一種經(jīng)濟型運動控制芯片數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計

石學雷,鄭力新

(華僑大學信息科學與工程學院,福建泉州 362021)

一種經(jīng)濟型運動控制芯片數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計

石學雷,鄭力新

(華僑大學信息科學與工程學院,福建泉州 362021)

設(shè)計一款人機界面-ARM微處理器的運動控制芯片數(shù)控系統(tǒng).它包括監(jiān)控、運動控制和驅(qū)動3個部分,能夠?qū)崿F(xiàn)直線插補、圓弧插補、位模式插補和連續(xù)插補等功能,結(jié)合各種類型插補可以加工對精度要求較高的產(chǎn)品.系統(tǒng)采用觸摸屏和ARM芯片取代傳統(tǒng)的PC機,實現(xiàn)人機交流和控制信息傳送,MCX314AS相當于取代PC_BASED數(shù)控系統(tǒng)的運動控制卡,從而簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),降低成本.此外,運行結(jié)果表明,系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性.

數(shù)控機床;運動控制;人機界面;ARM微處理器;Modbus協(xié)議

由于數(shù)控機床造價較高,將普通機床改造為經(jīng)濟型數(shù)控機床,具有廣泛而積極的現(xiàn)實意義[1].PCBASED數(shù)控機床具有較高的通用性和高精度定位、高分辨率位置檢測等能力,適合應(yīng)用于加工各種形狀較為復(fù)雜、精度高的零器件.但對于一些產(chǎn)品訂單比較單一,加工形狀簡單,工藝不太復(fù)雜的產(chǎn)品生產(chǎn)商來說,用PC-BASED形式來實現(xiàn)數(shù)控機床的更新和改造,性價比并不是很好.基于此,本文設(shè)計了一款經(jīng)濟型的數(shù)控機床控制系統(tǒng),實現(xiàn)了普通機床的經(jīng)濟型數(shù)控改造.

1 數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計

數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括監(jiān)控、運動控制和驅(qū)動3個部分,如圖1所示.

圖1 數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of numeric control system

1.1 監(jiān)控部分

以觸摸屏為上位機,ARM微處理器為下位機,兩者通過Modbus協(xié)議進行通訊,實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時監(jiān)控.其中,人機界面(HM I)采用M T6056觸摸屏(江蘇蘇州威綸通公司)[2];ARM微處理器采用LPC2294(廣東廣州周立功公司);LPC2294采用基于16/32位ARM 7TDM I-S,支持實時仿真和跟蹤的CPU,帶有256 kB嵌入的高速Flash存儲器[3].

1.1.1 Modbus協(xié)議下M T6056的通信設(shè)置[4]控制器之間的通信使用的是主從技術(shù),主站只有1個,從站以站號區(qū)別,主從之間有一對多的廣播和一對一的查詢應(yīng)答兩種通訊方式.通訊時,各控制器必須選擇相同的通信模式和串口參數(shù).

由于HM I處于主動控制地位,故設(shè)置為主站,而將下位機LPC2294設(shè)置為從站.考慮到可靠性與效率,選擇查詢方式下的RTU模式.

打開編輯軟件EasyBuilder 8000,進入系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置,在設(shè)備列表中添加類型為Modbus RTU的PLC,選擇接口類型為COM 1(RS232),設(shè)置相應(yīng)的波特率及從站站號.Modbus RTU消息收發(fā)格式,如表1所示.表1中:起始位必須大于3.5個字符的傳輸時間,設(shè)備地址為所設(shè)置的從站站號,功能碼定義的是相關(guān)的讀寫操作.HM I中常用的功能碼,如表2所示.

表1 Modbus RTU消息格式Tab.1 Massage format of Mod bus RTU

表2 功能碼與操作對應(yīng)表Tab.2 Co rrespondence of function code and operation

EasyBuilder 8000中提供了兩類發(fā)送一幀Modbus格式數(shù)據(jù)的方法:一是利用軟件提供的控件讀寫,二是利用宏指令讀寫.兩種方式各有優(yōu)勢,第一類方式讀寫控制不便,但在讀寫失敗時系統(tǒng)有明顯提示,較適合定時式傳輸且不需要運算處理的情況;第二類方式是在宏指令中完成的,靈活方便,編輯軟件提供了5個與讀寫相關(guān)的函數(shù),但要實現(xiàn)錯誤提示須與其他指令配合.

