基于單片機的單軸控制器的結構研究

路文斌， 林曉海

（1.山東能源棗礦集團柴里煤礦，山東 棗莊 277519；2泰安煤礦機械有限公司，山東 泰安 271000）

基于單片機的單軸控制器的結構研究

路文斌1， 林曉海2

（1.山東能源棗礦集團柴里煤礦，山東 棗莊 277519；2泰安煤礦機械有限公司，山東 泰安 271000）

單軸控制器是現代工業控制中常用的一種控制裝置，其核心處理器有多種，如單片機、DSP、FPGA以及一些專用芯片等，基于單片機的控制器結構簡單，價格低廉，具有很好的應用前景，通過對該種控制器結構的研究，能更好地改進其缺陷，使其更好地應用于市場。

單軸控制器；工業控制；單片機；DSP

0 引言

在現代工業控制中，單軸運動是非常基本、極其普遍的運動，所以單軸控制器具有廣泛的應用，譬如數控機床、工業機器人等。在數控機床（或其他裝備）的工作臺上，單軸控制器控制電機（步進/伺服電機）通過絲杠-螺母機構，將轉動變為工作臺的進給運動。單軸控制器的實現完全可以使用大規模的IC實現，但是成本偏高。基于單片機的插補控制器具有價格低廉、集成度高、體積小、易于操作控制等特點［1］，因此對它的研究具有重大的意義。通過對基于單片機為控制核心單軸控制器結構的研究討論，以便于設計出價格低廉、控制靈活、結構簡單的單軸控制器。

1 基于單片機的單軸控制器的簡介

現在控制器有三類：以單片機或者微處理器作為核心的控制器，以專用芯片作為核心處理器的控制器，以及基于PC總線的以DSP和FPGA作為核心處理器的控制器［2］。基于單片機的單軸控制器就是以單片機為核心處理器的運動控制器，所謂單軸控制器其實就是一種插補控制器，該邏輯單元能產生進給脈沖控制步進電機或伺服電機運動，每一個這樣的控制器只能控制一個電機的運動狀態。它可以接受CNC控制器和控制計算機的指令或參數，產生指定頻率f和指定個數m的脈沖序列。單軸控制器的輸出通過步進/伺服控制器，控制步進電機或伺服電機的產生進給運動。

在運動控制系統中，單軸控制器是介于主控計算機和伺服控制器之間，如圖1所示。

圖1 單軸控制在控制系統中作用

2 單軸控制器軟硬件體系

我們研究的單軸控制器是利用硬件（內置外設）和軟件配合實現的。硬件主要是定時器/計數器，其作用是在一個插補周期內，實現設定速度的進給脈沖輸出以及脈沖計數或定時。利用一個計數器對源脈沖進行計數分頻，產生進給脈沖，利用另外一個定時計數器計數（或是定時），以確定輸出脈沖的個數m。計數方式可直接決定m，定時方式下，間接確定脈沖個數m，因為確定了進給周期，一個時間段內的脈沖也是確定的。

軟件的作用包括：1）計算定時計數參數，并將其裝入對應的寄存器；2）控制加減速過程；3）與CNC或工業控制計算通訊，接收指令；4）誤差的記錄與補償。

3 基于單片機單軸控制器模塊組成

3.1 單軸控制器的總體結構

圖2所示為一種在單片機平臺上實現的單軸控制器結構，其中主要包括脈沖產生模塊、插補計算模塊、脈沖計數/定時模塊、誤差管理與修正模塊、調度控制模塊、參數配置表、通訊管理模塊。

圖2 單軸控制器體系結構

脈沖產生模塊、脈沖計數/定時模塊由可編程硬件（定時器）構成。脈沖產生模塊用于產生進給脈沖，脈沖計數/定時模塊用于脈沖計數，或者插補周期的定時。

插補計算模塊、誤差管理與修正模塊等由軟件實現。插補計算模塊是將一個較長的插補距離L，按一定規則分解成若干小段dl，這些小段在若干插補周期內完成。另外，該模塊根據給定的dl，速度f，插補周期Tc，計算脈沖產生模塊和脈沖計數/定時模塊的計數值（設定值）。誤差管理與修正模塊的作用是補償上一個插補周期因設定值取整而產生的誤差。

