Programmierung der Schrittmotorsteuerung „SM1“ und „SM2“
(PT_PIESA, Teilprojekt A2)
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│ Achsen-Festlegung │
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Die 6-Achs-Motorsteuerung kennt zwei Arten von Achs-Festlegungen:
- Bediener-Achsen (so wie in Bedienung.txt festgelegt)
- Motor-Achsen (so wie die Motoren hardwaremäßig angeschlossen sind)
Wenn nicht anders bezeichnet, geht es in diesem Dokument um Motor-Achsen.
Diese sind standardmäßig wie folgt angeschlossen:
0 = A - Drehachse mit 1 Referenzkontakt
1 = B - Drehachse mit 1 Referenzkontakt
2 = S - Spindel als Demonstrator ohne Kontakt
3 = X - Schiebetisch mit 2 Endschaltern
4 = Y - Schiebetisch mit 2 Endschaltern
5 = Z - Hubtisch mit 2 Endschaltern
Macht in Summe 8 Endschalter = maximal anschließbar
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│ Steuerung │
└───────────┘
Serielle Schnittstelle: 38400-8-n-1, globales TimeOut bei 200 ms, kein oder Hardware-Handshake
│Schnittstellen-Kommandos:
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Die Fernbedienung erfolgt mit den folgenden Steuerzeichen.
Die Zeichen <80h haben faktisch die gleiche Funktion wie die Lokalbedienung.
Alle Mehr-Byte-Binärzahlen sind Little-Endian (LSB zuerst) und vzb. Integerzahlen.
Die Motorsteuerung sendet niemals von sich aus Daten.
Viele Binärkommandos, erspart printf()/scanf() in Firmware
Werden mehrere Kommandos hingeschickt, kommen auch mehrere Antworten.
Eine Ausnahme ist '&', es wird durch Folgekommandos abgebrochen.
Abfragen (bspw. Motorposition) werden sofort beantwortet und in den
256-Byte-Ausgabepuffer eingeschrieben.
=== EINZELBYTE-KOMMANDOS ===
PC OUT PC IN Funktion
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0 - wird ignoriert, kann zur Synchronisation
nach Kommunikationsverlust gesendet werden
20-25 - Stopp für Einzelmotor
'#' '#' Echo-Prüfung (kurzer Anwesenheitstest der Motorsteuerung)
'$' 4 Byte Datensatz-Nummer (0-basiert), bei dem der Abbruch
der letzten koordinierten Bewegung erfolgte
'%' 4 Byte Mikrocontroller-Auslastung abfragen und Min/Max rücksetzen
1 Byte Minimum-Load (hier ca. 20 = 0%, aber 0 = 0% kann man getrost annehmen)
1 Byte Maximum-Load (0xFF = 100%)
2 Byte gleitender Load-Mittelwert (0xFF00 = 100%)
'&' '&' liefert Antwort sobald alle Motoren ohne Zielfahrt sind
ODER EEPROM-Schreiben beendet wurde.
Ggf. TimeOut-Wert der Schnittstelle erhöhen.
