嵌入式四軸運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)

趙宵凱， 方益民 ， 徐海林

(江南大學(xué) 輕工過程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫214122)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在工業(yè)控制系統(tǒng)中隨處可見，同時(shí)工業(yè)控制對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的要求也在不斷提高。我國(guó)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品質(zhì)量要求不斷提升，傳統(tǒng)的基于PC 平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制器逐漸顯示出高能耗、高成本、低可靠性等缺點(diǎn)［1-2］。隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，ARM 微處理器的成本低、能耗低、可靠性高等特點(diǎn)使得其在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了充分應(yīng)用［3-5］。PCL6045BL 是一種基于DSP 的專用運(yùn)動(dòng)控制芯片，DSP 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和較高的運(yùn)行效率等優(yōu)點(diǎn)，決定PCL6045BL 可以實(shí)現(xiàn)高精度、高速度的多軸伺服控制［6］。

為解決精密制造對(duì)低成本、可移植性強(qiáng)的通用型多軸數(shù)控系統(tǒng)的迫切需求，文中給出一種基于ARM 微處理器LPC1788 與DSP 專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制芯片PCL6045BL 構(gòu)成的嵌入式四軸運(yùn)動(dòng)控制器。該嵌入式四軸運(yùn)動(dòng)控制器具有可以脫離PC 機(jī)運(yùn)行、通用性強(qiáng)、靈活性較大以及能耗低等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)高速、高精度的要求。它可廣泛應(yīng)用于雕刻機(jī)、機(jī)器人、繡花機(jī)以及數(shù)控加工等工業(yè)控制領(lǐng)域。

1 運(yùn)動(dòng)控制器總體方案的確定

嵌入式四軸運(yùn)動(dòng)控制器主要由硬件部分和軟件部分構(gòu)成。硬件主要包括LPC1788 嵌入式主控板和PCL6045BL 運(yùn)動(dòng)控制板兩個(gè)部分。LPC1788 嵌入式主控板和PCL6045BL 運(yùn)動(dòng)控制板之間通過專用的IDE 通信接口進(jìn)行連接。軟件方面在硬件平臺(tái)上移植μC/OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、觸摸屏程序設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)PCL6045BL 應(yīng)用控制程序。采用上述的軟硬件平臺(tái)，嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器可以達(dá)到開放性能好、精度高的要求。嵌入式四軸運(yùn)動(dòng)控制器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 嵌入式四軸運(yùn)動(dòng)控制器的構(gòu)成Fig.1 Composition of the embedded four axes motion controller

ARM 具有豐富的通信接口、存儲(chǔ)器資源以及人機(jī)接口，具備了系統(tǒng)移植的基本條件［7］。PCL6045BL運(yùn)動(dòng)控制芯片速度快，可靠性高，性能好，在運(yùn)動(dòng)控制方面有很大的優(yōu)勢(shì)［8］。嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ不僅提供一些任務(wù)管理、通信以及時(shí)間管理等基本服務(wù)，將系統(tǒng)按照優(yōu)先級(jí)合理地分成多個(gè)任務(wù)，并由μC/OS-Ⅱ提供系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行通信，以配合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制目的［9-10］。將LPC1788 處理器、PCL6045BL 以及μC/OS-Ⅱ三者的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用到本嵌入式四軸運(yùn)動(dòng)控制器中可以使其具有強(qiáng)大的功能，并縮短開發(fā)時(shí)間。

本嵌入式四軸運(yùn)動(dòng)控制器以LPC1788 為主控制芯片，在ARM 上移植μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)來進(jìn)行人機(jī)界面的顯示、I/O 的管理、任務(wù)間的通信、指令的編譯等工作。PCL6045BL 運(yùn)動(dòng)控制模塊主要負(fù)責(zé)位置控制、插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)、速度反饋。用戶通過觸摸屏對(duì)運(yùn)動(dòng)的參數(shù)及模式進(jìn)行設(shè)置，LPC1788 根據(jù)運(yùn)動(dòng)的具體要求，通過與PCL6045BL 之間的IDE 通信接口來控制DSP 運(yùn)動(dòng)控制芯片發(fā)出脈沖以達(dá)到使伺服電機(jī)高速運(yùn)行。

2 運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)組成

嵌入式四軸運(yùn)動(dòng)控制器的硬件設(shè)計(jì)主要包括ARM 控制部分和PCL6045BL 運(yùn)動(dòng)控制部分。在設(shè)計(jì)時(shí)，分別對(duì)ARM 控制部分和PCL6045BL 運(yùn)動(dòng)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后制板，再進(jìn)行軟硬件聯(lián)合調(diào)試。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 System hardware block diagram

ARM 部分以嵌入式處理器LPC1788 為核心，配有豐富的存儲(chǔ)模塊和通用接口，其功能主要有:

配置外部NAND Flash 存儲(chǔ)器、NOR Flash 存儲(chǔ)器以及SDRAM 用來存放系統(tǒng)參數(shù)，操作系統(tǒng)代碼以及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制程序。

