開放式數控系統的設計與應用

趙明

(煙臺汽車工程職業學院 機電工程系， 煙臺 265500)

0 引言

開放式數控系統基于嵌入式技術，嵌入式技術具備高集成性且易于移植的優勢，彌補了傳統數控系統的封閉性、兼容性差等劣勢，從而擴大了產品的使用范圍，開放式數控系統實現了模塊化、可重構、可擴充的功能，現階段主要可分為兩類：基于單片機的系統結構簡單且開發技術相對成熟，在普通數控加工中較為實用，但其控制性能由于受到單片機技術屏障的限制而難以提高；基于運動控制卡的系統對運動軌跡的控制程度較好(開放程度較高)，但運動控制卡和操作系統間銜接度較差且拓展性差[1]。

1 開放式數控系統設計

根據開放式數控加工的基本原理，開放式數控控制系統主要由閉環控制、限位、電機驅動控制及通信四個模塊構成，開放式數控系統的總體架構(其中1代表X-Y 平臺，2、3分別代表電機1、電機2，4代表聯軸器，5代表限位開關)如圖1所示。

通過對脈沖個數進行控制電機控制模塊實現對角位移量的控制，對于電機轉動的速度和加速度的控制則通過對脈

圖1 開放式數控系統總體架構

沖頻率進行控制實現；采用光柵尺作為測量反饋裝置，以數字脈沖的形式輸出測量的信號，進而提升了響應速度；信號在其硬件電路間傳輸時，為降低電路干擾，其前端與負載完全隔離通過光電耦合器(TLP521)的使用實現，從而增加了系統的安全性。系統基于微處理器STM32FZET6(32位Core-tex-M3內核處理器，內置高速存儲器，供電電壓為 0～3.6 V)和步進電機(能將電脈沖轉化為角位移)實現閉環控制，該微處理器具備豐富的GPIO端口，能夠進行高速的數據傳輸，采用能夠快速啟停的步進電機驅動工作臺作 X - Y 向的運動，具體通過撓性聯軸器連接絲杠實現運動的傳遞，步進電機還能夠精確步進，通過單片機的控制器實現控制過程[2]。

1 系統功能模塊設計

本文所設計的開放式數控系統具體通過電機控制模塊實現準確定位，達到調速和定位的最終目標，結合使用光柵尺作為測量反饋裝置，以數字脈沖的形式輸出測量的信號，提高檢測范圍和檢測精度，實現閉環控制過程，為降低信號在其硬件電路間傳輸時時所產生的電路干擾，通過限位模塊中限位開關的設置實現；通信模塊的作用在于實現多點的實時雙向通信。

1.1 電機控制模塊

當脈沖信號被步進電機驅動器接收到后，按設定的方向，步進電機在其驅動下以一個固定的角度θ(步距角)轉動運行，步進電機的驅動控制信號表示為±CW(±PLS)、±CCW(±DIR)，為做到準確定位，達到調速和定位的最終目標，通過對脈沖個數進行控制電機控制模塊實現對角位移量的控制，對于電機轉動的速度和加速度的控制則通過對脈沖頻率進行控制實現，步進驅動器實際采用的輸入方式為單脈沖，此種方式的時序圖如圖2所示。

圖2 單脈沖輸入方式時序圖

PLS每輸入一個脈沖后(此時DIR輸入為正)電機旋轉一個步級(朝CW方向)；PLS每輸入一個脈沖后(此時DIR輸入為零)電機旋轉一個步級(朝CCW方向)。電機轉速同其兩端電壓成正比，電機轉速同占空比城正比[3]。

通過撓性聯軸器(使主動軸與從動軸的角速度相等)和絲杠(將角位移轉化成線位移)的使用實現運動在電機同運動平臺間的傳遞，傳動比為1，絲杠的導程由P表示，由mc表示PWM信號脈沖數，由θ表示步進電機的步距角，細分數為4，電機轉速由n表示，占空比由α表示，由v1表示平臺運動速度，由l1表示運動位移，具體表達式如下：

v1=n·p

l1=(θ/4)·(P/360)·mc

脈沖PLS(PB6)的產生通過單片機的定時器4在PWM模式下工作完成，DIR(方向控制信號)的產生則使用PB5實現，單片機的定時器2精確計數PLS(以計數器方式)，由N1表示計數脈沖記，定時器2的計數輸入端PA0連接定時器4脈沖輸出端PB6。

1.2 閉環控制模塊

為提高檢測范圍和檢測精度，本文利用光柵的光學原理完成電機控制的反饋環節，具體采用光柵尺作為測量反饋裝置，以數字脈沖的形式輸出測量的信號，進而提升了響應速度，對于電子細分與判向功能，則通過將4個光電器件在一個莫爾條紋寬度內按照一定間隔放置實現；考慮到位移的矢量性，在檢測過程中需對位移的大小和方向進行檢測，這就需要兩路不同相位的光電信號，采用差分放大器(由低漂移運放構成)以降低共模干擾、直流分量等的影響，分別傳送4路光電信號(由四個細分數為4的光敏器件獲取)至2只差分放大器的輸入端，從此處輸出的兩路信號相位差為π/2，接下來對這兩路信號進行調整(整形為1∶1占空比的方波)以獲取判向和計數脈沖，判別比較方波的相位后即可獲取光柵尺的移動方向，最終光柵尺的位移和速度的獲取則通過對方波脈沖進行計數實現[4]。