調度控制模塊由軟件和系統定時中斷配合實現，實現插補周期啟動、插補計算的開始、響應上位機的信息，或向上位機發送消息。收發消息的管道是通訊接口，也可以是狀態接口上的聯絡信號。

參數配置表是內存的一個數據結構，存儲運動控制的各種參數，插補計算模塊要用到參數配置表的數據，上位機通過通訊管理模塊寫入控制參數，插補計算的中間數據也存儲到參數表中。通訊管理模塊由軟件和硬件通訊電路實現。用于與CNC控制器或工業控制計算機的通訊。

3.2 單軸控制器脈沖產生模塊的實現原理

目前微處理器都具有功能很強的定時器/計數器，可以自動實現插補周期內的脈沖輸出。如圖3所示使用一個定時器/計數器，產生單個插補周期內的可調脈沖頻率f（周期為Tf），設置不同的初值d，該定時器的溢出時間將是可調的，d的每個增量值是溢出時間增加一個脈沖源的周期Ts。每當計數器溢出時可觸發輸出引腳電平的翻轉，所以每兩個計數周期產生一個完整的脈沖輸出。由此可以在一定范圍內任意調節進給脈沖的頻率f，或者說可以任意調節進給速度v。

圖3 實現單個插補周期脈沖輸出的可編程硬件架構

利用另外一個定時器/計數器控制脈沖序列的脈沖個數m，利用軟件完成參數m配置，當輸出進給脈沖時，計數器的輸出端便同步（直接反饋輸出的進給脈沖）或異步（通過編碼器）出現脈沖，這個計數器的計數輸出端直接連接到產生進給脈沖的計數器的門控輸入引腳，那么，單軸控制器當輸出m個脈沖后即被鎖定，從而實現了一個給定個數和頻率的脈沖序列。

當然，脈沖序列在一個插補周期內的引起的位移是有原理性誤差。這個誤差將在下一個插補周期內由軟件加以補償。

4 單軸控制器加減速的實現的方法

在實際應用中單軸控制器必須有加減速的功能。單軸控制器的加減速過程對應著輸出的脈沖間隔的變化。為了降低成本以及復雜程度，在一個較長的時間段上，如果要求電機轉速是變化的，如加速或減速，實際采用的辦法是：將一個長進給過程分解為若干個相等的斷時間片，即插補周期Tc。在一個插補周期Tc內，單軸控制器輸出的m個脈沖的周期相等，也就是脈沖頻率不變。而在相鄰插補周期，使進給脈沖頻率按線性或某種其他規律變化。由于實際插補周期較短，在慣性的作用下，產生的工作臺運動可以看作是一個平穩的加速或減速過程，從而產生某種規律的宏觀加速度和減速度。

5 結語

現在的工業生產中廣泛地應用了自動化技術，如礦山設備，石油裝備，機械制造業等，價格低廉、結構簡單、控制靈活的單軸控制器具有廣泛的應用市場。通過對單軸控制器的簡單介紹了解，以及對基于單片機的單軸控制器的軟硬件體系、模塊組成、加減速的實現方法的研究討論等，為我們下一步改良設計該控制器提供了一種思路。

［1］李朋朋，馬國英.基于8位MCU的兩軸經濟型插補控制器設計的插補計算［J］.機械工程師,2014（11）：123-124.

［2］周文軍.基于單片機的多軸運動控制器的編程與實現［J］.南寧職業技術學院學報，2014（3）：97-100.

（編輯 昊 天）

TM571.1

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1002-2333（2015）08-0094-02

路文斌（1987—），男，助理工程師，從事煤礦開采及相關機械的研究工作。

2015-03-07