微型數(shù)控銑床開(kāi)發(fā)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制卡的設(shè)計(jì)

吳 婷, 馬西沛

(上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院， 上海 200245)

微型數(shù)控銑床開(kāi)發(fā)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制卡的設(shè)計(jì)

吳 婷, 馬西沛

(上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院， 上海 200245)

根據(jù)開(kāi)放式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，開(kāi)發(fā)了微型數(shù)控銑床的運(yùn)動(dòng)控制卡系統(tǒng)。首先，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡的功能及硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)；然后，根據(jù)功能需求將控制卡分成DSP系統(tǒng)、主軸電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、XYZ軸步進(jìn)控制系統(tǒng)及雙端口RAM通訊系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)；最后，根據(jù)設(shè)計(jì)原理完成控制卡的PCB圖和電路板的設(shè)計(jì)加工調(diào)試工作。該運(yùn)動(dòng)控制卡已在微型數(shù)控銑床開(kāi)發(fā)平臺(tái)上實(shí)驗(yàn)成功，其設(shè)計(jì)方法對(duì)今后運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有較高的參考價(jià)值。

微型數(shù)控銑床; 運(yùn)動(dòng)控制卡; 雙端口RAM

數(shù)控技術(shù)及裝備作為發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)、尖端工業(yè)的使能技術(shù)和基本的裝備，是培養(yǎng)機(jī)電一體化人才的一個(gè)良好平臺(tái)，能從多個(gè)方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行培養(yǎng)。微型數(shù)控銑床是機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不可或缺的設(shè)備，具有開(kāi)放式的軟、硬件的數(shù)控系統(tǒng)以及很好的通用性、適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，是當(dāng)今數(shù)控技術(shù)發(fā)展的重要方向[1]。針對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的需要，為步進(jìn)模式的微型數(shù)控銑床設(shè)計(jì)一套專用的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是非常必要的。本文采用多CPU結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)了運(yùn)動(dòng)控制卡，并對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的上位機(jī)軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，根據(jù)需求對(duì)專用數(shù)控NC代碼的編譯算法進(jìn)行了研究，并建立NC代碼的編譯系統(tǒng)[2]。

1 總體設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制卡是數(shù)控銑床運(yùn)動(dòng)控制器的核心模塊，主要負(fù)責(zé)接收計(jì)算機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的命令和數(shù)據(jù)，并分析這些命令或數(shù)據(jù)，規(guī)劃?rùn)C(jī)床的運(yùn)動(dòng)軌跡，將控制電動(dòng)機(jī)的信號(hào)發(fā)送給相應(yīng)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，從而控制電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作。該模塊由數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing, DSP)控制系統(tǒng)、主軸伺服電動(dòng)機(jī)控制模塊、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制模塊以及雙端口RAM通訊系統(tǒng)等部分組成，其組成框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)控銑床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Architecture of CNC milling system

運(yùn)動(dòng)控制卡中單片機(jī)系統(tǒng)主要是由4個(gè)控制器(MCU1、MCU2、MCU3、主MCU)構(gòu)成的控制系統(tǒng)，其功能是讀取雙端口RAM里的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容來(lái)控制X、Y、Z軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作，同時(shí)通過(guò)串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface, SPI)總線與DSP系統(tǒng)進(jìn)行通訊，完成主軸的控制以及讀取限位開(kāi)關(guān)的狀態(tài)[3]。其中MCU1、MCU2和MCU3負(fù)責(zé)讀取各自對(duì)應(yīng)雙端口RAM中的加工數(shù)據(jù)并分別控制X、Y、Z軸電動(dòng)機(jī)進(jìn)行加工，當(dāng)雙端口RAM中的加工數(shù)據(jù)加工結(jié)束后再將反饋信息寫(xiě)入雙端口RAM中并等待新的加工數(shù)據(jù)。主MCU主要負(fù)責(zé)與DSP通過(guò)SPI總線通訊的方式接收加工指令和反饋加工狀態(tài)、控制主軸電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停車、讀取主軸的速度，同時(shí)主MCU還負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)限位開(kāi)關(guān)狀態(tài)以及控制X、Y、Z軸同步控制[3]。

