簡(jiǎn)易單軸運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)

劉漢忠，周伯榮，李宏勝

（南京工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院, 南京 211167）

0 引言

目前運(yùn)動(dòng)控制器主要有兩種，一種主要是以專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制芯片或CPLD、FPGA方式存在，通常結(jié)合DSP、ARM一起使用。第二種采用了基于PC標(biāo)準(zhǔn)總線的運(yùn)動(dòng)控制器，在硬件設(shè)計(jì)上采用板卡方式，這種結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制器不宜長(zhǎng)期工作在環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，另外與PC機(jī)一起使用增加了應(yīng)用成本，且增大了控制系統(tǒng)的體積[1,2]。

本文介紹了一款簡(jiǎn)易單軸運(yùn)動(dòng)控制器，其僅用一芯片實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)和IO管理，提供多種運(yùn)動(dòng)方式，位移、速度、加速度等參數(shù)任意設(shè)置，適用于步進(jìn)電機(jī)的精確定位控制。

1 硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

簡(jiǎn)易單軸運(yùn)動(dòng)控制器僅采用Microchip公司的dsPIC30F2010完成顯示、按鍵、單軸插補(bǔ)等任務(wù)，顯示采用6位數(shù)碼管，段碼數(shù)據(jù)通過(guò)dsPIC的SPI接口輸出至74LS164，后并行輸出至數(shù)碼管，位選數(shù)據(jù)通過(guò)74LS138譯碼后輸入74LS244，其輸出引腳接數(shù)碼管位控腳。按鍵采用獨(dú)立式鍵盤(pán)，分別有模式、設(shè)定、移位、位加、運(yùn)行、停止、復(fù)位。剩余IO引腳接限位、原點(diǎn)開(kāi)關(guān)等以備擴(kuò)充。

2 程序設(shè)計(jì)

2.1 程序規(guī)劃

dsPIC30F2010采用12M外部晶振，內(nèi)部8倍頻，由于時(shí)鐘周期是4倍的振蕩周期，所以時(shí)鐘周期是1/24 us，允許情況下盡可能提高振蕩周期，這樣可以提高輸出脈沖頻率，由于dsPIC30F2010完成顯示、按鍵、單軸插補(bǔ)等任務(wù)，故主程序循環(huán)掃描按鍵，顯示由定時(shí)器T1完成，定時(shí)器T0做單軸插補(bǔ)運(yùn)算以及脈沖輸出。由于dsPIC30F芯片可以實(shí)現(xiàn)中斷欠套，這樣把定時(shí)器T0設(shè)置為最高中斷優(yōu)先級(jí)，并使能中斷欠套功能。

2.2 按鍵掃描程序

按鍵掃描可以在定時(shí)器中斷程序執(zhí)行，也可以在主程序的while循環(huán)部分（程序采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)）執(zhí)行，這里相比較而言，后者更合適，因?yàn)槿粼诙〞r(shí)器執(zhí)行的話，中斷會(huì)由于變量的壓出棧而影響最高輸出頻率。while循環(huán)部分按鍵掃描流程如圖1所示。顯示程序在T1中斷程序執(zhí)行，T1定時(shí)時(shí)間為3ms，具體過(guò)程不再詳述。

2.3 插補(bǔ)程序

步進(jìn)電機(jī)加減速通常有三種方法：直線加減速、指數(shù)加減速、拋物線加減速，后兩種方法，步進(jìn)電機(jī)可能因?yàn)樯邓偬於鴣G步，影響定位精度，下文介紹了精確定位過(guò)程中實(shí)現(xiàn)任意直線加減速的方法，如圖2所示，設(shè)位移設(shè)定值是已Pn、最大速度是Vmax、加速度是Acc，根據(jù)公式＝2×Acc×Pn，為實(shí)時(shí)速度，可得＝

