基于ARM9的嵌入式數(shù)控切割控制系統(tǒng)研究

賈 文

JIA Wen

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，柳州 545006）

0 引言

機(jī)械切割系統(tǒng)在工業(yè)加工中有著重要的作用，尤其是在以制造業(yè)為主的我國(guó)生產(chǎn)加工中作用尤為突出，提高機(jī)械切割的效率和精度的意義非常明顯。從20世紀(jì)中葉開始，眾多的研究者就一直圍繞機(jī)床加工的自動(dòng)化和高精度兩個(gè)方向開展研究，產(chǎn)生了以數(shù)控技術(shù)為代表的機(jī)床自動(dòng)化控制技術(shù)，從此也成為機(jī)械加工中不可缺少的產(chǎn)物。數(shù)控加工以其高度的靈活性、控制過(guò)程的自動(dòng)性和加工的精確性給工業(yè)制造帶來(lái)革命性的發(fā)展。如今，嵌入式技術(shù)的迅猛發(fā)展，給數(shù)控加工領(lǐng)域又一次帶來(lái)全新的發(fā)展時(shí)期。采用功能強(qiáng)大、內(nèi)置模塊豐富的微處理器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)絕大多數(shù)的控制任務(wù)，而且在微處理器上還能夠運(yùn)行嵌入式系統(tǒng)，使得基于嵌入式的數(shù)控系統(tǒng)具備完善的系統(tǒng)管理與控制功能，也可以開發(fā)具有高度靈活的交互控制終端，而整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)成本和占用空間都比基于PC模式的數(shù)控系統(tǒng)具有優(yōu)勢(shì)。為此，本文重點(diǎn)研究針對(duì)基于ARM9系列微處理器的數(shù)控切割系統(tǒng)的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)方案。

1 基于ARM9的數(shù)控切割系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的基于ARM9的數(shù)控切割系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)上是通過(guò)CAN總線網(wǎng)絡(luò)互連的結(jié)構(gòu)，在數(shù)控切割系統(tǒng)終端的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。該數(shù)控系統(tǒng)最核心的是ARM9嵌入式處理器S3C2410芯片，該芯片上運(yùn)行的嵌入式控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)數(shù)控切割終端的各種信號(hào)進(jìn)行處理，包括外部輸入的控制信號(hào)和通過(guò)CAN總線傳送過(guò)來(lái)的遠(yuǎn)程控制命令，然后通過(guò)運(yùn)行在處理器上的相關(guān)處理算法和程序，對(duì)切割系統(tǒng)的各種電機(jī)、伺服控制器發(fā)送控制信號(hào)。由于在數(shù)控切割系統(tǒng)中運(yùn)行的程序除了直接對(duì)電機(jī)等各種控制對(duì)象進(jìn)行控制，還需要實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)自身的任務(wù)管理和信息管理以及支撐嵌入式系統(tǒng)正常運(yùn)行的嵌入式操作系統(tǒng)，因此，僅僅依靠S3C2410芯片自帶的存儲(chǔ)空間難以存儲(chǔ)下所有的數(shù)據(jù)，因此部分運(yùn)行程序和算法庫(kù)存儲(chǔ)在外部的FLASH芯片中，運(yùn)行時(shí)將需要運(yùn)行的算法模塊逐塊調(diào)入到ARM芯片中。S3C2410處理器的I/O接口和CAN總線接口與外部的控制信號(hào)相連，使得處理器能夠?qū)ν獠康母鞣N操作和控制命令進(jìn)行響應(yīng)。通過(guò)CAN總線控制，使得數(shù)控切割系統(tǒng)中各個(gè)處理終端都連接在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，在S3C2410芯片可以通過(guò)SPI接口實(shí)現(xiàn)處理器與CAN總線控制器的連接。S3C2410處理器對(duì)伺服電機(jī)的控制是數(shù)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵電路，由于伺服電機(jī)的工作電壓、電流都較大，且工作過(guò)程中干擾較大，因此，在對(duì)切割電機(jī)進(jìn)行控制時(shí)需要通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路和伺服驅(qū)動(dòng)電路兩個(gè)模塊的處理，才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)切割電機(jī)的有效控制。數(shù)控切割系統(tǒng)中除了對(duì)電機(jī)的控制，還需要對(duì)切割過(guò)程中實(shí)現(xiàn)精確的定位與運(yùn)動(dòng)控制。因此在整個(gè)實(shí)現(xiàn)電路中有位置定位模塊和位置測(cè)量監(jiān)控模塊。

圖1 基于ARM9的數(shù)控切割系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

2 基于ARM9的數(shù)控切割系統(tǒng)各主要電路的實(shí)現(xiàn)