2 DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制卡中DSP系統(tǒng)主要完成與上位機(jī)和單片機(jī)系統(tǒng)的通訊，DSP系統(tǒng)通過(guò)控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network, CAN)總線接收上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)和命令，同時(shí)將銑床的狀態(tài)反饋給上位機(jī)；DSP系統(tǒng)與單片機(jī)的通訊采用兩種方式，一種是雙端口RAM，實(shí)現(xiàn)X、Y、Z軸運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的傳遞；另外一種是通過(guò)CAN總線與主控單片機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)3軸的同步控制及狀態(tài)的讀取。DSP系統(tǒng)主要包括： 電源模塊、聯(lián)合測(cè)試行為組織(Joint Test Action Group, JTAG)接口模塊、CAN總線模塊等。

2.1電源模塊的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)輸入電源為5V直流，TMS2812在工作過(guò)程中需要3.3V和1.8V兩種電源，在此電路中電源監(jiān)控部分選用芯片TPS767D318，該芯片是專門(mén)針對(duì)DSP設(shè)備提供雙輸出穩(wěn)壓電源，可用于不同輸出電壓的設(shè)備中，每一路輸出都可容許最大1A的電流。電壓漂移非常低，在最大輸出電流為1A的情況下，電壓漂移約為350mV。每路輸出都有過(guò)熱保護(hù)功能，并有復(fù)位和監(jiān)控輸出電壓功能。其電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.2JTAG接口模塊的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用合眾達(dá)公司生產(chǎn)SEED-XDSUSB硬件仿真器，其仿真信號(hào)采用IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)，IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試存取和邊界掃描邏輯是國(guó)際電工電子協(xié)會(huì)(IEEE)于1990年頒布的專用于高密度集成器件及板級(jí)系統(tǒng)仿真測(cè)試的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，又稱JTAG標(biāo)準(zhǔn)。它取代傳統(tǒng)的集成電路及其板級(jí)系統(tǒng)的測(cè)試方法，通過(guò)JTAG測(cè)試端口的4個(gè)必選引腳： TMS、TDI、TDO、TCK和一個(gè)可選的異步JTAG復(fù)位引腳TRST，即可對(duì)整個(gè)芯片及板級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行完整的測(cè)試和仿真。

圖2 電源模塊設(shè)計(jì)原理圖Fig.2 Schematic of the power model

2.3CAN總線通訊模塊的設(shè)計(jì)

SN65HVD230是德州儀器公司生產(chǎn)的3.3VCAN總線收發(fā)器，主要是與帶有CAN控制器的TMS320X系列DSP配套使用。該收發(fā)器具有差分收發(fā)能力，最高速率可達(dá)1Mb/s，廣泛用于汽車、工業(yè)自動(dòng)化、UPS控制等領(lǐng)域[4]。

(1) SN65HVD230可用于較高干擾環(huán)境。該器件在不同的速率下均有良好的收發(fā)能力，其主要特點(diǎn)如下： ① 完全兼容ISO11898標(biāo)準(zhǔn)；② 高輸入阻抗，允許120個(gè)節(jié)點(diǎn)；③ 低電流等待模式，典型電流為370 μA；④ 信號(hào)傳輸速率最高可達(dá)1Mb/s；⑤ 具有熱保護(hù)，開(kāi)路失效保護(hù)功能；⑥ 具有抗瞬間干擾，保護(hù)總線的功能；⑦ 斜率控制，降低射頻干擾(RFI)；⑧ 差分接收器，具有抗共模干擾、電磁干擾(EMI)能力。

(2) SN65HVD230在系統(tǒng)中的應(yīng)用。SN65HVD230具有高速、斜率和等待3種不同的工作模式。其工作模式的控制可通過(guò)RS控制引腳SN65HVD230型CAN總線收發(fā)器的原理及應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)。

SN65HVD230在CAN總線系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖3所示。由圖可見(jiàn),CAN控制器的輸出引腳TX接到SN65HVD230的數(shù)據(jù)輸入端D，可將此CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送到CAN網(wǎng)絡(luò)中；而CAN控制器的接收引腳RX與SN65HVD230的數(shù)據(jù)輸出端R相連，用于接收數(shù)據(jù)[5-6]。

圖3 SN65HVD230的應(yīng)用原理圖Fig.3 Schematic of SN65HVD230

3 主軸電動(dòng)機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)

主軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用上海新寬科技稀土電動(dòng)機(jī)有限公司生產(chǎn)的82SYXB14稀土直流電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)具有普通直流電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行性與伺服電動(dòng)機(jī)高精度控制性，它還具有過(guò)載能力強(qiáng)，低輸出大扭矩，低速性能好，快速響應(yīng)好的特性。主軸電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用MM23001C直流調(diào)速器，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)速或自動(dòng)調(diào)速，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)控制。

