基于ARM9的PCB鉆孔機運動控制器設(shè)計

馬 杰，游有鵬

（南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京210016）

0 引言

近年來，手機、筆記本電腦等電子產(chǎn)品更新?lián)Q代越來越快，并且不斷向輕薄短小、多功能、高可靠性以及低成本化方向發(fā)展，因此市場對PCB制造技術(shù)提出了更高的要求。PCB數(shù)控鉆孔機作為PCB制造過程中的主要設(shè)備，為更好的適應(yīng)市場需求，繼續(xù)向高速度、高精度和高可靠性方向發(fā)展［1］。

根據(jù)PCB鉆孔機運動系統(tǒng)的性能要求，設(shè)計了一種基于ARM9和μC／OS-II操作系統(tǒng)的運動控制器。該運動控制器著重從軟件架構(gòu)設(shè)計、速度規(guī)劃和位置控制等角度，提升運動控制系統(tǒng)的性能，從而滿足PCB鉆孔機對運動控制系統(tǒng)的要求。

1 硬件電路設(shè)計

整個PCB鉆孔機數(shù)控系統(tǒng)主要由工控機和基于ARM9的嵌入式運動控制器組成，其硬件電路如圖1所示。

圖1 硬件電路

工控機主要用于人機界面及對整個運動系統(tǒng)的指令生成與協(xié)調(diào)控制，它與運動控制器之間的信息交換由傳輸速度為100 Mbit／s的以太網(wǎng)提供。ARM9作為運動控制的主控芯片負責接收運動數(shù)據(jù)并進行處理，最終通過FPGA及A／D轉(zhuǎn)換電路對外部電機及信號量進行控制。此外，系統(tǒng)使用網(wǎng)絡(luò)通信，需要計算機通過串口向運動控制器下載IP地址、MAC地址等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，這些參數(shù)最終由ARM寫入EEPROM以固化。系統(tǒng)軟件存儲在NOR FLASH中，運行時可將程序及數(shù)據(jù)“搬運”到SRAM中，以提高系統(tǒng)運行速度。

2 運動控制器軟件設(shè)計

圖2所示為運動控制器軟件系統(tǒng)的層次化體系結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)共分為3個層次：數(shù)控軟件層、實時操作系統(tǒng)層和硬件驅(qū)動層。

圖2 系統(tǒng)的層次化體系結(jié)構(gòu)

數(shù)控軟件層根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的功能應(yīng)用劃分為：通訊模塊、程序解釋模塊、運動模塊、監(jiān)控模塊和位置控制模塊。其中，通訊模塊主要實現(xiàn)ARM與工控機之間的以太網(wǎng)通訊功能；程序解釋模塊主要完成數(shù)控代碼的解釋；監(jiān)控模塊主要對控制對象的運動狀態(tài)進行監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果進行相應(yīng)處理；運動模塊主要實現(xiàn)速度規(guī)劃、插補等功能；位置控制模塊主要完成各坐標軸的位置閉環(huán)控制。數(shù)控軟件層的各個模塊由實時操作系統(tǒng)進行調(diào)度，在定時器等外部事件的觸發(fā)下，按照一定的時序完成數(shù)控系統(tǒng)的各種功能。

處于軟件系統(tǒng)底層的是硬件驅(qū)動層，驅(qū)動層的作用主要包括：①完成對硬件模塊的初始化；②按照一定的規(guī)則對硬件讀寫操作進行封裝，為數(shù)控軟件層提供規(guī)范化操作服務(wù)。通過調(diào)用硬件驅(qū)動程序，數(shù)控軟件層模塊可以方便地實現(xiàn)對底層硬件的操作。

為了提高軟件的模塊化、開發(fā)效率和運行效率，軟件系統(tǒng)采用了μC／OS-II實時操作系統(tǒng)作為整個軟件系統(tǒng)的控制核心，實現(xiàn)對數(shù)控軟件層中各個功能模塊的統(tǒng)一調(diào)度。它不僅資源開銷小、運行效率高，而且易于實現(xiàn)位控、斷刀處理等任務(wù)的硬實時調(diào)度。

3 速度規(guī)劃

鉆孔速度歷來是評價PCB鉆孔機控制系統(tǒng)性能的重要指標，它直接影響生產(chǎn)效率，國內(nèi)、國外現(xiàn)有的水平 400～800孔／min。高速鉆孔要求工作臺移動及Z軸頻繁啟停，不可避免引起機床振動、影響鉆孔精度等。因此，高效、平滑的運動軸升降速性能對PCB鉆孔機具有特殊重要性［2］。

現(xiàn)有的PCB鉆孔機控制系統(tǒng)的速度規(guī)劃通常采用直線型加減速算法，使用該方法規(guī)劃的速度曲線如圖3所示。直線型加減速算法計算簡單，機床響應(yīng)快、效率高，但其生成的速度曲線不夠平滑，在加減速階段存在著加速度突變的現(xiàn)象，會導致機床的振動，影響鉆孔質(zhì)量，可應(yīng)用于要求不高的鉆孔機控制。為進一步改善升降速性能，系統(tǒng)還提供了S型曲線加減速算法，使用該方法規(guī)劃的速度曲線如圖4所示。S型曲線加減速規(guī)劃后的速度曲線平滑，而且加速度變化可控，能有效減少機床振動［3］。

