電子凸輪控制器設計

劉學鵬，郝曉紅，張東升，黃曉東

(1.中山職業技術學院 機械工程系，廣東 中山 528404;2.成都電子科技大學 機電學院，成都 611731;3.西安交通大學 機械工程學院，西安 710049;4.河南科技大學 機電工程學院，洛陽 471023)

在機械壓力機中使用的凸輪控制器相對于現代生產的要求存在著以下不足:容易磨損，維修不方便。控制精度低，可靠性差。由于采用機械結構，隨之時間的推移，由于磨損，使凸輪的精度變差。同時機械式的觸點的可靠性差。適用的工作速度低。缺乏靈活性。當生產工藝變化，或是凸輪磨損，需要更換調整時，凸輪控制器顯得很不方便。不能靈活的設置動作角度。

1 電子凸輪控制器原理

電子凸輪控制器由控制器、位置傳感器(旋轉編碼器)以及連接電纜組成。使用時控制器安裝在電氣控制柜中，旋轉編碼器與壓力機主軸連接，用于檢測壓力機曲軸在0 ～359°之間所處位置，將所測出的位置量以絕對值編碼的形式傳給控制器［1-11］。控制器接收旋轉編碼器傳來的碼數據經分析處理后，按照用戶設定值，在不同轉角區域，使相應輸出端子導通，在此區域外斷開。完成對壓力機在不同轉角相應功能的控制。圖1 是電子凸輪控制器的機械形式示意圖。

2 電子凸輪控制器總體結構

電子凸輪控制器系統由主控系統、角度檢測(旋轉編碼器)、用戶人機界面等部分組成.系統有設置和運行兩種工作方式，兩種工作狀態有鑰匙開關進行轉換。在設置方式下，用戶通過鍵盤設定、編輯、修改各個通道的起始角度和終止角度區間。設置完成后轉換至在運行方式，單片機通過CPLD 接口采集旋轉編碼器的角度值，與預設值進行比較，在設定角度區間內控制相應的通道輸出到繼電器，可直接控制電機，開關、繼電器等設備。也可送入PLC 的輸入端子，由PLC 完成整個系統的控制、同時將檢測到的編碼器的輸入值以角度或者轉速由數碼管顯示，并通過發光二極管指示各個通道的通斷狀態。

圖1 電子凸輪原理

系統提供3 輸入通道:ST 啟動輸入、HOME 外部原點輸入、PRO 程序保護輸入。通過這四個輸入通道可以利用外部信號對電子凸輪控制器進行控制。

系統還提供一個外部繼電器的總控開關，用來對所有進行設備控制的繼電器進行控制，提高系統的安全性。

3 硬件結構設計與CPLD 內部邏輯實現

電子凸輪控制器系統由主控系統、角度檢測(旋轉編碼器)、鍵盤和顯示、開關量輸入輸出、串行通信等部分組成。其整體系統框圖如圖2 所示。地址鎖存器和譯碼單元如圖3所示。

圖2 總體硬件結構

雙向數據端口的設計如圖4 所示。端口的輸入信號和相應的地址選通信號都接入一個特殊的模塊INOUT 內，在INOUT 模塊內根據輸入的地址選通信號在輸出端輸出相應的輸入信號。與INOUT 輸出端相連的74244 的OE 信號則由所有輸入端口的選通信號和讀信號RD 的邏輯組合控制。

圖3 鎖存和譯碼單元

圖4 雙向端口

輸入單元如圖5 所示。RD 是來自于CPU 的讀信號。IN_CS0 ～IN_CS4 是來自于譯碼單元的地址選通信號。僅當RD 信號和某一選通信號同時有效時，總線導通該路的輸入信號，否則總線處于高阻態。

鍵盤與顯示接口的CPLD 內部實現如圖6 所示。DB0 ～DB7 為與主控板上EPM7128 相連接的雙向數據線。用來傳送LED 顯示數據、LED 段選和讀取的鍵盤值。HIMSEL0 和HIMSEL1 為主控板進行編碼后產生的控制線。

絕對值旋轉編碼器以格雷碼形式輸出當前檢測的角度值。格雷碼轉換為二進制碼的VHDL 源代碼片段如下:

圖5 輸入單元

圖6 鍵盤與顯示接口

4 電子凸輪控制器軟件結構與功能

電子凸輪控制系統軟件設計將定時中斷0 產生的標志作為消息，而將要進行的操作放在中斷服務程序之外的主程序循環(消息循環)中進行。定時器0 中斷服務程序中只進行標志位的設置(發送消息)，減少了中斷服務程序的長度，縮短了中斷服務程序執行的時間。系統結構圖7 所示。電子凸輪控制器系統軟件由MCS-51 匯編語言編寫，其主要功能:對系統硬件的支持，包括功能轉換開關、控制按鈕輸入、撥碼開關輸入等。旋轉編碼器輸入角度值的采集和相應的碼制轉換。人機界面實現是用戶通過鍵盤輸入命令，完成對16 通道初始角度和終止角度的設定、編輯、修改和其他設定工作。同時將相應的設定在數碼管上顯示出來。輸出控制是在系統運行狀態下，完成實際角度與預設角度區間的比較、判斷并決定各個輸出通道的狀態。通信功能是從上位機接收命令，可以完成設定的讀出、編輯和修改;各個通道狀態的讀出;用戶程序的選擇等功能。

圖7 軟件結構圖

5 結束語

根據電子凸輪的特點及其在工業自動化領域的實際應用，設計出電子凸輪為機械壓力機提供了精確的轉速和角度檢測，并具有一定的控制功能，提供簡單的角度設定和方便的開關轉換功能。替代原有的機械凸輪機構后，由于不再有凸輪的磨損，而使控制精度大為提高。實際應用表明:系統有效地提高工作可靠性、故障率低、體積小、動作時振動噪聲小、維修方便，為正常工業生產起到了重要的作用。

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