連接光柵尺與單片機時采用193可逆計數器，在光柵尺中由N表示細分數，光柵傳感器柵距為d，f表示輸出信號頻率，則運動平臺速度(光柵尺表征)表達式如下：

v2=d·f/N

閉環控制過程的實現：方波信號(由光柵尺輸出)的傳輸路徑為從193可逆計數器到單片機(STM32FZET6)的PA1口，計數方波脈沖記為N2，通過在單片機中對N1、N2和v1、v2進行比較完成對電機驅動參數的調整。

1.3 限位模塊和通信模塊

該模塊的主要功能在于保護機械結構，信號在其硬件電路間傳輸時，為降低電路干擾，其前端與負載完全隔離通過光電耦合器(TLP521)的使用實現，從而增加了系統的安全性，將4個限位開關(X、Y方向各有2個)設置在運動平臺的導軌上，用作起點設置和末位保護。

各單元分布于系統的不同位置，需實現多點的實時雙向通信，本系統選用了RS-485標準，使系統內的通信通過平衡發送和差分接收方式的使用來實現，考慮到PC機常用的通信接口為RS-232標準串行口，需通過跳線的設置完成RS-232/RS-485間的轉換，進而實現RS-485串口通信，單片機集成了串口1和串口2作為通信串口(支持RS-232/RS-485)。

2 系統的實現

(1) 軟件設計

MDK作為專業嵌入式開發工具，面向不同層次的開發者，操作簡便，本文主要基于RealViewMDK (ARM公司)編譯環境完成系統的軟件設計，MDK基于ARM微控制器并且支持Cortex-M3處理器(ARM公司推出)，其所提供的解決方案具備高性能和低成本優勢，能夠有效滿足微控制應用需求，通過初始化程序、主程序和中斷服務程序完成系統軟件處理過程，復位后即執行初始化程序，檢測初始狀態后系統執行中斷服務程序(需滿足中斷條件)包括啟停控制、速度控制、位置控制及運行控制，直到系統重新復位[5]。

(2) 驅動模塊軟件設計

單片機定時器控制著PWM的周期及占空比，通過GPIO口的配置實現PWM信號的輸出，步進電機的驅動通過產生的PWM信號實現，具體流程如下。

選擇通用定時器TIM4，設置一個更新事件，初始化定時器，TIM采用向上計數的工作模式，時鐘頻率為72 MHz，載入TIM_Period(預裝載值)和TIM_Prescaler(預分頻值，作為 TIMx 時鐘頻率除數)，時鐘分割設置為TDTS=TCK_tim=0，TIM4工作的頻率定義為：

TTIM4頻率=TIM4CLK/[(TIM4_eriod)·TIM4_rescaler]

將PWM信號的輸出引腳設置為復用輸出功能，輸出TIM4部分重映射的PWM脈沖波形；將占空比分為10個階級(從0～100%)以便對占空比進行控制，pp和num表示具體的控制參數，由按鍵控制num，定時器進入一次中斷pp加1[6]。

(3) 閉環控制軟件設計

運動平臺的實時速度和位移(l、v)的獲取通過使用光柵尺實現，分別傳輸四路光電信號(經4個光敏元件獲得)至2只差分放大器輸入端后，再通過PI對所輸出兩路信號的電流進行調節后，再經電流矢量控制環節整形為占空比為1∶1的方波，完成兩相電流Ia和Ib的輸出，接下來對移動方向的判別則根據兩相方波的相位即可實現，光柵尺位移和速度的獲取則通過計數方波脈沖實現，閉環控制過程如圖3所示。

圖3 閉環控制方框圖

3 系統仿真測試

為檢測本文所收集的開放式數控系統的實用性和穩定性，對步進電機閉環系統進行仿真測試，步進電機采用二相混合式，轉矩與速度在開始階段表現出短暫的波動，隨后便趨于穩定狀態，抗負載干擾能力強，繼續在實驗臺上進行調試，具體參數如表1所示。

表1 仿真實驗參數設置

使用撓性聯軸器和滾珠絲杠實現傳動過程，步進電機在發送的N1個脈沖的驅動下開始運行(每發一個脈沖絲杠移動2.5 μm)，采用光電編碼器通過十字聯軸節與伺服電動機組裝在一起構成閉環伺服系統，采用RENISHAWRG2(由RGS鋼帶光柵和讀數頭組成)讀取光柵尺位移和速度，檢測結果表明光柵傳感器能夠對信號進行有效反饋，通過計數方波脈沖閉環獲取光柵尺位移和速度后，控制系統通過對這些反饋回的信號完成計數過程(由N2表示)，在比較N1、N2后完成偏差命令的發送，完成對步進電機的實時修正使其達到預定位置(同實際計算結果吻合)，證明該系統能夠有效的實現控制功能，具備良好的穩定性和動態響應性能。

4 總結

本文主要對開放式數控系統進行研究，在開放式數控平臺中應用嵌入式技術，控制器采用STM32FZET6，通過PWM控制技術及PID控制算法的使用對兩相式混合步進電機進行控制，完成了閉環控制系統的構建，速度和位置反饋信息由光柵尺提供，在此基礎上完成控制系統數學模型的建立，通過仿真實驗證明了系統具備較高的控制精度和良好的穩定性，所設計開放式數控系統具有較高的實際應用價值。