系統(tǒng)提供了兩種切換速度規(guī)劃算法的方式：一種是通過人工選擇速度規(guī)劃算法，可根據(jù)生產(chǎn)的需求和操作人員的經(jīng)驗選擇速度規(guī)劃算法并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)；另一種方式是以充分利用伺服系統(tǒng)性能為原則自動選擇速度規(guī)劃算法，具體指標為：①速度規(guī)劃算法中使用的最大加速度等于電機的最大加速度；②速度規(guī)劃算法中使用的最大速度盡量靠近或等于指令速度。

為達到以上指標，該方式的算法實現(xiàn)如下過程。

3．1 加減速數(shù)學模型的建立

根據(jù)鉆孔機運動特點，X、Y軸高速定位運動以及Z軸快速往復運動的起始速度和終止速度都為0?？紤]到一般情況下電機的正向和反向的最大加速度相等，假定最大加速度和最大減速度大小相等，即A＝D。因此，整個加減速運動過程具有對稱性。

在直線型加減速規(guī)劃中，根據(jù)加減速運動過程的對稱性，可以得到：

其中，v為指令速度；a為電機的最大加速度；T2為直線型加減速規(guī)劃中勻速段所占的時間長度；L為運動長度。

在S型曲線加減速規(guī)劃中，根據(jù)加減速運動過程的對稱性，可以得到：

其中，J為加加速度；T4為S型曲線加減速規(guī)劃中勻速段所占的時間長度；L為運動長度。

3．2 速度規(guī)劃算法的選擇

在指令速度v、電機的最大加速度a、加加速度J保持不變的前提下，根據(jù)運動段長度L，分為以下3種情況。

使用直線型加減速規(guī)劃算法，由（2）式得到：

使用S型曲線加減速規(guī)劃，由（4）式得到：

經(jīng)計算得出v′T＞v′S，即直線型加減速規(guī)劃出來的最大速度要大于S型曲線加減速規(guī)劃出來的最大速度，因此在時，選擇直線型加減速算法。

4 位置控制

位置控制的作用是將移動量的給定值與通過傳感器檢測到的位置實際值進行比較，得出位置偏差。根據(jù)位置控制算法得到控制值并輸入FPGA，由FPGA控制A／D模塊完成數(shù)模轉(zhuǎn)換功能［4］。PCB鉆孔機具有運動速度快、加工精度高，并且伺服系統(tǒng)復雜致使精確建模難度大等特點，因此采用一般的PID控制方法很難滿足實際加工需求［5］。提出了一種帶調(diào)整因子的模糊PID控制方法，該方法在加工過程的不同階段改變調(diào)整因子的值，動態(tài)改變PID結(jié)構(gòu)，以達到不同的性能指標。

PCB鉆孔機加工過程為4個部分，具體如下：

a．X，Y軸運動，此時Z軸靜止。

b．X，Y軸到位后，Z軸開始運行。

c．Z軸運動到加工平面時，會收到CBD信號，該信號標志Z軸開始鉆孔。

d．Z軸到達加工終點后高速返至加工參考點，進行下一次鉆孔。

根據(jù)PCB鉆孔機加工時的運動特點和位置控制的性能指標，提出了一種帶調(diào)整因子的模糊PID控制方法，其控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。具體控制方法如下：

圖5 位置閉環(huán)控制

a．當系統(tǒng)處于X，Y軸運動過程或Z軸高速返回參考點過程，采用模糊P＋PI控制方式，即當目標值與實際值的偏差e＞設(shè)定值e0時，僅使用比例調(diào)節(jié)，此時α＝1，β＝0，γ＝0，使伺服系統(tǒng)有較快的響應(yīng)；當目標值與實際值的偏差e＜設(shè)定值e0時，加入積分環(huán)節(jié)，即α＝1，β＝1，γ＝0，以保證定位精度。

b．當系統(tǒng)處于Z軸從加工參考點運動到加工平面的過程時，采用模糊P控制，即α＝1，β＝0，γ＝0，提高伺服系統(tǒng)的響應(yīng)能力。

c．當Z軸接受到CBD信號，即Z軸處于加工工件狀態(tài)時，使用完整的PID控制，即α＝1，β＝1，γ＝1，使系統(tǒng)在加工孔的過程中滿足高精度、高速度以及抗干擾的要求。

這種位置控制方法的主要特點是：在不同的加工階段使用不同的模糊PID控制結(jié)構(gòu)。這種方法不需要受控對象精確的數(shù)學模型，并能完全滿足系統(tǒng)對位置控制的要求。

5 結(jié)束語

討論了基于ARM9和μC／OS-II操作系統(tǒng)的PCB鉆孔機控制器的設(shè)計?？刂破鬟\用軟件層次化設(shè)計、自動切換速度規(guī)劃模式和帶調(diào)整因子的模糊PID位置控制策略等多種手段來滿足系統(tǒng)的性能要求。系統(tǒng)已成功運用于某公司的六頭PCB鉆孔機，達到了預(yù)期效果。

［1］ 郭 釗．基于PC的PCB鉆孔機數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］．南京：南京航空航天大學，2012．

［2］ 李德亮，舒志兵．基于運動控制板卡的電路板鉆孔機控制系統(tǒng)設(shè)計［J］．機床與液壓，2012，40（8）：131-133．

［3］ 黃 艷，李 家，霧于東．CNC系統(tǒng)S型曲線加減速算法的設(shè)計與實現(xiàn)［J］．制造技術(shù)與機床，2005，（3）：55-59．

［4］ 高 菲．高精度全閉環(huán)伺服系統(tǒng)研究［D］．青島：青島大學，2008．

［5］ 郜旭凱．模糊PID變結(jié)構(gòu)控制策略及其仿真［J］．科協(xié)論壇，2009，（2）：96-97．