Andere Kommandos beenden diesen Wartemodus
'?' "SM1" (sm1) zur Unterscheidung und Anwesenheitstest …
"SM2" (sm2) … für die Anwendungssoftware
'0'-'8' - Achse für Folgekommandos auswählen (sm1)
Zuweisung (Verkabelung) zurzeit:
0 = OWIS-Schiebetisch: Greiferverschiebung
1 = OWIS-Drehtisch: Revolver
2 = Eigenbau-Schiebetisch (zz. nicht benutzt)
3 = Greiferplattform Z-Achse (Hubbewegung)
4 = Greiferplattform links/rechts neigen
5 = Greiferplattform vorn/hinten nicken
6 = Parallelkinematik Einzelmotor vorn links
7 = Parallelkinematik Einzelmotor vorn rechts
8 = Parallelkinematik Einzelmotor hinten
'0'-'7' - Achse für Folgekommandos auswählen (sm2)
0 = Schrittmotor-Achse A
1 = Schrittmotor-Achse B
2 = Schrittmotor-Achse S
3 = Schrittmotor-Achse X
4 = Schrittmotor-Achse Y
5 = Schrittmotor-Achse Z
6 = DC-Fokusmotor 0 *
7 = DC-Fokusmotor 1 *
'A'-'F' 8 Byte Motorstruktur der Schrittmotoren 6,7,8,0,1,2 (sm1) oder 0..5 (sm2) abfragen
1 Byte Zustand
HUNT Bit 0: Zielfahrt-Modus
REFF Bit 1: Referenzfahrt-Modus
BRAKE Bit 2: Bremsung aktiv
SLOW Bit 3: Langsame Referenzschaltersuche (3. Pass)
FULL Bit 4: Motor bestromt
PHA Bit 7-5: Phasenlage
1 Byte vzb. Beschleunigung (max. ±64), in Mikroschritt/125²µs² * 2^ea (zz. ea=-9)
2 Byte vzb. Geschwindigkeit (max. ±512) in Mikroschritt/125µs
4 Byte vzb. Mikroschritt-Position
256 Mikroschritte sind 1 Halbschritt
'G'-'J' - Greifer 0..3 auswählen (sm1), Zuweisung zurzeit:
G = Hochspannungs-Greifer 300 V
H = Vakuum-Greifer
I = nicht belegt
J = frei für Hochspannungs-Greifer 2 kV
'K'-'Z' - Greifer 4..19 auswählen (nur „sm1“ mit kaskadierter „do1“)
allesamt Magnetventile für Ansaugvorrichtungen
'g' - Greifer ein/ausschalten (nur sm1)
'h' - Greifer ausschalten (nur sm1)
'+' - 1 Schritt mit ausgewählter Achse in positive Richtung
'-' - 1 Schritt mit ausgewählter Achse in negative Richtung
'a' - 1 Geschwindigkeits-Schritt mit ausgewählter Achse in positive Richtung
'b' - 1 Geschwindigkeits-Schritt mit ausgewählter Achse in negative Richtung
'c' - Stopp für alle Achsen (für alle Motoren)
'd' - Demo-/Schmiermodus Serienkinematik (Anbauten abbauen!)
'e' - Demo-/Schmiermodus Parallelkinematik (Anbauten abbauen!)
'f' - Nullpunkte (für Parallelkinematik und Eigenbau-Schiebetisch) setzen
Setzt alle (mit "A".."F" abfragbaren) Positionen zu Null.
Setzt Referenzierung (REF-Bit).
Bei vorhandener Referenzierung werden auch die Software-Endschalter verschoben.
't' - Referenzierung aller Motoren aufheben (löscht die REF-Bits)
'u'-'z' - Referenzierung eines Motors aufheben (löscht REF-Bit)
'@' abcd von Lokalbedienung einstellbare Zustände abfragen (binäre Bytes)
a = Achsnummer (0..8 bzw. 0..7)
b = Greifer-Nummer {nur sm1}
c = Greifer-Zustand (0 oder !0) {nur sm1}
d = DemoMode
'~' a bringt die Motorsteuerung für 100 ms in den Remote-Zustand
(d.h. Lokalbedienung wirkungslos) und fragt den Tastenzustand ab
Bit 0 - rechte Taste (rot)
Bit 1 - Shift-Taste oder Druckknopf des Inkrementalgebers (schwarz)
Bit 2 - nächste Taste (grün)
Bit 3 - linke Taste (blau)
Bit 7:4 - Position des Inkrementalgebers
Differenzen und Tastenstatusänderungen muss die Auswertesoftware bilden.
Gelbe LED im Flackerlicht (zeigt Remote-Zustand an, wechselt bei jeder Anfrage)
* Zurzeit (100819) nicht richtig implementiert
=== MEHRBYTE-KOMMANDOS (RAM) ===
Mehrbyte-Kommandos haben im Kommandobyte Bit 7 gesetzt.
