基于ARM的機(jī)電復(fù)合式凸輪控制器電控系統(tǒng)設(shè)計

饒成明

（1.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214121；2.江蘇省無錫振華機(jī)器廠，江蘇 無錫 214073）

0 引言

隨著科技的快速發(fā)展，目前從世界范圍來看，鍛壓裝備向著集機(jī)械、電子、液壓、氣動及檢測等最新技術(shù)于一體，自動控制程度高、工作可靠、換模速度快、噪聲低、精度高、防護(hù)完善等方向發(fā)展。這也促使鍛壓機(jī)械逐步向智能化、自動化和柔性化方向提升。凸輪控制器是鍛壓設(shè)備重要核心功能部件之一，目前國內(nèi)市場使用的機(jī)械式凸輪控制器安全性能好但柔性不高，而電子式凸輪控制器柔性好，但其安全性沒有得到客戶廣泛認(rèn)可。針對上述問題，本文介紹了一種基于ARM芯片機(jī)電式凸輪控制器電控系統(tǒng)的設(shè)計方法，該系統(tǒng)集安全監(jiān)測、柔性控制于一體，可使鍛壓設(shè)備在安全工作的前提下實現(xiàn)智能、柔性加工控制，有較好的市場應(yīng)用價值。

1 凸輪控制器功能分析及說明

鑒于機(jī)械壓力機(jī)的控制系統(tǒng)逐步向智能化方向發(fā)展，許多企業(yè)在機(jī)械壓力機(jī)上均采用機(jī)械—電子凸輪聯(lián)合機(jī)構(gòu)來控制機(jī)床，其功能部件來自于不同配套廠家，兼容性不強(qiáng)。這給開發(fā)機(jī)械—電子一體化凸輪控制器及電控系統(tǒng)提供了契機(jī)。目前從國內(nèi)外市場了解的情況看，機(jī)電一體化凸輪控制器尚未有成熟產(chǎn)品。研發(fā)機(jī)械—電子凸輪控制器的目的是為了克服傳統(tǒng)機(jī)械凸輪控制器和電子凸輪控制器的缺點，同時要兼顧機(jī)械凸輪和電子凸輪功能可在機(jī)械—電子復(fù)合式凸輪控制器上實現(xiàn)，簡稱機(jī)電式凸輪控制器。

機(jī)電式凸輪控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括主軸1、軸承座2、空心軸編碼器3、凸輪組4、反饋及保護(hù)模塊5、信息處理及控制模塊6、傳輸線7等。其中凸輪組4一般由機(jī)械凸輪、開關(guān)及支架模塊構(gòu)成，空心軸編碼器3作為角度傳感器使用。其主要特征是采用空心軸編碼器3和凸輪組4同時作為曲軸角度/滑塊行程的信號采集部件，并由同一主軸1聯(lián)接空心軸編碼器3用一個銷釘固定，防止編碼器和驅(qū)動軸隨動，開關(guān)通過支架和底座安裝在殼體部件底座上；以嵌入式系統(tǒng)為核心設(shè)計控制模塊6，通過I/O通訊接口電路構(gòu)建便于操作的人機(jī)界面。

圖1 機(jī)電式凸輪控制器結(jié)構(gòu)簡圖

2 系統(tǒng)架構(gòu)及硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。采用基于ARM的微處理器嵌入式系統(tǒng)控制設(shè)計方案，使現(xiàn)場的安裝、調(diào)試、維護(hù)十分便利。本設(shè)計采用STM32F103 ZET6型芯片，該芯片結(jié)構(gòu)內(nèi)置高性能ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核處理器，工作頻率72MHz，內(nèi)置高速存儲器（高達(dá)512K字節(jié)的閃存和64字節(jié)的SRAM），具有豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)?？偩€通過與人機(jī)界面和PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。具有運算速度快，高速數(shù)據(jù)處理和強(qiáng)大的數(shù)字控制能力，特別適合于需要進(jìn)行復(fù)雜算法的場合。通過人機(jī)界面，可實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的顯示和監(jiān)控，同時可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、運動狀態(tài)調(diào)整和誤差補(bǔ)償?shù)炔僮鳌?/p>

圖2 機(jī)電式凸輪控制器電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的核心是STM32F103ZET6控制芯片，它與PLC的耐用性、嵌入式PC機(jī)開放功能、軟件的靈活構(gòu)架和豐富的I/O接口電路無縫對接，集成了先進(jìn)的通信、控制、信號處理、數(shù)據(jù)記錄和硬件可編程邏輯功能。圖2中STM主控芯片通過對位置開關(guān)傳感器、光電編碼器和凸輪開關(guān)的信號采集，實時對其數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)過串口輸出對鍛壓設(shè)備實施控制，并實現(xiàn)液晶顯示。