主軸電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由光電編碼器、計(jì)數(shù)器和數(shù)字電位器3部分組成，其設(shè)計(jì)原理如圖4所示。主軸電動(dòng)機(jī)調(diào)速過(guò)程： ① 光電編碼器HEDS-5500 I14將主軸電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)；② 譯碼器HCTL2020對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)；③ 主控制器根據(jù)計(jì)數(shù)器的值計(jì)算出主軸電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速并與給定速度進(jìn)行比較，調(diào)整數(shù)字電位器X9318的阻值，進(jìn)而改變主軸電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速[7-8]。

圖4 主軸電動(dòng)機(jī)調(diào)速電路Fig.4 Circuit of spindle motor speed

4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)

X、Y、Z軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用90BYG2501步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用SM-80驅(qū)動(dòng)器。

由于X、Y、Z軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在控制方式上完全一致，在進(jìn)行控制電路的設(shè)計(jì)時(shí)采用了相同的設(shè)計(jì)方法。下面以X軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說(shuō)明。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制MCU通過(guò)P2.0、P2.1和P2.2分別控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟/停方向和速度。為了防止干擾，MCU控制信號(hào)沒(méi)有直接接到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器的輸入端，而是對(duì)信號(hào)進(jìn)行了光電隔離。光電隔離元件采用高速光耦6N137。電路設(shè)計(jì)如圖5所示，圖中CN2接口是與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器SM-80的接口[9-13]。

圖5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制電路Fig.5 Control circuit of stepping motor

5 雙端口RAM通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

5.1雙端口RAM通訊電路的設(shè)計(jì)

數(shù)控銑床DSP與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制MCU間的數(shù)據(jù)傳輸采用雙端口RAM，可達(dá)到較高的數(shù)據(jù)傳送速率。本系統(tǒng)采用IDT公司推出的IDT7007異步高速雙端口靜態(tài)RAM，其容量為32KB×8bit。該雙端口RAM具有兩組獨(dú)立的地址線、數(shù)據(jù)線和控制信號(hào)線，允許兩個(gè)控制器件中的數(shù)據(jù)通過(guò)共同連接的存儲(chǔ)器來(lái)進(jìn)行通信，雙端口RAM系統(tǒng)原理如圖6所示[14]。

系統(tǒng)中雙端口RAM的右側(cè)與DSP系統(tǒng)相連，TMS320F2812通過(guò)nXZCS0AND1對(duì)雙端口RAM進(jìn)行訪問(wèn)，其訪問(wèn)的地址范圍為0x100000～0x1FFFFF。TMS320F2812的地址總線的低15位(XA0～XA14)與雙端口RAM(IDT7007)地址總線(A0～A14)相連，TMS320F2812的地址總線高3位(XA15～XA17)與nXZCS0AND1通過(guò)譯碼器(74LS138)譯碼后產(chǎn)生6位譯碼輸出，分別為： CRAM1、SRAM1、CRAM2、SRAM2、CRAM3、SRAM3，這6位譯碼輸出信號(hào)分別作為X、Y、Z軸雙端口RAM的片選信號(hào)和旗語(yǔ)選通信號(hào)，通過(guò)電路分析DSP系統(tǒng)訪問(wèn)X、Y、Z軸雙端口RAM的地址范圍如表1所示，為了方便操作將雙端口RAM的地址分為基地址與偏移地址，當(dāng)對(duì)某個(gè)地址單元進(jìn)行操作時(shí)其操作地址=基地址+偏移地址。

圖6 雙端口RAM系統(tǒng)原理圖Fig.6 Schematic of double-ported RAM

5.2雙端口RAM通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)

為了方便對(duì)雙端口RAM的操作，在該系統(tǒng)中將每個(gè)雙端口RAM分成兩個(gè)區(qū)(A、B區(qū))，每個(gè)區(qū)的大小均為16KB，偏移地址尋址范圍分別為： A區(qū)是0x0000～0x3FFF，B區(qū)是0x4000～0x7FFF。每個(gè)區(qū)分為3個(gè)塊： 標(biāo)識(shí)塊、頭文件塊和數(shù)據(jù)塊，其分塊示意圖如圖7所示。