Danach folgt die Nutzdaten-Länge in Bytes, danach die Nutzdaten.
PC OUT PC IN Funktion
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0x80..0x85 - Sollposition setzen und Zielfahrt/Referenzfahrt ausführen
länge <länge> = 1..16 (typisch 1 oder 8)
Daten 1 Byte Kommando-Kode
Mögliche (sinnvoll erscheinende) Kombinationen
1 = Zielfahrt absolut
5 = Zielfahrt relativ (bei ROTA-Flag wird die Ist-Position vorher in den Bereich Min..Max normalisiert)
2 = Referenzfahrt in Normalrichtung (wie im EEPROM festgelegt)
6 = Referenzfahrt in Gegenrichtung
HUNT Bit 0: Zielfahrt starten
REFF Bit 1: Referenzfahrt starten
RIGHT Bit 2: Schaltersuche umschalten / REL relative Positionsangabe für Zielfahrt
SLOW Bit 3: Schleichfahrt (sonst automatisch erst schnell, dann langsam)
1 Byte vzl. Maximalbeschleunigung, 0 = Maximum aus EEPROM, CNAN = vorhergehender Wert
2 Byte vzl. Maximalgeschwindigkeit, in Mikroschritt/125µs, 0 = Maximum aus EEPROM, INAN = vorhergehender Wert
4 Byte Zielposition, in Mikroschritt◊, oder explizite Referenzfahrtrichtung (negativ ist normal!), LNAN = vorhergehender Wert
+∞ fährt bis zum positiven Limit, bei ROTA-Flag wird die Ist-Position permanent im Bereich Min..Max gehalten
-∞ fährt bis zum negativen Limit
4 Byte Lage des linksseitigen Software-Endschalters, in Mikroschritt◊, LNAN = vorhergehender Wert
4 Byte Lage des rechtsseitigen Software-Endschalters, in Mikroschritt◊, LNAN = vorhergehender Wert
0x88..0x8D - nur Limits oder Flags setzen
länge <länge> = 1..24
Daten Erstes Byte (wird automatisch im EEPROM gespeichert):
LEFT Bit 0: Motor dreht andersherum (bspw. sinnvoll wenn eine Phase vertauscht wurde)
REF Bit 1: Motor referenziert, Software-Endschalter wirksam
RIGHT Bit 2: Schaltersuche nach rechts (zum Ende hin)
MANU Bit 3: Niemals Referenzfahrt; Kommando setzt Referenzposition an aktueller Stelle
HOLD Bit 4: Motoren dauerhaft bestromt (mit verringertem Haltestrom)
ROTA Bit 5: umlaufender Antrieb ohne Software-Endschalter, Software-Endschalter geben Periode vor (von Anfang bis Ende-1)
DEMO Bit 6: Demo-Modus (ungenutzt!)
AZ Bit 7: Nach Referenzfahrt zur Null eilen
Wenn nicht gesetzt, steht nach der Referenzfahrt in <Soll> die Abweichung von der letzten Referenzfahrt.
weiter wie oben, Folgebytes werden nicht im EEPROM gespeichert
0x8E..0x8F - Koordinierte Bewegung einleiten
1..6 Anzahl der beteiligten Motoren (wenn =0 oder >6 ist das Kommando wirkungslos)
Kanalliste Motoren-Liste
Dieses Kommando schaltet die Firmware in den Modus „Koordinierte Bewegung“.
Ab sofort wird die Schnittstelle auf 115200 Baud umgeschaltet,
und es sollte ein Datenstrom an Geschwindigkeits- (0x8E)
oder Beschleunigungs- (0x8F) -Vektoren mit 1 kSa/s fließen.
Der Ausgabe-Datenfluss muss mit XON/XOFF-Protokoll gesichert werden.
