简易单轴运动控制器的设计

2011-02-09刘汉忠周伯荣李宏胜

制造业自动化 2011年10期

刘汉忠，周伯荣，李宏胜

（南京工程学院自动化学院, 南京 211167）

0 引言

目前运动控制器主要有两种，一种主要是以专用运动控制芯片或CPLD、FPGA方式存在，通常结合DSP、ARM一起使用。第二种采用了基于PC标准总线的运动控制器，在硬件设计上采用板卡方式，这种结构的运动控制器不宜长期工作在环境恶劣的工业现场，另外与PC机一起使用增加了应用成本，且增大了控制系统的体积[1,2]。

本文介绍了一款简易单轴运动控制器，其仅用一芯片实现插补和IO管理，提供多种运动方式，位移、速度、加速度等参数任意设置，适用于步进电机的精确定位控制。

1 硬件设计简介

简易单轴运动控制器仅采用Microchip公司的dsPIC30F2010完成显示、按键、单轴插补等任务，显示采用6位数码管，段码数据通过dsPIC的SPI接口输出至74LS164，后并行输出至数码管，位选数据通过74LS138译码后输入74LS244，其输出引脚接数码管位控脚。按键采用独立式键盘，分别有模式、设定、移位、位加、运行、停止、复位。剩余IO引脚接限位、原点开关等以备扩充。

2 程序设计

2.1 程序规划

dsPIC30F2010采用12M外部晶振，内部8倍频，由于时钟周期是4倍的振荡周期，所以时钟周期是1/24 us，允许情况下尽可能提高振荡周期，这样可以提高输出脉冲频率，由于dsPIC30F2010完成显示、按键、单轴插补等任务，故主程序循环扫描按键，显示由定时器T1完成，定时器T0做单轴插补运算以及脉冲输出。由于dsPIC30F芯片可以实现中断欠套，这样把定时器T0设置为最高中断优先级，并使能中断欠套功能。

2.2 按键扫描程序

按键扫描可以在定时器中断程序执行，也可以在主程序的while循环部分（程序采用C语言开发）执行，这里相比较而言，后者更合适，因为若在定时器执行的话，中断会由于变量的压出栈而影响最高输出频率。while循环部分按键扫描流程如图1所示。显示程序在T1中断程序执行，T1定时时间为3ms，具体过程不再详述。

2.3 插补程序

步进电机加减速通常有三种方法：直线加减速、指数加减速、抛物线加减速，后两种方法，步进电机可能因为升降速太快而丢步，影响定位精度，下文介绍了精确定位过程中实现任意直线加减速的方法，如图2所示，设位移设定值是已Pn、最大速度是Vmax、加速度是Acc，根据公式＝2×Acc×Pn，为实时速度，可得＝

图2 同步启动加速曲线-脉冲图

定时器T0中断程序中根据式（3）实时计算下一时刻脉冲频率所对应的定时时间值，按此公式，dsPIC根本无法实时计算出该值。这里介绍一种延时启动直线加减速脉冲生成方法。如图3所示

图3 延时启动加速曲线-脉冲图

曲线1表示速度加速曲线，现把该设定曲线延时时间，即曲线2，在曲线2初始时刻发首个脉冲，此时速度值

t0取值越小，则实际加速曲线越逼近给定加速曲线，这里为计算方便取t0为0.1s,由式（4）很容易求出初始时刻v1（一般将v1放大10倍，以避免浮点数乘除运算），根据式 (8)、（5）分别求出vi、ti，由ti求出装载定时器T0的初始值。同样可以分析得出减速过程中

匀减速初始时刻vi-1就是加速过程中达到的速度最大值。

在加减速过程中，用户设置的位移值、加速度值可能较小，最大速度值又可能较大，所以DSP在运算过程中要判断是否有匀速运动过程，如图4、图5所示，具体方法如下：

图4 有匀速过程的速度位移曲线

图5 无匀速过程的速度位移曲线

首先计算中间位移点Pm＝Ps/2，并对定时器T0输出脉冲数进行计数，设计数变量为j，当j＜Pm时，实时判断当前速度是否到达设定的最大速度值，若到达，则记录当前输出脉冲数P1，根据对称性，可知在第（Ps－P1）个脉冲开始减速。若j＝Pm时，当前速度依旧小于设定的最大速度值，则系统随即开始减速，两者都直至输出Ps个脉冲后停止。综上所述，定时器T0流程如图6所示，右侧是加速段流程，中间是匀速段流程，左侧是减速段流程。

3 试验结果

运动控制器参数根据实际需要设定，试验中，位移设定为40000脉冲，最大速度为4000脉冲/s，加速度为4000脉冲/s2，加速过程捕获的输出脉冲波形如图7所示，其脉宽不到40us，该脉宽时间主要是计算公式（8）、（5）所消耗的时间，根据对称性，在减速段脉宽时间相同，匀速段不需实时计算下一时刻输出脉冲频率大小，其脉宽可以通过延时来获得，由此可见，用该方法，控制器在加减速段输出最大脉冲频率至少可达25k。