1.1.2 下位機LPC2294接收程序 LPC2294對 HM I的數(shù)據(jù)幀采用中斷接收的方式,接收完成之后判斷該幀所要求的動作.對于執(zhí)行時間較短的控制命令,可放在中斷中完成,而其他動作只在中斷中完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存與置標志位,處理是在主程序中完成的.主程序流程如圖2所示.

圖2 主程序流程圖Fig.2 Flow chart of main program

圖3 單幀數(shù)據(jù)接收流程圖Fig.3 Flow chart of the receip t of single frame data

按照Modbus協(xié)議,消息幀完成前的停頓時間不能超過1.5個字符,實際應(yīng)用中一般默認為2個字符.因此,在接收上位機數(shù)據(jù)程序中便以此作為判斷幀是否完成的依據(jù),進入串口中斷后即以查詢方式接收數(shù)據(jù).如果兩個字符的間隔時間超過最大時間,則認為一幀消息結(jié)束,進行CRC校驗.接收子程序流程如圖3所示.在115.2 kbit·s-1的波特率下,計算得到該間隔時間約為0.17 m s.

此外,下位機LPC2294的通訊程序編程時,還需要注意以下4個問題.

(1)M T6056觸摸屏存儲數(shù)據(jù)單元為字(16 bit),發(fā)送數(shù)據(jù)時首先送出高字節(jié),接收時也默認高字節(jié)先接收.

(2)在Modbus協(xié)議下,該屏最大讀寫數(shù)據(jù)長度為120字.

(3)宏指令中設(shè)定的地址在往下發(fā)送時會自動減1.

(4)該屏同一串口兩條讀寫指令的時間間隔可通過通訊延遲設(shè)定,最小間隔時間和波特率有關(guān).經(jīng)測試,在25 m s內(nèi)并無第2次讀寫動作(可做為中斷的時間上限).

1.1.3 通訊過程 以電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為例,介紹一次完整的上下位機通訊過程.按下M T6056的轉(zhuǎn)速設(shè)定按鈕,輸入設(shè)定值3 000,點擊確認.這將觸發(fā)宏指令:SetData(Mo to rSP,“MODBUS RTU”,4X, 20,1).該指令的功能是對名為MODBUSRTU的設(shè)備寫入值MotorSP(鍵入值為3 000),數(shù)據(jù)長度為1字(16位),地址為19H(比設(shè)定值少1).

按照Modbus協(xié)議格式,實際數(shù)據(jù)串:

01(站號)10(功能碼)00 13(寫入地址)00 01(寫入字長)02(寫入字節(jié)長)0B B8(轉(zhuǎn)速Mo to rSP) A 3 B1(CRC校驗碼).

按照下位機的程序流程,先接收完整數(shù)據(jù)幀(通過兩字節(jié)的間隔判斷是否終止),在接然后進行CRC校驗,校驗通過則回復(fù):

01(站號)10(功能碼)00 13(寫入地址)00 01(寫入字長)02(寫入字節(jié)長)34 A 2(CRC校驗碼).

由于該控制命令是調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速,時間可能大于25 m s.因此,將數(shù)據(jù)(3 000)保存,置相應(yīng)標志位后即跳出中斷,在主程序中調(diào)用電機調(diào)節(jié)程序.如果CRC校驗異議,則回復(fù)(功能碼加#80H):

01(站號)90(功能碼)00 13(寫入地址)00 01(寫入字長)02(寫入字節(jié)長)85 30(CRC校驗碼).

再跳出中斷,上位機接受到異議回復(fù)時,其典型處理是重發(fā)數(shù)據(jù).

1.2 運動控制部分

運動控制部分是以LPC2294芯片作為主CPU,提供從CPU所需的大量參數(shù),對接收到的反饋信息進行快速精確的處理,實現(xiàn)各種運動控制功能.CPU采用高集成度運動控制專用芯片MCX314AS (日本NOVA公司),為系統(tǒng)提供了驅(qū)動速度、運動軌跡,從而實現(xiàn)了直線插補、圓弧插補、位模式插補和實時監(jiān)控等功能.結(jié)合各種插補模式,數(shù)控機床能夠加工任意形狀的零件[5].LPC2294和MCX314AS硬件連接,如圖4所示.