Ungültige Bytes (0x80 == NaN) führen zum (kontrollierten!) Abbruch.
Veränderungen an der Lokalbedienung werden im Rückkanal gemeldet;
es funktioniert nur noch S802 (Stopp).
Fehler sind Zeitüberschreitung (bei v=0) und Datenstromabriss (bei v≠0)
Weiterer Datenstrom siehe unten!
0x90..0x95 <länge> Motor-Struktur (insgesamt 32 Bytes) abfragen
2
offset <offset> = 0..31
länge <offset>+<länge> ≤ 32
Damit können alle variablen Infos abgefragt werden.
Die Daten liegen hintereinander:
- wie bei Kommando 'A'..'F' (8 Bytes)
- wie bei Kommando 0x88..0x8D (16 Bytes)
- danach 8 Bytes, die weniger interessant und zumeist funktionslos sind
- 2 Byte Pilgerschritt
- 1 Byte Ruck
- 1 Byte Endschalter-Zuordnung
- 1 Byte Endschalter-Zuordnung
Bit 0 = Endschalter motornah vorhanden
Bit 1 = Endschalter motorfern vorhanden
Bit 2 = Referenzschalter vorhanden
Bit 3 = Endschalter motornah/motorfern vertauscht
Bit 4 = Endschalter mit invertiertem Signal
- 2 Byte weitere Flags
- 1 Byte PowerDownCounter
- 1 Byte Einzelbeschleunigungskommando
Mittels <offset> und <länge> kann ein beliebiger Ausschnitt der 32-Byte-Motordaten gelesen werden,
um den Datenverkehr auf der RS232-Schnittstelle zu minimieren.
0x98..0x9D - Motor-Struktur setzen (beliebiger Offset)
Vorläufig undokumentiert!
◊ Die irrelevanten Bits werden von der Firmware auf Null gesetzt.
Die angegebenen Konstanten sind wie folgt festgelegt:
CNAN = 0x80
INAN = 0x8000
LNAN = 0x8000000
+∞ = 0x7FFFFFF
-∞ = 0x8000001
=== MEHRBYTE-KOMMANDOS (Flash/RAM/EEPROM) ===
Diese Mehrbyte-Kommandos dienen zum Zugriff insbesondere auf den EEPROM,
der die persistenten Einstellungsdaten speichert.
Damit kann PC-Steuersoftware in gewissen Grenzen plug-and-play-fähig
gemacht werden, da diese steuerungsspezifische Daten wie Spindelsteigung
aus dem EEPROM entnehmen kann.
PC OUT PC IN Funktion
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0xA0 <länge> Flash/RAM/EEPROM lesen
4
adrL Adresse Low-Teil
adrH Adresse High-Teil
target 0 = Flash, 0x80 = RAM, 0x81 = EEPROM ♠
länge Anzahl Bytes, 1..255
0xA1 - Flash/RAM/EEPROM schreiben
länge <länge> = 4..255
adrL
adrH
target 0 = Flash, 0x80 = RAM, 0x81 = EEPROM ♠
<daten> <länge>-3 Bytes Nutzdaten
♠ Dies entspricht der Linkerskript-Vorgabe des AVR-GCC,
wobei 0x00 .. 0x7F einen bis zu 8 MByte großen Flash adressiert
EEPROM schreiben darf nicht durch ein anderes Mehrbyte-Kommando
unterbrochen werden, d.h. nach dem Absetzen dieses Kommandos
muss eine Sendepause von 10 ms pro Byte eingelegt werden.
Einzelbyte-Kommandos werden weiterhin verarbeitet,
ein Mehrbyte-Kommando bricht das EEPROM-Schreiben ab.
Einige Motorsteuer-Funktionen bestehen auf lesefähigen EEPROM,
diese funktionieren nicht während des EEPROM-Schreibens.
Auf das Ende des Schreibens kann mit dem Kommando '&' gewartet werden.
