 语

本文完成了笔式两自由度自动绘图仪系统的设计.该系统简单，运行可靠.但也存在以下问题：本绘图仪系统是一个开环的随动系统，因此系统本身不可避免的存在一些缺陷，比如精度问题，快速跟随性的问题，对于开环系统，没有反馈装置，必然造成处理器无法判断绘图仪笔的位置.不能实现系统的自动复位，同时当鼠标超出绘图板边框后，重新回到绘图板的区域内时，处理器无法再判断笔的位置.这些问题有待于改进.

参考文献：

[1] Rockwell Software. RSView 32 User’s Guide[M].U.S.A, 1999.

[2] Allen-Bradley Company. DF1 Procotol and Command Set Referece Manual. Allen -Bradley Company[M]. U.S.A, 1996.

[3] Rockwell Software Inc. Getting Results with Rslinx[M].U.S.A, 1998.