通過串口、CAN 總線與工控一體機(jī)通信，接受觸摸屏的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到控制命令和插補(bǔ)參數(shù)。

根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)對(duì)PCL6045BL 進(jìn)行操作，使其完成控制伺服的功能。

DSP 部分主要以NPM 公司的PCL6045BL 為核心，其主要功能如下:

接受ARM 部分發(fā)來的控制命令和插補(bǔ)參數(shù)，同時(shí)反饋運(yùn)動(dòng)信息給ARM 部分。

PCL6045BL 根據(jù)LPC1788 發(fā)來的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，發(fā)出控制伺服電機(jī)的脈沖信號(hào)，控制電機(jī)進(jìn)行定長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)和插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。

接收并處理外部的限位、回原點(diǎn)、減速及編碼器信號(hào)，增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制精度。

2.2 ARM 與PCL6045BL 的連接

通過對(duì)IF0 和IF1 端子的設(shè)置，PCL6045BL 可以與8 位的Z80、16 位的8086、16 位的H8 和16 位的68 000 CPU 進(jìn)行過接口。表1 是PCL6045BL 與CPU接口，其中L 表示低電平，H 表示高電平［8］。

表1 PCL6045BL 與4 種CPU 接口時(shí)端子設(shè)置Tab.1 PCL6045BL with four CPU interface terminal Settings

PCL6045BL 與LPC1788 的通信是通過讀寫輸入輸出總線上的地址來進(jìn)行控制指令和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。PCL6045BL 每個(gè)軸的內(nèi)部寄存器地址由A0、A1和A2 地址線輸入決定，其控制地址范圍由輸入端子A3 和A4 進(jìn)行選擇［8］。因此在這種主從結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，ARM 與PCL6045BL 的連接如圖3 所示。

圖3 PCL6045BL 與LPC1788 的接口電路Fig.3 PCL6045BL and LPC1788 interface circuit

2.3 系統(tǒng)硬件實(shí)物圖

根據(jù)系統(tǒng)的硬件原理，運(yùn)用Protel99 進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)，并完成PCB 設(shè)計(jì)、電路板的焊接，得到嵌入式四軸運(yùn)動(dòng)控制器的硬件實(shí)物如圖4 所示。

嵌入式四軸運(yùn)動(dòng)控制器提供了豐富的外部接口信號(hào)，每個(gè)軸具有± EL、減速及ORG 的4 個(gè)專用輸入信號(hào)，以及脈沖輸出、編碼器輸入等信號(hào)。

3 運(yùn)動(dòng)控制器軟件設(shè)計(jì)

3.1 μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)移植

μC/OS-Ⅱ是一種源代碼公開的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，當(dāng)外部操作和數(shù)據(jù)出現(xiàn)時(shí)，能夠接收并快速處理，然后根據(jù)處理結(jié)果盡快進(jìn)行反饋，控制系統(tǒng)對(duì)象或者對(duì)系統(tǒng)給出反應(yīng)，創(chuàng)建有一定優(yōu)先級(jí)實(shí)時(shí)任務(wù)，并協(xié)調(diào)其運(yùn)行的嵌入式操作系統(tǒng)。μC/OS-Ⅱ具有可移植性、可固化、可裁剪的特點(diǎn)［11-12］。μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)的源代碼是完全公開的，其包含的文件結(jié)構(gòu)如圖5 所示［13］。

圖4 嵌入式四軸運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)物Fig.4 Embedded four axes motion controller object graph

圖5 系統(tǒng)軟件的整體結(jié)構(gòu)Fig.5 Overall structure of the system software

對(duì)μC/OS-Ⅱ的移植主要是對(duì)處理器相關(guān)代碼的重寫或修改。移植的主要內(nèi)容包括:在OS_CPU.H 中用#define 設(shè)置一個(gè)常量的值、聲明10 個(gè)數(shù)據(jù)類型和#define 聲明3 個(gè)宏;在OS_CPU_C.c 中用C語言編寫6 個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù);在OS_CPU_A.asm 中編寫4 個(gè)匯編語言函數(shù)。

完成以上代碼的移植，將源程序和操作系統(tǒng)一起編譯，然后將生成的二進(jìn)制執(zhí)行文件下載到LPC1788 上，實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ就可以在ARM LPC1788 處理器上正常運(yùn)行。

3.2 運(yùn)動(dòng)控制器的任務(wù)機(jī)制

μC/OS-Ⅱ提供基于優(yōu)先級(jí)搶占式的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，大致可以分為系統(tǒng)核心(包含任務(wù)調(diào)度)、任務(wù)管理、時(shí)間管理、多任務(wù)同步與通信、內(nèi)存管理、CPU 移植等部分。

μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)支持多任務(wù)，每個(gè)任務(wù)都具有優(yōu)先級(jí)，任務(wù)越重要，賦予的優(yōu)先級(jí)應(yīng)越高，系統(tǒng)內(nèi)核總是將CPU 分配給處于就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高任務(wù)。