Flash schreiben ist zz. nicht implementiert.
Das Lesen von RAM kann Seiteneffekte und Abstürze auslösen,
wenn vom E/A-Ports gelesen wird.
Das Schreiben von RAM löst ziemlich sicher Abstürze aus,
wenn Register, E/A-Ports oder der Stack überschrieben wird.
=== EEPROM-Inhalt ===
Der EEPROM enthält Konfigurationsinformation in der folgenden Form:
8 Byte Header ab EEPROM-Adresse 0:
Adresse Name Länge Inhalt Beschreibung
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0 fv 2 8000 Berechnungsschritte pro Sekunde für <v> (8 kHz)
2 ea 1 -9 Exponent zur Basis 2 für <a> (64 kHz² als Basis)
3 xs 1 8 Irrelevante Bits für Positionsangabe (hier: Halbschritt)
4 le 1 ≈20 Ausgabewert für Load = 0 % (siehe Kommando '%')
5 lf 1 255 Ausgabewert für Load = 100 % (siehe Kommando '%')
6 bd 1 0x19 Baudrate gemäß Baudrate.htm
7 nm 1 0x46 6 Motor-Achsen (Low-Nibble) à 48 Byte,
4 = Shift-Wert von fv auf Sampletakt für Bahnsteuerung
Die Angaben <fv> und <ea> sind zur Einheitenumrechnung bei Geschwindigkeit
und Beschleunigung erforderlich, siehe LabVIEW-Beispiel!
Die Angabe <xs> dient zum Ausblenden von Bits beim Auslesen und Anzeigen des Istwertes.
Die Angabe <nm> ist zur Berechnung von EEPROM-Offsets heranzuziehen!
Es folgen:
6 x 48 Byte Motordaten ab EEPROM-Adresse 8 (Quelltext: struct EeMotor):
Adresse Name Länge Inhalt Beschreibung
──────────────────────────────────────────────────────────────────────────
0 Ist 4 0 Position zurzeit (wird häufiger geschrieben)
4 flags 1 0 Nichtflüchtige Bits
0 = LEFT Phasenumkehr der Motorbestromung
1 = REF Position referenziert
2 = RIGHT Default-Referenzschaltersuche zur Motorferne
3 = MANU Niemals Referenzfahrt, sondern Null-Setzung
4 = HOLD Dauer-Bestromung des Motors
5 = ROTA Umlaufender Antrieb ohne Endlagen
6 = PILG ¿Pilgern, sonst Spielausgleich
7 = AZ Zielfahrt nach Null nach Referenzfahrt
5 MaxAccel 1 64 Maximale Beschleunigung
6 MaxSpeed 2 ≈128 Maximal erlaubte Verfahrgeschwindigkeit
8 RefPos 4 0 Position des Referenzschalters ‡
12 Anfang 4 -∞ Software-Endschalter links †
16 Ende 4 +∞ Software-Endschalter rechts †
20 Pilger 2 0 Pilgerschritte oder Spiel, vzb., max. ±127 Halbschritte
22 Jolt 1 0 (Maximaler) Ruck, 0 = ohne Ruckbegrenzung
23 endsw 1 3 Endschalter-Zuweisung, Bits:
0 = Endschalter motornah vorhanden
1 = Endschalter motorfern vorhanden
2 = Referenzschalter vorhanden (gleiche Leitung wie „motornah“)
3 = Endschalter-Leitungen motornah/motorfern vertauscht
4 = Endschalter mit invertiertem Signal (Schließer)
24 fl2 1 0 weitere Flags (vorgesehene Verbote)
4 = DEMO ¿ungenutzt
5 = F2AR ¿Automatisch Referenzfahrt beim Einschalten
6 = F2RR ¿Keine Bewegung ohne Referennz
7 = F2RV ¿Referenzverlust beim Einschalten
25 fl3 1 0 unbestimmt
26 Current 1 ≈50 Strom durch Motorwicklung, in 20 mA (einstellbar ab SM3, sonst nur Anzeigegröße)
27 Curve 1 0 Kurvenform der Sinusinterpolation (mikroschrittfähiges SM3+)
28 PerUnit 4 ≠0 Mikroschritt pro Einheit — nur für PC-Software (C: float, PASCAL: single)
32 Unit 8 "mm" Einheitenbezeichner in UTF-8 — nur für PC-Software
(nullterminiert oder nicht terminiert)
40 FreeForApp 8 0 Handle o.ä. für Anwendungsprogramm
† darf ∞ sein, wenn Hardware-Endschalter vorhanden, sonst nicht.