圖4 LPC2294和MCX314AS的硬件連接Fig.4 Hardware connection of LPC2294 and MCX314AS

考慮到數(shù)據(jù)總線寬度決定了設(shè)備之間一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔⒘?數(shù)據(jù)總線的位數(shù)越多,一次傳輸?shù)男畔⒘吭酱?系統(tǒng)的響應(yīng)時間越短、實時性越好[6].因此,系統(tǒng)中MCX314AS選擇了16位數(shù)據(jù)總線寬度,即 H16L 8直接接高電平.

LPC2294的結(jié)構(gòu)是8位字節(jié)地址空間,即一個地址空間對應(yīng)一個字節(jié)的數(shù)據(jù);而16位存儲器的結(jié)構(gòu)是16位半字節(jié)地址空間,一個地址空間對應(yīng)兩個字節(jié)的數(shù)據(jù).

當LPC2294與16位的MCX314AS相連接時,需要將LPC2294的地址線A 1連接到MCX314AS的地址A 0處,而LPC2294的地址線A 0不需要連接.由于LPC2294的信號輸入輸出電平為+3.3 V,MCX314AS的輸入端信號是+5 V的TTL(晶體管-晶體管邏輯)電平,LPC2294和MCX314AS需要通過電平轉(zhuǎn)換芯片74VC4245A進行通信.

1.3 驅(qū)動部分

驅(qū)動部分由MCX314AS通過線性驅(qū)動器AM 26LS31輸出了驅(qū)動脈沖,而電機驅(qū)動器得到驅(qū)動輸出脈沖后,按控制要求驅(qū)動電機.其中,步進電機驅(qū)動器的高細分能夠提高步進電機的精確率[7],故采用具有250細分的MD5-HD14驅(qū)動器,實現(xiàn)了機床各軸的速度、位置、插補等零件加工動作.驅(qū)動部分連接如圖5所示.

圖5 MCX314AS和電機驅(qū)動器的連接圖Fig.5 Connection graph of MCX314AS and motor driver

數(shù)控機床的現(xiàn)場比較復(fù)雜,噪聲干擾和高頻干擾都比較大,因此對輸入系統(tǒng)的信號,主要是一些狀態(tài)信號要進行隔離處理.這樣,可以確保系統(tǒng)能夠高穩(wěn)定、高精度、高速地運轉(zhuǎn),也保證系統(tǒng)在惡劣的環(huán)境中正常、高效的工作.

2 系統(tǒng)指標

2.1 功能指標

通過軟硬件的結(jié)合,系統(tǒng)實現(xiàn)了以下3個主要的功能指標.

(1)實時監(jiān)控.在驅(qū)動操作的任何一個狀態(tài),命令指定的位置、實際位置、驅(qū)動速度、加/減速(加速中、定速中、減速中)等狀態(tài),都可以通過MCX314AS的狀態(tài)寄存器(RR1,RR2和RR3)讀出,并傳輸?shù)接|摸屏上,從而實時監(jiān)控.

(2)速度控制.MCX314AS可以以較小的誤差合成在其頻率范圍內(nèi)的任何頻率,每根單獨的軸還可以被獨立預(yù)置為S曲線或梯形加/減速.對于S曲線或梯形加/減速驅(qū)動,輸出脈沖的頻率范圍為1～4×106Hz.驅(qū)動脈沖輸出的速度可以在不運行的時候自由改變.

(3)各種類型的插補.可以進行圓弧插補、直線插補、位模式插補和連續(xù)插補.其中:圓弧插補和直線插補的插補頻率范圍為1～4×106Hz;連續(xù)插補的最大插補速度為2×106包·s-1.

由于機床加工零件的外形輪廓是由直線、圓弧和其他曲線等幾何元素構(gòu)成,其中直線和圓弧是基本的幾何元素,其他的曲線可由微小直線或圓弧逼近形成.所以,系統(tǒng)通過多種功能的組合,完全可以滿足普通機床加工功能的要求.

