數控系統的運動控制器設計

摘要：介紹了一種基于S3C44B0微處理器與PCL6045B控制芯片的運動控制器設計，并詳細分析了實時插補方法和升降速的控制，滿足了數控系統關于運動控制的要求。并通過在實驗臺的運行試驗，證明了該控制器設計的有效性。

關鍵詞：PCL6045B 運動控制 時間分割法插補 升降速控制

0 引言

現代數控系統以其高精度、高效率、高可靠性的優點，在制造業中得到了日益廣泛的應用。現代加工對數控系統提出了很高的要求：一方面要能夠實現各種加工情況下的準確定位，另一方面，又要能實時控制刀具運動軌跡和速度，保證切削過程的平穩和加工精度。這些都取決于數控系統的對機床運動的控制能力。本文討論的是一種基于嵌入式微處理器和運動控制芯片構成的運動控制器設計方案。利用單片機對運動控制芯片進行控制，作為運動控制器的核心，實現高效的對伺服電機運動的控制。

1 硬件設計

運動控制器由單片機、鍵盤輸入模塊、I/O通信模塊、液晶顯示模塊、運動控制模塊和交流伺服電機驅動器構成。

單片機選擇三星ARM7內核的S3C44B0微處理器。單片機作為主要的控制單元分析操作指令，對外圍接口發出控制信號、讀寫數據并與外部設備進行通信。并與運動控制芯片PCL6045B通過總線相連，發送控制指令實現不同的運動控制。

鍵盤模塊構成系統的輸入模塊。并對鍵盤中各個按鍵進行功能定義，通過對鍵盤接口的讀入就可以完成系統所需原始數據的輸入及對執行機構的運行進行控制。

顯示模塊部分采用圖形液晶顯示模塊MGLS240128，實現對插補運算過程中運動軌跡和刀具位置等信息的實時數據顯示。

運動控制模塊采用日本NPM公司生產的可編程4軸驅動運動控制芯片PCL6045B及其接口芯片構成。通過總線接收S3C44B0的控制指令和數據進行運算并以脈沖序列形式輸出給伺服驅動器，用于實現對伺服電機的插補控制、速度控制等功能。PCL6045B最多可控制4軸的運動，包括2~4軸線形插補以及任意兩軸的圓弧插補。

2 系統軟件設計

2.1 插補運算 影響數控系統運動控制能力的因素很多，在硬件系統和執行部件確定的情況下，插補的算法是主要因素。在實際加工中，對于一些較復雜的工件輪廓形狀，主要是應用小段的直線或圓弧進行擬合的方法去逼近曲線，這種擬合方法就是“插補”。插補精度和插補速度就直接決定了數控系統的運動精度和控制速度。目前常用的兩類插補算法是脈沖增量法和數字增量法。系統采用的PCL6045B具有獨立完成插補運算的功能，整個過程由硬件控制，不需要軟件干預。PCL6045B內部給每個軸都對應了幾十個寄存器，用于設置各軸的工作狀態、預設的運動指令參數、工作環境設定參數、計數器數、狀態查詢返回值等。通過對PCL6045B內部對應寄存器的初始化設置可以在4個軸中任意實現任意2~4軸之間的插補操作。同時可以對相應的寄存器進行實時讀取各軸的工作狀態以及實現對運動的實時監控。

下面是XY平面內半徑為1000個單位、90°順時針圓弧插補流程：

部分程序源代碼：

P645_wreg (AXS_AX，WPRMD，0x08000064 ); / * X軸：順時針圓弧插補*/

P645_wreg (AXS_AY，WPRMD，0x08000064 ); / * Y軸：順時針圓弧插補*/

P645_vset (AXS_AX，1L，10000L，300，0，4999，4999，‘S’，0);

/ *插補控制軸（X軸）S曲線升降速* /

/ *1~10kpps 300ms* /

/ *運動范圍 =（10000—1）/2 =4999* /

P645_wreg (AXS_AX，WPRMV，0x000003E8 );/ * 輸入X和Y軸的結束點坐標* /

P645_wreg (AXS_AY，WPRMV，0x000003E8 );/ * （1000，1000）* /

P645_wreg (AXS_AX，WPRIP，0x000003E8 );/ * 輸入X和Y軸的中心坐標* /

/ * （1000，0）* /

P645_wreg (AXS_AY，WPRIP，0x00000000 );

P645_wreg (AXS_AX，WPRIP，0x00000B0C );/ * 輸入圓弧插補步數（2828）* /

P645_wcom (AXS_AX，（STAUD | SEL_X | SEL_Y）);/ * 寫入高速啟動指令2* /

P645_wait (AXS_AX ); / * 等待電機停止* /

2.2 進給速度和加減速控制 在實際插補過程中，運動速度經常需要根據加工要求隨時可能進行調整，啟動、勻速、停止這些階段，當運動速度超過一定值時，還需要考慮防止由于速度激變產生沖擊、失步或者超程、振蕩等問題，從而影響到加工的精度和質量。因此有必要在插補前或插補后加入對運動速度的升降速控制。使得數控機床的運動速度能夠做到平穩調速而避免劇烈變化。常見的升降速控制有兩種，可以把加減速控制放在插補之前或者插補之后進行的，一般情況采用的是S曲線的前加減速控制。它的優點是：不影響實際插補輸出的位置精度，相對于后加速控制位置精度要高；缺點是需根據實際刀具位置和程序段終點之間的距離來確定減速點，計算工作量大。這點對于現在的計算機來說，已經不是很重要了。

3 結束語

PCL6045B是一款功能強大的運動控制芯片，本系統運動控制模塊該芯片完成伺服電機的多軸協調控制，支持多種插補模式。并與上位機通過總線相連，直接接受指令發出控制脈沖。具有很好的實用性和通用性。經過實驗臺的一段時間的運行，取得了較好的控制效果，滿足了數控系統實時性和精度的要求。

參考文獻：

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