NaN ist nicht erlaubt.
‡ darf sich auch außerhalb von Anfang und Ende befinden.
NaN oder ∞ ist nicht erlaubt.
Es folgen:
6 x ?? Bytes Motor-Achsbezeichnung (nullterminierte UTF-8-Strings)
In LabVIEW exisitert für die Binär-Interpretation des seriellen Datenstroms
eine passende Komponente: Daten serialisieren / deserialisieren.
=== Koordinierte Bewegung ===
Nach dem Umschalten auf Koordinierte Bewegung erwartet die Steuerung
die stetige Übergabe von char-Geschwindigkeits- bzw. Beschleunigungsvektoren
für jede der Achsen, mit XON/XOFF-Flusskontrolle.
(char-Geschwindigkeitsvektoren beschränken auf vmax=±127!)
Der Eingangspuffer hat eine Größe von 256 Byte
und die XON/XOFF-Schwelle (High/Low-Watermark) liegt bei 128 Byte.
Die Abnahme der Vektoren durch die Steuerung erfolgt mit 500 Hz,
d.h. auch bei 6 Motoren ist die Datenrate (3840 Byte/s)
immer noch ausreichend (6 x 500 Byte/s = 3000 Byte/s Verbrauch).
Nach dem Umschalten besteht ein TimeOut von 64 ms bis zum Senden
des ersten Vektors.
Das Datenbyte 0x80 (CNAN) beendet den Datenstrom regulär und schaltet auf
die normale Steuerung zurück. Zurückgesendet wird:
80 = End Of Stream erkannt, speed=0 (OK)
Bx = End Of Stream erkannt, speed≠0 (nicht OK!)
Irreguläre Abbrüche sind:
Fx = Beschleunigung zu groß
Ex = Geschwindigkeit zu groß
Dx = Position außerhalb erlaubter Bereich oder auf Endschalter
Cx = Datenstrom-Abriss (Unterlauf) mit speed≠0
A3 = CNAN (0x80) an nicht-erster Position
A2 = Puffer-Überlauf
A1 = Abbruch durch BREAK im Eingangsdatenstrom
A0 = Taste HALT (S802) betätigt
81 = Datenstrom-TimeOut (Unterlauf, speed=0) (auch OK)
Die Ausgabe von BREAK bei Fehlern ist vorgesehen, aber nicht implementiert.
Nach irregulären Abbrüchen verarbeitet die Steuerung eingehende Datenbytes als Kommandos.
Um ein Verhaspeln zu vermeiden, sollte die Steuerung 256 Null-Bytes senden.
(TODO: Dies ist unsauber gelöst.)
Weiterhin meldet die Steuerung Tasteneingaben wie beim Kommando '~',
mit Offset 0x40 (um nicht als XON/XOFF detektiert zu werden), wenn sich da etwas ändert.
Für die Inkrementalgeber-Differenzen werden nur 2 Bit benutzt, und es wird nur 0, +1 oder -1 geliefert.
Damit lässt sich die Lokalbedienung zum Eingriff in die Bahnsteuerung verwenden.
Außer der HALT-Taste; diese terminiert die Bahnsteuerung irregulär.
heha, 110518 ~ 140127
| Vorgefundene Kodierung: ASCII (7 bit) | 8
|