5.2.1 DSP對(duì)雙端口RAM的操作過(guò)程 ① DSP將要向A區(qū)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，大小不超過(guò)0x3FF8字節(jié)，并計(jì)算數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度(以字節(jié)為單位)；② DSP讀取A區(qū)標(biāo)識(shí)位(地址為0x0000)，若該標(biāo)識(shí)位未被清除(內(nèi)容為0xFF)說(shuō)明MCU還未對(duì)該區(qū)操作完畢，DSP將進(jìn)行等待；③ 若該標(biāo)識(shí)位已被清除(內(nèi)容為0x00)說(shuō)明MCU已經(jīng)將該區(qū)的數(shù)據(jù)讀取完畢，DSP可以對(duì)該區(qū)進(jìn)行寫(xiě)操作；④ DSP將數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度寫(xiě)入A區(qū)數(shù)據(jù)塊大小所處的單元(地址為0x0004、0x0005低字節(jié)在前高字節(jié)在后)；⑤ DSP從0x0003單元開(kāi)始以字節(jié)為單位寫(xiě)入數(shù)據(jù)，直至數(shù)據(jù)包完全寫(xiě)入完畢；⑥ 數(shù)據(jù)寫(xiě)入完畢后DSP將A區(qū)標(biāo)識(shí)進(jìn)行置位(寫(xiě)入0xFF)；⑦DSP查詢B區(qū)標(biāo)識(shí)，將對(duì)B區(qū)進(jìn)行寫(xiě)操作(DSP對(duì)B區(qū)進(jìn)行操作，操作過(guò)程與A區(qū)類似)。

表1 雙端口RAM的地址范圍

圖7 雙端口RAM分區(qū)示意圖Fig.7 Partition of double-ported RAM

5.2.2 MCU對(duì)雙端口RAM的操作過(guò)程 ① MCU首先讀取A區(qū)標(biāo)識(shí)，若該標(biāo)識(shí)未被置位說(shuō)明沒(méi)有新的數(shù)據(jù)寫(xiě)入，則進(jìn)行等待；② 若該標(biāo)識(shí)已被置位(內(nèi)容為0xFF)說(shuō)明有新的數(shù)據(jù)寫(xiě)入，MCU對(duì)A區(qū)進(jìn)行讀操作；③ 首先從0x0001和0x0002地址讀取數(shù)據(jù)塊的大小，并根據(jù)數(shù)據(jù)塊的大小從0x0003地址開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)；④ 數(shù)據(jù)讀取完成后對(duì)A區(qū)標(biāo)識(shí)進(jìn)行清零(對(duì)0x00地址寫(xiě)入0x00)；⑤ MCU查詢B區(qū)標(biāo)識(shí)，將對(duì)B區(qū)進(jìn)行讀操作(MCU對(duì)B區(qū)的讀操作過(guò)程與A區(qū)類似)[15-16]。

微型數(shù)控銑床運(yùn)動(dòng)控制卡設(shè)計(jì)實(shí)物如圖8和圖9所示。

圖8 數(shù)控銑床運(yùn)動(dòng)控制卡PCB圖Fig.8 PCB of motion control card

圖9 數(shù)控銑床運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)物Fig.9 Motion control card of CNC

6 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)數(shù)控銑床實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部件——運(yùn)動(dòng)控制卡的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)研究，完成了數(shù)控銑床運(yùn)動(dòng)控制卡的整體結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)，分別對(duì)DSP系統(tǒng)、主軸電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)等進(jìn)行研究，并制定了通訊協(xié)議；根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)出了運(yùn)動(dòng)控制卡的原理圖和PCB圖，并完成電路的焊接、調(diào)試等工作，根據(jù)通訊協(xié)議完成了軟件編程，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床的多種聯(lián)動(dòng)控制。

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[14] 馬西沛,曹勝彬,賈會(huì)欣，等.步進(jìn)模式數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)算法的研究及實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2013(8)： 193-195，199.

[15] 劉玉珍，張 曄.雙端口RAM在ARM與DSP通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2011(11)： 214-216.

Design of Motion Control Card for Miniature CNC Milling Machine

WUTing,MAXipei

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 200245, China)

Based on the design principles for open systems, a motion control card is developed for miniature CNC milling machines. First, the function of motion control card and hardware arrangement are designed. To meet the demand of system functions, several systems are developed, including a DSP system, a main shaft motor control system, a stepping motor control system in three directions, and a dual RAM communication port system. The PCB diagram of the control card is designed, and the circuit board debugged. The control card has successfully been applied in a platform of miniature CNC milling machine. the method described in this paper is a good reference in further design of control system.

miniature CNC milling machine; motion control card; dual RAM communication ports system

2095-0020(2013)05 -0246-07

TG 547.0235

A

2013-05-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(30570485)；上海市教育委員會(huì)重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目資助(J5902)

吳 婷(1980-)，女，副教授，博士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化、機(jī)器人技術(shù)、信號(hào)處理等，

E-mail: wut@sdju.edu.cn