2.2 系統(tǒng)硬件PCB板設(shè)計

PCB板的設(shè)計是電路能否調(diào)試成功的關(guān)鍵。根據(jù)印制電路板的設(shè)計規(guī)則及經(jīng)驗，設(shè)計時必須滿足下列要求：所有元器件均放置在離板邊緣3mm以內(nèi)或至少大于板厚，對于每一硬件模塊都應(yīng)用線框在一起并用文字說明；相鄰走線間距必須能滿足電氣安全要求；注意信號線的布置，不相容信號應(yīng)遠(yuǎn)離放置，避免互擾；PCB板上要充分考慮預(yù)留測試點和相關(guān)引腳接口，以便后續(xù)測試和功能擴(kuò)展時使用。用Protel99SE的PCB編輯環(huán)境下設(shè)計得到圖3和圖4凸輪控制器的PCB板。在設(shè)計中充分考慮了器件放置、布線策略、地線設(shè)計、電源去耦、ESD防護(hù)、熱設(shè)計等方面的工作，從板圖看出，電路板的面積比較小，由此可知，用嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)的凸輪控制器PCB板體積小，比傳統(tǒng)的設(shè)計體積小的多，能獲得整機(jī)性能的最大優(yōu)化。圖3為主控制系統(tǒng)印制電路板的頂層視圖，圖4為電控系統(tǒng)各接口印制電路板頂層視圖。

圖3 主控制系統(tǒng)PCB板頂層視圖

圖4 電控系統(tǒng)各接口PCB板頂層視圖

3 軟件設(shè)計

在設(shè)計過程中，將軟件功能分為初始化、主控、中斷、監(jiān)控等邏輯功能模塊。凸輪控制器電控系統(tǒng)軟件主要采用C語言編寫，用模塊化結(jié)構(gòu)完成設(shè)計，整個系統(tǒng)軟件功能模塊如圖5所示。

圖5 軟件系統(tǒng)功能模塊

為了便于生產(chǎn)管理和系統(tǒng)維護(hù)，設(shè)計了人機(jī)界面功能模塊、EEPROM暫存功能模塊和報警選擇功能模塊。另外，在中斷系統(tǒng)模塊中，設(shè)置電子凸輪和機(jī)械凸輪兩個輸出系統(tǒng)模塊，系統(tǒng)可以按照設(shè)備的實際需求，根據(jù)用戶生產(chǎn)管理的現(xiàn)場，靈活采用凸輪信號的輸出模式，在最大限度保證安全性能的情況下，可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的柔性控制，同時通過二選一選擇器模塊，能完成凸輪信號的優(yōu)先選擇功能，這也是本設(shè)計的最大亮點之一。由于主控程序流程圖和其他子程序較復(fù)雜，在此從略。

4 實驗結(jié)果及分析

該電控系統(tǒng)安裝在試驗臺上，并以凸輪軸額定轉(zhuǎn)速為110r/min進(jìn)行實驗。能夠?qū)崿F(xiàn)電子凸輪優(yōu)先輸出、控制精度為0.1°、數(shù)據(jù)掉電保護(hù)、安全報警等功能。整個工作周期，數(shù)據(jù)的傳輸和運算均由硬件電路來完成，響應(yīng)時間短，響應(yīng)速度較傳統(tǒng)產(chǎn)品有了質(zhì)的提高，經(jīng)驗證本電控系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

由于實驗測試數(shù)據(jù)較多，本文僅給出電子凸輪和機(jī)械凸輪6個通道輸出角度實驗數(shù)據(jù)，如表1所示。表1中凸輪角度輸出數(shù)據(jù)是外設(shè)顯示查詢表中得到的數(shù)據(jù)，由表3可以看出電子凸輪的輸出角度比較穩(wěn)定，誤差較小，達(dá)到設(shè)計精度要求，比一般的電子凸輪0.25°的精度有大大提高。從兩組輸出的閉合（閉）角度比較，機(jī)械凸輪誤差較大，最大誤差為2°，穩(wěn)定性能差。所以，本設(shè)計采用軟硬件相結(jié)合方式，提高了電控系統(tǒng)的響應(yīng)速度、安全性能和抗干擾能力，實現(xiàn)壓力機(jī)的柔性控制。

5 總結(jié)

在凸輪控制器電控系統(tǒng)設(shè)計中，采用基于ARM的嵌入式高速處理器，利用其豐富的片上資源，減少了許多外部擴(kuò)展，具有精度高、柔性好、成本低、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點；通過硬件電控系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了機(jī)械—電子凸輪功能的一體化，使凸輪信號輸出具有優(yōu)先級選擇功能。此外，在控制系統(tǒng)和外部接口電路之間都采用了光耦隔離，最大限度阻止了干擾信號對控制系統(tǒng)的影響。實際實驗測試表明，該電控系統(tǒng)能較好輸出凸輪信號等狀態(tài)信息，滿足凸輪控制器對鍛壓設(shè)備的功能定位，達(dá)到了設(shè)計要求。

表1 機(jī)電式凸輪控制器輸出實驗角度數(shù)據(jù)表

[1]于曉紅.我國鍛壓行業(yè)近況及前景淺析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011，46（5）.

[2]魯 潔.第九屆中國國際機(jī)床工具展覽會（CIMES2008）鍛壓展品專題報道[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2008，43（5）.

[3]柏淑紅.采用伺服電機(jī)的電子凸輪控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)電工程，2012，（6）.

[4]王宜懷，劉曉生.嵌入式技術(shù)基礎(chǔ)與實踐[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[5]孟祥蓮，主編.嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.