2.1 切割控制程序擴(kuò)展存儲(chǔ)方案

由于S3C2410芯片的內(nèi)部存儲(chǔ)空間有限，本文采用SST公司的K9F1208U0A作為擴(kuò)展的程序存儲(chǔ)器，該芯片是一款快速FLASH芯片，具有擦寫速度快、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，尤其是讀取速度僅略低于RAM的讀取速度，因此非常適合作為擴(kuò)展的程序存儲(chǔ)器。K9F1208U0A支持的是8位數(shù)據(jù)訪問(wèn)寬度，與S3C2410芯片相聯(lián)時(shí)，直接按照擴(kuò)展存儲(chǔ)器的方式連接，F(xiàn)LASH芯片的數(shù)據(jù)線直接與S3C2410芯片的數(shù)據(jù)線相連。相關(guān)控制信號(hào)的連接如圖2所示，其中ALE是地址鎖存信號(hào)，CLE是命令鎖存信號(hào)，nFCE是芯片使能信號(hào)。

圖2 基于FLASH的控制程序擴(kuò)展存儲(chǔ)方案

2.2 基于CAN總線的聯(lián)網(wǎng)方案

通過(guò)CAN總線控制器，可以較為方便靈活地實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制嵌入式設(shè)備之間聯(lián)網(wǎng)。本文在設(shè)計(jì)過(guò)程中選用的CAN總線控制器是MCP2515。這是一款通用的可單獨(dú)配置應(yīng)用的CAN總線控制器，總共有18個(gè)外部引腳，常用封裝形式有DIP-18，SOIC-18，如果應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)芯片的尺寸要求不是非常高，可以使用DIP-18的封裝形式，這對(duì)于開發(fā)過(guò)程的調(diào)試、信號(hào)跟蹤分析都有利。在MCP2515芯片中，內(nèi)置有SIP總線接口、數(shù)據(jù)緩存器、中斷控制電路、CAN總線通信接口、復(fù)位電路、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)傳輸控制電路等。該芯片使用時(shí)，通過(guò)內(nèi)置的CAN總線通信接口與外部的CAN總線數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，所有的數(shù)據(jù)在MCP2515芯片中實(shí)現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)格式和SPI通信數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，再通過(guò)SPI接口與S3C2410處理器上的SPI接口完成數(shù)據(jù)交換。雖然SPI接口在通信時(shí)可以分時(shí)雙向傳輸，在任一時(shí)刻，數(shù)據(jù)依然是從主設(shè)備往從設(shè)備傳輸。但在實(shí)現(xiàn)SPI主從控制時(shí)，本文選擇S3C2410處理器作為主設(shè)備，CAN總線控制器作為從設(shè)備，這將有利于S3C2410處理器在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行集中式控制，提高控制效率。

3 數(shù)控切割電機(jī)伺服控制的實(shí)現(xiàn)

3.1 控制信號(hào)電平轉(zhuǎn)換

S3C2410處理器是一個(gè)低功耗的嵌入式處理器，該處理器的工作電平是TTL電平，即用3.3V的電壓表示高電平，0V電壓表示低電平。而切割電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)工作電壓是5~24V。因此，從S3C2410處理器輸出的控制信號(hào)不能直接用于切割電機(jī)的控制。除此之外還有一個(gè)原因即S3C2410處理器其工作頻率非常高、而工作電壓和電流都非常低。切割電機(jī)的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)門限遠(yuǎn)高于S3C2410處理器的輸出信號(hào)值，而且切割電機(jī)的信號(hào)切換干擾非常大，直接將S3C2410處理器的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的升壓變化連接至電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)端，不僅會(huì)無(wú)法正常驅(qū)動(dòng)切割電機(jī)，而且還會(huì)導(dǎo)致S3C2410處理器由于強(qiáng)干擾而程序“跑飛”。

電平轉(zhuǎn)換的規(guī)則是將S3C2410處理器輸出的控制信號(hào)作為電平變換的輸入，如果該信號(hào)的電平值大于1.5V，則將其視為“1”信號(hào)。通過(guò)電壓升壓和電流放大電路，將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成5~24V的控制信號(hào)。如果輸入信號(hào)的電平值小于1.5V，則將其視為“0”信號(hào)，將信號(hào)濾波輸出0V的控制信號(hào)。目前對(duì)于5~24V的電壓控制可以使用5V的穩(wěn)壓管實(shí)現(xiàn)，具體的電流放大電路則可參照成熟的電流放大電路設(shè)計(jì)。

3.2 伺服控制器的選取與連接

伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制是本文設(shè)計(jì)的數(shù)控切割系統(tǒng)的核心模塊，在傳統(tǒng)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方案中，往往是采用每一個(gè)電路單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的控制模式。對(duì)于本文設(shè)計(jì)的伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，若采樣傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制模式，則需要使用六套獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)控制電路。這樣的設(shè)計(jì)方案不僅控制非常復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性明顯下降，而且還會(huì)使得驅(qū)動(dòng)控制電路過(guò)于龐大，不利于伺服控制器的小型化設(shè)計(jì)需求。