2.2 成本指標

PC_BASED系統(tǒng)中需要PC主機和運動控制卡,而改造的系統(tǒng)采用的是 HM I和基于ARM與MCX314AS的控制板,在部件成本上兩者有較大差異.PC_BASED系統(tǒng)常采用帶PCI槽的PC機,價格一般比同等檔次的HM I高千元以上;而PCI的運動控制卡需要總線轉(zhuǎn)換器等芯片,器件及制作成本也遠遠高于設(shè)計的控制板.相比之下,改造的系統(tǒng)顯得更為經(jīng)濟.

2.3 穩(wěn)定性可靠性分析

首先,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單,功耗也較低,而業(yè)界一般認為觸摸屏可靠性高于PC.因此,從設(shè)計理念上,改造的系統(tǒng)相對于PC_BASED系統(tǒng)具有更高的可靠性.當然,實際系統(tǒng)的可靠性與設(shè)計的技術(shù)水平有密切關(guān)系.

為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,設(shè)計中采用了如下4個措施.

(1)CPU運行時鐘SCL K設(shè)置為8 M Hz,設(shè)計時需將速度驅(qū)動設(shè)在SCL K周期(125 ns)的整數(shù)倍數(shù)上;否則,驅(qū)動脈沖將不會十分穩(wěn)定,從而導(dǎo)致系統(tǒng)不可靠.

(2)電源供電采用多級電感、電容濾波和穩(wěn)壓塊多級降壓回路,最終給出+3.3 V和+1.8 V,從而能使關(guān)鍵芯片在穩(wěn)定的電源環(huán)境下可靠工作.

(3)系統(tǒng)脈沖信號采用光耦元件 TLP121輸出,而編碼器信號通過高速光耦器 TLP2630反饋輸入系統(tǒng),大大降低了電磁干擾,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

(4)PCB設(shè)計采用了數(shù)字地與模擬地分開及單點接地原則,降低了數(shù)字電路和模擬電路之間的相互干擾,提高了產(chǎn)品的信噪比.

3 結(jié)束語

提出以M T6056觸摸屏為監(jiān)控,LPC2294為處理器,MCX314AS為運動控制芯片的數(shù)控系統(tǒng),實現(xiàn)普通機床經(jīng)濟型的數(shù)控改造方案.采用系統(tǒng)開發(fā)的三軸聯(lián)動微鉆磨床,在企業(yè)合作項目的運行結(jié)果中,表明系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性.

[1]王傳海.經(jīng)濟型數(shù)控機床的改造及應(yīng)用[J].煤礦機械,2003(4):2.

[2]田明,薛文軒,張曾科.觸摸式可編程終端[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[3]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2009.

[4]宋健,瞿金平.基于Modbus協(xié)議的PCC與觸摸屏串口通信的實現(xiàn)[J].機電一體化,2007,13(2):68-69.

[5]何麗,周利華.基于MCX314控制器的數(shù)控機床運動控制系統(tǒng)[J].計算機測量與控制,2003,11(5):351-353.

[6]廖義奎.ARM與DSP綜合設(shè)計及應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2009.

[7]許淑輝.步進電動機恒流斬波驅(qū)動器的設(shè)計[J].華僑大學學報:自然科學版,2002,23(4):350-353.

(責任編輯:黃曉楠英文審校:吳逢鐵)

Design of Economical Numeric Control System Based on M otion Control Chip

SH IXue-lei,ZHENG Li-xin
(College of Information Science and Engineering,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China)

This paper presents a numeric control system based on human machine interface(HM I),ARM and motion control chip.The system consists of three parts,such as monito ring,motion controlling and driving.And with those function parts,it can accomplish linear interpolation,circular interpolation,bit pattern interpolation and continuous interpolation,etc..It also can process high-p recision products by combining all types of interpolation.Moreover,by using touch screen and ARM instead of traditional PC,in other words,using MCX314AS instead of PC_BASED motion control chip,its structure and cost are imp roved,it can also imp lement human-machine communication and control info rmation transfer.The operating results show a higher stability and reliability.

numeric control machine tool;motion control;human-machine interface;ARM microp rocesso r;Modbus protocol

TG 659;TP 273

A

1000-5013(2011)02-0156-05

2009-11-03

鄭力新(1967-),男,教授,主要從事智能控制與自動化裝置的研究.E-mail:zlxzkt@yahoo.com.cn.

福建省高等學校新世紀優(yōu)秀人才支持項目(07FJRC01);福建省廈門市科技計劃項目(3502Z20083040)