圖2 同步啟動(dòng)加速曲線-脈沖圖

定時(shí)器T0中斷程序中根據(jù)式（3）實(shí)時(shí)計(jì)算下一時(shí)刻脈沖頻率所對(duì)應(yīng)的定時(shí)時(shí)間值，按此公式，dsPIC根本無(wú)法實(shí)時(shí)計(jì)算出該值。這里介紹一種延時(shí)啟動(dòng)直線加減速脈沖生成方法。如圖3所示

圖3 延時(shí)啟動(dòng)加速曲線-脈沖圖

曲線1表示速度加速曲線，現(xiàn)把該設(shè)定曲線延時(shí) 時(shí)間，即曲線2，在曲線2初始時(shí)刻發(fā)首個(gè)脈沖，此時(shí)速度值

t0取值越小，則實(shí)際加速曲線越逼近給定加速曲線，這里為計(jì)算方便取t0為0.1s,由式 （4） 很容易求出初始時(shí)刻v1（一般將v1放大10倍，以避免浮點(diǎn)數(shù)乘除運(yùn)算），根據(jù)式 (8)、（5）分別求出vi、ti，由ti求出裝載定時(shí)器T0的初始值。同樣可以分析得出減速過(guò)程中

勻減速初始時(shí)刻vi-1就是加速過(guò)程中達(dá)到的速度最大值。

在加減速過(guò)程中，用戶設(shè)置的位移值、加速度值可能較小，最大速度值又可能較大，所以DSP在運(yùn)算過(guò)程中要判斷是否有勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程，如圖4、圖5所示，具體方法如下：

圖4 有勻速過(guò)程的速度位移曲線

圖5 無(wú)勻速過(guò)程的速度位移曲線

首先計(jì)算中間位移點(diǎn)Pm＝Ps/2，并對(duì)定時(shí)器T0輸出脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)變量為j，當(dāng)j＜Pm時(shí)，實(shí)時(shí)判斷當(dāng)前速度是否到達(dá)設(shè)定的最大速度值，若到達(dá)，則記錄當(dāng)前輸出脈沖數(shù)P1，根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，可知在第（Ps－P1）個(gè)脈沖開(kāi)始減速。若j＝Pm時(shí)，當(dāng)前速度依舊小于設(shè)定的最大速度值，則系統(tǒng)隨即開(kāi)始減速，兩者都直至輸出Ps個(gè)脈沖后停止。綜上所述，定時(shí)器T0流程如圖6所示，右側(cè)是加速段流程，中間是勻速段流程，左側(cè)是減速段流程。

3 試驗(yàn)結(jié)果

運(yùn)動(dòng)控制器參數(shù)根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定，試驗(yàn)中，位移設(shè)定為40000脈沖，最大速度為4000脈沖/s，加速度為4000脈沖/s2，加速過(guò)程捕獲的輸出脈沖波形如圖7所示，其脈寬不到40us，該脈寬時(shí)間主要是計(jì)算公式（8）、（5）所消耗的時(shí)間，根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，在減速段脈寬時(shí)間相同，勻速段不需實(shí)時(shí)計(jì)算下一時(shí)刻輸出脈沖頻率大小，其脈寬可以通過(guò)延時(shí)來(lái)獲得，由此可見(jiàn)，用該方法，控制器在加減速段輸出最大脈沖頻率至少可達(dá)25k。

圖6 定時(shí)器T0中斷程序流程圖

圖7 加速段輸出脈沖波形

4 結(jié)論

步進(jìn)電機(jī)在較高速度下運(yùn)行要取得較好的定位精度必須考慮加減速過(guò)程，本文介紹的單軸單芯片運(yùn)動(dòng)控制器，成本低、性能好，運(yùn)動(dòng)方式多，參數(shù)設(shè)置靈活、方便，能在不同位移、速度、加速度下實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)精確、快速、有效的定位控制，有一定市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。目前該運(yùn)動(dòng)控制器在某小型鉆孔設(shè)備上得到了較好的應(yīng)用。

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