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)控切割系統(tǒng)的電機(jī)控制功能，本文選用了IR2136作為伺服電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)電路。該芯片是一個(gè)專門用于三相橋電路的驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域，在很多三相橋驅(qū)動(dòng)控制電路中均有使用。該芯片可以同時(shí)對(duì)六路信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)輸出，而所有的驅(qū)動(dòng)電路都共享同一個(gè)電源，這對(duì)提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的集成度、降低控制器的大小有重要的作用。IR2136芯片的主要的電氣特征是：輸出驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的工作電壓在10~20V之間；支持的輸入信號(hào)類型廣，可以支持TTL、LSTTL、CMOS等多種電氣信號(hào)類型；支持高速控制應(yīng)用場(chǎng)合，最高工作頻率可達(dá)50MHZ，打開延時(shí)YOPEN=0.4MS，關(guān)閉延時(shí)YOFF=0.38MS；同時(shí)該芯片還具備完善的欠壓保護(hù)功能，并能夠?qū)⑶穳夯蜻^(guò)流的狀態(tài)標(biāo)志輸出。

圖3 伺服電機(jī)控制器引腳分布及工作波形圖

IR2136的引腳分布圖和伺服控制工作波形圖如圖3所示。本文根據(jù)該芯片的引腳分布情況，將PIN19、PIN23、PIN27分別作為高壓側(cè)的驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)，PIN14、PIN15、PIN16分別作為低壓側(cè)的驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)。PIN9為過(guò)流斷開信號(hào)的控制端，當(dāng)PIN9＝1，芯片斷開所有的輸出信號(hào)，并置PIN8＝0，PIN11＝1，表明該芯片目前出于過(guò)流斷開狀態(tài)。PIN11為故障清除信號(hào)，該引腳輸入8V的高壓之后，將清除當(dāng)前芯片出于故障的狀態(tài)，并自動(dòng)置PIN8＝1。PIN20、PIN24、PIN28為高壓側(cè)的基極電壓輸出，PIN18、PIN22、PIN26為高壓側(cè)的射極電壓輸出，PIN13為低壓側(cè)的射極電壓輸出。

3.3 電機(jī)控制過(guò)程中定位與運(yùn)動(dòng)控制

電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的定位與運(yùn)動(dòng)控制也是數(shù)控切割系統(tǒng)控制中關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置精確定位時(shí)，主要是對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、角速度、運(yùn)動(dòng)相位等參數(shù)進(jìn)行采集。傳統(tǒng)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置參數(shù)采集主要使用光電式信號(hào)編碼器，其原理是利用光信號(hào)作為信號(hào)采集參考，根據(jù)光柵的刻度值來(lái)獲取電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。這種方式實(shí)現(xiàn)技術(shù)比較成熟，精度也基本能滿足常規(guī)需求。但是在這種信號(hào)采集模式中，電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的震動(dòng)可能對(duì)采集的結(jié)果造成較大誤差，同時(shí)由于光信號(hào)元件易于老化，使用時(shí)間長(zhǎng)了也容易產(chǎn)生較大誤差。

為此本文采用的一種基于磁場(chǎng)信號(hào)的新型編碼器，其原理是利用磁極信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的記錄。其精度比光電式的精度更高，而且還不容易受到電機(jī)運(yùn)動(dòng)震動(dòng)、灰塵、老化等因素的影響。當(dāng)然，磁極信號(hào)的處理過(guò)程比光電信號(hào)處理更為復(fù)雜，因此，本文將磁極編碼過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，將其中最為費(fèi)時(shí)的磁信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程建立數(shù)據(jù)表，后續(xù)將通過(guò)查表的方式簡(jiǎn)化處理過(guò)程。整個(gè)編碼表的形成過(guò)程如圖4所示。首先使用高精度的光電編碼器作為電機(jī)運(yùn)行參數(shù)采集參考，按照預(yù)先設(shè)定好的采樣精度進(jìn)行電機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)采樣（采樣頻率越高，得到的編碼表則越精確，同時(shí)編碼表也越龐大）。將采樣得到的模擬數(shù)值轉(zhuǎn)換為數(shù)字結(jié)果（數(shù)值轉(zhuǎn)換過(guò)程中將產(chǎn)生一定的誤差），再將數(shù)據(jù)通過(guò)濾波、參數(shù)比較等一系列的處理，作為當(dāng)前的編碼結(jié)果，同時(shí)采集當(dāng)前的磁極測(cè)量值，將兩個(gè)數(shù)值合并在一起則可形成磁極測(cè)量編碼表。

圖4 磁極測(cè)量編碼表形成流程

4 結(jié)論

隨著機(jī)械加工切割控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度不斷提高，應(yīng)用嵌入式微處理器的數(shù)控切割控制系統(tǒng)已經(jīng)業(yè)內(nèi)主流的解決方案。并且，為了實(shí)現(xiàn)在工業(yè)加工控制過(guò)程中的遠(yuǎn)程控制和通信，越來(lái)越多的數(shù)控系統(tǒng)開始朝著網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。本文詳細(xì)分析和探討了在數(shù)控切割系統(tǒng)中的電路實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)硬件結(jié)構(gòu)中各主要模塊的設(shè)計(jì)原理、詳細(xì)實(shí)現(xiàn)方案都進(jìn)行了分析，尤其是對(duì)切割電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制這一關(guān)鍵模塊的電路進(jìn)行研究，為設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)嵌入式數(shù)控切割系統(tǒng)提供了典型應(yīng)用方案。

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