基于ARM的機電復合式凸輪控制器電控系統設計

饒成明

（1.無錫職業技術學院，江蘇 無錫 214121；2.江蘇省無錫振華機器廠，江蘇 無錫 214073）

0 引言

隨著科技的快速發展，目前從世界范圍來看，鍛壓裝備向著集機械、電子、液壓、氣動及檢測等最新技術于一體，自動控制程度高、工作可靠、換模速度快、噪聲低、精度高、防護完善等方向發展。這也促使鍛壓機械逐步向智能化、自動化和柔性化方向提升。凸輪控制器是鍛壓設備重要核心功能部件之一，目前國內市場使用的機械式凸輪控制器安全性能好但柔性不高，而電子式凸輪控制器柔性好，但其安全性沒有得到客戶廣泛認可。針對上述問題，本文介紹了一種基于ARM芯片機電式凸輪控制器電控系統的設計方法，該系統集安全監測、柔性控制于一體，可使鍛壓設備在安全工作的前提下實現智能、柔性加工控制，有較好的市場應用價值。

1 凸輪控制器功能分析及說明

鑒于機械壓力機的控制系統逐步向智能化方向發展，許多企業在機械壓力機上均采用機械—電子凸輪聯合機構來控制機床，其功能部件來自于不同配套廠家，兼容性不強。這給開發機械—電子一體化凸輪控制器及電控系統提供了契機。目前從國內外市場了解的情況看，機電一體化凸輪控制器尚未有成熟產品。研發機械—電子凸輪控制器的目的是為了克服傳統機械凸輪控制器和電子凸輪控制器的缺點，同時要兼顧機械凸輪和電子凸輪功能可在機械—電子復合式凸輪控制器上實現，簡稱機電式凸輪控制器。

機電式凸輪控制器結構如圖1所示，主要包括主軸1、軸承座2、空心軸編碼器3、凸輪組4、反饋及保護模塊5、信息處理及控制模塊6、傳輸線7等。其中凸輪組4一般由機械凸輪、開關及支架模塊構成，空心軸編碼器3作為角度傳感器使用。其主要特征是采用空心軸編碼器3和凸輪組4同時作為曲軸角度/滑塊行程的信號采集部件，并由同一主軸1聯接空心軸編碼器3用一個銷釘固定，防止編碼器和驅動軸隨動，開關通過支架和底座安裝在殼體部件底座上；以嵌入式系統為核心設計控制模塊6，通過I/O通訊接口電路構建便于操作的人機界面。

圖1 機電式凸輪控制器結構簡圖

2 系統架構及硬件設計

2.1 系統結構及工作原理

整體系統結構框圖如圖2所示。采用基于ARM的微處理器嵌入式系統控制設計方案，使現場的安裝、調試、維護十分便利。本設計采用STM32F103 ZET6型芯片，該芯片結構內置高性能ARM Cortex-M3 32位的RISC內核處理器，工作頻率72MHz，內置高速存儲器（高達512K字節的閃存和64字節的SRAM），具有豐富的增強I/O端口和聯接到兩條APB總線的外設。總線通過與人機界面和PLC進行數據交互。具有運算速度快，高速數據處理和強大的數字控制能力，特別適合于需要進行復雜算法的場合。通過人機界面，可實現生產數據的顯示和監控，同時可進行參數設置、運動狀態調整和誤差補償等操作。

圖2 機電式凸輪控制器電控系統結構框圖

該系統結構的核心是STM32F103ZET6控制芯片，它與PLC的耐用性、嵌入式PC機開放功能、軟件的靈活構架和豐富的I/O接口電路無縫對接，集成了先進的通信、控制、信號處理、數據記錄和硬件可編程邏輯功能。圖2中STM主控芯片通過對位置開關傳感器、光電編碼器和凸輪開關的信號采集，實時對其數據進行處理，經過串口輸出對鍛壓設備實施控制，并實現液晶顯示。