根據(jù)實(shí)現(xiàn)性優(yōu)先原則劃分任務(wù)的方法，優(yōu)先級(jí)大小將系統(tǒng)任務(wù)劃分為PCL6045BL 控制任務(wù)、外部信號(hào)控制任務(wù)、伺服單元采集任務(wù)、Modbus 協(xié)議通信任務(wù)以及觸摸屏管理任務(wù)。

與沒有系統(tǒng)的程序一樣，嵌入式μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)也有一個(gè)main 主函數(shù)，它是所有函數(shù)的運(yùn)行入口點(diǎn)。在主函數(shù)中主要實(shí)現(xiàn)硬件的初始化、操作系統(tǒng)的初始化OSInit()、任務(wù)創(chuàng)建、一些任務(wù)通信方法的創(chuàng)建等操作。系統(tǒng)運(yùn)行的基本流程如圖6 所示。

圖6 用戶程序流程Fig.6 User program process

在μC/OS-Ⅱ運(yùn)行任何任務(wù)程序之前，首先要調(diào)用系統(tǒng)初始化函數(shù)OSInit()對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行初始化。主函數(shù)中在用開始多任務(wù)調(diào)度OSStart()函數(shù)之前，用戶必須通過OSTaskCreate()函數(shù)建立至少一個(gè)應(yīng)用任務(wù)，而且任務(wù)不能在中斷服務(wù)程序中建立，否則應(yīng)用程序會(huì)崩潰。在主函數(shù)運(yùn)行到OSStart()時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入開始多任務(wù)環(huán)境，μC/OS-Ⅱ會(huì)運(yùn)行處于就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。

3.3 PCL6045BL 的控制程序

PCL6045BL 是通過LPC1788 的總線對(duì)寄存器賦值來工作的，把命令寫入運(yùn)動(dòng)控制芯片PCL6045BL，用PCL6045BL 來完成運(yùn)動(dòng)控制，其工作流程如圖7 所示。當(dāng)寫入啟動(dòng)指令后，PCL6045BL開始運(yùn)動(dòng)。

圖7 PCL6045 工作流程Fig.7 PCL6045 workflow

4 圓弧插補(bǔ)實(shí)驗(yàn)

圓弧運(yùn)動(dòng)從(0，0)到(2 000，2 000)的圓弧，如圖8 所示。

圖8 圓弧插補(bǔ)軌跡Fig.8 Trajectory of circular interpolation

選擇圓弧插補(bǔ)順時(shí)針模式來實(shí)現(xiàn)如上圓弧，此時(shí)MOD 設(shè)為64 H。使用該模式時(shí)，應(yīng)設(shè)置每個(gè)插補(bǔ)軸的運(yùn)動(dòng)速度，在PRMD 寄存器中指定是否使用恒定合成速度控制，并在所有插補(bǔ)軸的PRMV 寄存器中指定終點(diǎn)位置，在PRIP 寄存器中輸入中心坐標(biāo)。在順時(shí)針插補(bǔ)中，PCL 畫一條以中心坐標(biāo)為中心點(diǎn)，從當(dāng)前坐標(biāo)到結(jié)束點(diǎn)坐標(biāo)的順時(shí)針圓弧，其流程如圖9 所示。

圖9 圓弧插補(bǔ)控制流程Fig.9 Circular arc interpolation control flow chart

X 軸和Y 軸的輸出脈沖波形如圖10 所示。CH1為X 軸脈沖波形，CH2 為Y 軸脈沖波形，其脈沖均為低電平時(shí)有效。

從X，Y 軸2 軸圓弧插補(bǔ)實(shí)驗(yàn)可以看出，在看到的波形中X 軸分擔(dān)了插補(bǔ)運(yùn)算的主要任務(wù)，2 個(gè)軸互相配合完成圓弧插補(bǔ)動(dòng)作。嵌入式四軸運(yùn)動(dòng)控制器可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)PCL6045BL 2 軸圓弧插補(bǔ)的功能，驗(yàn)證了系統(tǒng)方案的正確性。

5 結(jié) 語

該運(yùn)動(dòng)控制器的硬件結(jié)構(gòu)是基于微處理器LPC1788 和PCL6045BL 運(yùn)動(dòng)控制芯片設(shè)計(jì)的，它較好地發(fā)揮了ARM 處理器的高性能、低成本和運(yùn)動(dòng)控制芯片的高可靠、開發(fā)周期短的優(yōu)點(diǎn)和PCL6045BL強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制能力;在控制器硬件平臺(tái)上移植μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)既能使整個(gè)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、層次清晰，又能很好地達(dá)到運(yùn)動(dòng)控制實(shí)時(shí)性要求。圓弧插補(bǔ)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的正確性，整個(gè)系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定且響應(yīng)速度快。

圖10 圓弧插補(bǔ)脈沖輸出拉寬顯示Fig.10 Circular arc interpolation pulse output shows wide

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