基于单片机的单轴控制器的结构研究

2015-04-10路文斌林晓海

机械工程师 2015年8期

关键词：计数器单轴计数

路文斌，林晓海

（1.山东能源枣矿集团柴里煤矿，山东枣庄 277519；2泰安煤矿机械有限公司，山东泰安 271000）

基于单片机的单轴控制器的结构研究

路文斌1，林晓海2

（1.山东能源枣矿集团柴里煤矿，山东枣庄 277519；2泰安煤矿机械有限公司，山东泰安 271000）

单轴控制器是现代工业控制中常用的一种控制装置，其核心处理器有多种，如单片机、DSP、FPGA以及一些专用芯片等，基于单片机的控制器结构简单，价格低廉，具有很好的应用前景，通过对该种控制器结构的研究，能更好地改进其缺陷，使其更好地应用于市场。

单轴控制器；工业控制；单片机；DSP

0 引言

在现代工业控制中，单轴运动是非常基本、极其普遍的运动，所以单轴控制器具有广泛的应用，譬如数控机床、工业机器人等。在数控机床（或其他装备）的工作台上，单轴控制器控制电机（步进/伺服电机）通过丝杠-螺母机构，将转动变为工作台的进给运动。单轴控制器的实现完全可以使用大规模的IC实现，但是成本偏高。基于单片机的插补控制器具有价格低廉、集成度高、体积小、易于操作控制等特点［1］，因此对它的研究具有重大的意义。通过对基于单片机为控制核心单轴控制器结构的研究讨论，以便于设计出价格低廉、控制灵活、结构简单的单轴控制器。

1 基于单片机的单轴控制器的简介

现在控制器有三类：以单片机或者微处理器作为核心的控制器，以专用芯片作为核心处理器的控制器，以及基于PC总线的以DSP和FPGA作为核心处理器的控制器［2］。基于单片机的单轴控制器就是以单片机为核心处理器的运动控制器，所谓单轴控制器其实就是一种插补控制器，该逻辑单元能产生进给脉冲控制步进电机或伺服电机运动，每一个这样的控制器只能控制一个电机的运动状态。它可以接受CNC控制器和控制计算机的指令或参数，产生指定频率f和指定个数m的脉冲序列。单轴控制器的输出通过步进/伺服控制器，控制步进电机或伺服电机的产生进给运动。

在运动控制系统中，单轴控制器是介于主控计算机和伺服控制器之间，如图1所示。

图1 单轴控制在控制系统中作用

2 单轴控制器软硬件体系

我们研究的单轴控制器是利用硬件（内置外设）和软件配合实现的。硬件主要是定时器/计数器，其作用是在一个插补周期内，实现设定速度的进给脉冲输出以及脉冲计数或定时。利用一个计数器对源脉冲进行计数分频，产生进给脉冲，利用另外一个定时计数器计数（或是定时），以确定输出脉冲的个数m。计数方式可直接决定m，定时方式下，间接确定脉冲个数m，因为确定了进给周期，一个时间段内的脉冲也是确定的。

软件的作用包括：1）计算定时计数参数，并将其装入对应的寄存器；2）控制加减速过程；3）与CNC或工业控制计算通讯，接收指令；4）误差的记录与补偿。

3 基于单片机单轴控制器模块组成

3.1 单轴控制器的总体结构

图2所示为一种在单片机平台上实现的单轴控制器结构，其中主要包括脉冲产生模块、插补计算模块、脉冲计数/定时模块、误差管理与修正模块、调度控制模块、参数配置表、通讯管理模块。

图2 单轴控制器体系结构

脉冲产生模块、脉冲计数/定时模块由可编程硬件（定时器）构成。脉冲产生模块用于产生进给脉冲，脉冲计数/定时模块用于脉冲计数，或者插补周期的定时。

插补计算模块、误差管理与修正模块等由软件实现。插补计算模块是将一个较长的插补距离L，按一定规则分解成若干小段dl，这些小段在若干插补周期内完成。另外，该模块根据给定的dl，速度f，插补周期Tc，计算脉冲产生模块和脉冲计数/定时模块的计数值（设定值）。误差管理与修正模块的作用是补偿上一个插补周期因设定值取整而产生的误差。

调度控制模块由软件和系统定时中断配合实现，实现插补周期启动、插补计算的开始、响应上位机的信息，或向上位机发送消息。收发消息的管道是通讯接口，也可以是状态接口上的联络信号。

参数配置表是内存的一个数据结构，存储运动控制的各种参数，插补计算模块要用到参数配置表的数据，上位机通过通讯管理模块写入控制参数，插补计算的中间数据也存储到参数表中。通讯管理模块由软件和硬件通讯电路实现。用于与CNC控制器或工业控制计算机的通讯。

3.2 单轴控制器脉冲产生模块的实现原理

目前微处理器都具有功能很强的定时器/计数器，可以自动实现插补周期内的脉冲输出。如图3所示使用一个定时器/计数器，产生单个插补周期内的可调脉冲频率f（周期为Tf），设置不同的初值d，该定时器的溢出时间将是可调的，d的每个增量值是溢出时间增加一个脉冲源的周期Ts。每当计数器溢出时可触发输出引脚电平的翻转，所以每两个计数周期产生一个完整的脉冲输出。由此可以在一定范围内任意调节进给脉冲的频率f，或者说可以任意调节进给速度v。

图3 实现单个插补周期脉冲输出的可编程硬件架构

利用另外一个定时器/计数器控制脉冲序列的脉冲个数m，利用软件完成参数m配置，当输出进给脉冲时，计数器的输出端便同步（直接反馈输出的进给脉冲）或异步（通过编码器）出现脉冲，这个计数器的计数输出端直接连接到产生进给脉冲的计数器的门控输入引脚，那么，单轴控制器当输出m个脉冲后即被锁定，从而实现了一个给定个数和频率的脉冲序列。

当然，脉冲序列在一个插补周期内的引起的位移是有原理性误差。这个误差将在下一个插补周期内由软件加以补偿。

4 单轴控制器加减速的实现的方法

在实际应用中单轴控制器必须有加减速的功能。单轴控制器的加减速过程对应着输出的脉冲间隔的变化。为了降低成本以及复杂程度，在一个较长的时间段上，如果要求电机转速是变化的，如加速或减速，实际采用的办法是：将一个长进给过程分解为若干个相等的断时间片，即插补周期Tc。在一个插补周期Tc内，单轴控制器输出的m个脉冲的周期相等，也就是脉冲频率不变。而在相邻插补周期，使进给脉冲频率按线性或某种其他规律变化。由于实际插补周期较短，在惯性的作用下，产生的工作台运动可以看作是一个平稳的加速或减速过程，从而产生某种规律的宏观加速度和减速度。