2.2 系統硬件PCB板設計

PCB板的設計是電路能否調試成功的關鍵。根據印制電路板的設計規則及經驗，設計時必須滿足下列要求：所有元器件均放置在離板邊緣3mm以內或至少大于板厚，對于每一硬件模塊都應用線框在一起并用文字說明；相鄰走線間距必須能滿足電氣安全要求；注意信號線的布置，不相容信號應遠離放置，避免互擾；PCB板上要充分考慮預留測試點和相關引腳接口，以便后續測試和功能擴展時使用。用Protel99SE的PCB編輯環境下設計得到圖3和圖4凸輪控制器的PCB板。在設計中充分考慮了器件放置、布線策略、地線設計、電源去耦、ESD防護、熱設計等方面的工作，從板圖看出，電路板的面積比較小，由此可知，用嵌入式系統來實現的凸輪控制器PCB板體積小，比傳統的設計體積小的多，能獲得整機性能的最大優化。圖3為主控制系統印制電路板的頂層視圖，圖4為電控系統各接口印制電路板頂層視圖。

圖3 主控制系統PCB板頂層視圖

圖4 電控系統各接口PCB板頂層視圖

3 軟件設計

在設計過程中，將軟件功能分為初始化、主控、中斷、監控等邏輯功能模塊。凸輪控制器電控系統軟件主要采用C語言編寫，用模塊化結構完成設計，整個系統軟件功能模塊如圖5所示。

圖5 軟件系統功能模塊

為了便于生產管理和系統維護，設計了人機界面功能模塊、EEPROM暫存功能模塊和報警選擇功能模塊。另外，在中斷系統模塊中，設置電子凸輪和機械凸輪兩個輸出系統模塊，系統可以按照設備的實際需求，根據用戶生產管理的現場，靈活采用凸輪信號的輸出模式，在最大限度保證安全性能的情況下，可以實現生產過程的柔性控制，同時通過二選一選擇器模塊，能完成凸輪信號的優先選擇功能，這也是本設計的最大亮點之一。由于主控程序流程圖和其他子程序較復雜，在此從略。

4 實驗結果及分析

該電控系統安裝在試驗臺上，并以凸輪軸額定轉速為110r/min進行實驗。能夠實現電子凸輪優先輸出、控制精度為0.1°、數據掉電保護、安全報警等功能。整個工作周期，數據的傳輸和運算均由硬件電路來完成，響應時間短，響應速度較傳統產品有了質的提高，經驗證本電控系統達到了預期設計目標。

由于實驗測試數據較多，本文僅給出電子凸輪和機械凸輪6個通道輸出角度實驗數據，如表1所示。表1中凸輪角度輸出數據是外設顯示查詢表中得到的數據，由表3可以看出電子凸輪的輸出角度比較穩定，誤差較小，達到設計精度要求，比一般的電子凸輪0.25°的精度有大大提高。從兩組輸出的閉合（閉）角度比較，機械凸輪誤差較大，最大誤差為2°，穩定性能差。所以，本設計采用軟硬件相結合方式，提高了電控系統的響應速度、安全性能和抗干擾能力，實現壓力機的柔性控制。

5 總結

在凸輪控制器電控系統設計中，采用基于ARM的嵌入式高速處理器，利用其豐富的片上資源，減少了許多外部擴展，具有精度高、柔性好、成本低、維護方便等一系列優點；通過硬件電控系統的設計，實現了機械—電子凸輪功能的一體化，使凸輪信號輸出具有優先級選擇功能。此外，在控制系統和外部接口電路之間都采用了光耦隔離，最大限度阻止了干擾信號對控制系統的影響。實際實驗測試表明，該電控系統能較好輸出凸輪信號等狀態信息，滿足凸輪控制器對鍛壓設備的功能定位，達到了設計要求。

表1 機電式凸輪控制器輸出實驗角度數據表

[1]于曉紅.我國鍛壓行業近況及前景淺析[J].鍛壓裝備與制造技術，2011，46（5）.

[2]魯 潔.第九屆中國國際機床工具展覽會（CIMES2008）鍛壓展品專題報道[J].鍛壓裝備與制造技術，2008，43（5）.

[3]柏淑紅.采用伺服電機的電子凸輪控制系統設計[J].機電工程，2012，（6）.

[4]王宜懷，劉曉生.嵌入式技術基礎與實踐[M].北京：清華大學出版社，2007.

[5]孟祥蓮，主編.嵌入式系統原理及應用教程[M].北京：清華大學出版社，2010.