基于Cortex-M4的彎管機控制器探究

秦懷宇,田討論

(江蘇科技大學電氣與信息工程學院,張家港,215600)

0 緒論

將管材毛坯按照應用要求，利用機械，將其加工成具有一定的曲率半徑、一定的彎曲角度和一定的空間形狀的塑性加工技術就是管材的彎曲成形技術。利用管材毛坯彎制成形的彎曲零件，在應用在具有很多優點，例如重量輕，介質流通量大，吸震力強等。因此，管形彎曲零件得到越來越廣泛的應用。

現代數控彎管機多選用PLC作為控制核心，PLC具有可靠性高，抗干擾能力強，易學易用，編程簡單方便等優點，但同時也具有成本相對較高，使用率低等缺點，造成了一定程度上的資源浪費。而Cortex-M4結合了32位控制技術與數字信號處理技術的優點，用于需要實時控制和高效數字信號處理的場合。Cortex-M4處理器內建了浮點運算單(FPU),能夠滿足低階DSP的應用需求。是需要DSP功能的產品制造商的一個易導入、易開發的選擇。Cortex-M4處理器采用一個擴展的單時鐘周期乘法累加 (MAC) 單元、優化的單指令多數據（SIMD）指令、飽和運算指令和一個可選的單精度浮點單元 (FPU)。ARM Cortex-M 系列處理器的主要特征如表1所示：

1 設計概述

本文以ST公司的STM32F407處理器，設計采用有芯繞彎工藝的彎管機控制器。其工作原理如圖1所示。

彎管機機床共有三個主要的運動軸。Y軸運動軸：帶動管材毛坯沿空間坐標系Y軸直線運動，待管材毛坯到達指定位置后停下；B軸運動軸：運動軸上的夾頭夾住管材毛坯，帶動管材毛坯繞空間坐標系Y軸進行空間旋轉運動；C軸運動軸：帶動彎管機的彎曲模繞空間坐標系Z軸旋轉。結合彎管機控制器的實際需要，并考慮實驗條件、實驗成本等因素，本設計不涉及彎管機的機械部分，即對彎管機機床的鉗口、導向模、隨動模、防皺模、芯棒、夾頭、尾座的控制，只對彎管機的運動執行部件，直流伺服電機進行控制。微控制器控制直流伺服電機的運動過程為：

表1 Cortex-M處理器主要特征

(1) C軸電機帶動彎曲模轉過一既定角度；

(2) Y軸電機帶動工作臺和管材毛坯運動到下一彎管位置；

(3) B軸電機帶動管材毛坯轉過一既定角度；

(4) C軸電機復位。轉動步驟一。

由于C軸電機和B軸電機的控制方式完全相同，這里只對C軸電機和Y軸電機進行控制。本設計采用日本多摩川精機株式會社生產的TS3738N4E11直流伺服電機作為執行機構。圖2為直流伺服電機工作原理圖。

圖2 直流伺服電機工作原理圖

由該電機原理圖可知，直流他勵電機的電樞繞組通過電刷連接到直流電源上。繞組的轉軸可以連接負載。電流由電刷A流入線圈繞組，經電刷B流回電源負極，形成電流回路。根據安培左手定律，ab段線圈受到指向左的電磁力，dc端線圈則受到指向右的電磁力，這樣，轉子就會有一個逆時針方向的扭矩。當ab段轉動到下面，dc段轉動到上面，由于電刷的作用，電流方向發生改變。這樣下去，線圈受到的扭矩不變，轉子就會在電源的作用下，一直不停地旋轉下去。

直流伺服電機的速度位置反饋裝置通常為編碼器。多摩川TS3738N4E11型直流伺服電機采用1000線增量型光電編碼器。其工作原理圖如圖3所示：

光電編碼器通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的輸出。光電編碼器由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖3-2所示；通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前電動機的轉速和轉過角度。此外，為判斷旋轉方向，碼盤還可提供相位相差90o的兩路脈沖信號，A相和B相脈沖信號。

微控制器STM32F407是彎管機控制器的核心單元，完成從USB轉串口模塊讀取由上位機發出的指令并執行相應動作，接收伺服電機的編碼器發出的位置信號，通過H橋驅動模塊驅動直流伺服電機的功能。串口使用簡單，通信可靠，幾乎所有微控制器都集成串口。STM32F407串口資源豐富，有多達4個USART和2個UART可供用戶使用。L298N模塊和直流伺服電機構成系統的執行部分，完成上位機發出指令的執行。電機制動電路在直流伺服電機停轉后將電樞兩端短接，使電機能夠及時停止轉動。上位機軟件由C++ Builder可視化集成開發工具實現，為用戶提供了友好的人機交互體驗。其系統框圖如圖4所示：

圖3 光電編碼器工作原理圖

圖1 彎管機繞彎工作原理示意圖

圖4 彎管機控制器軟件系統框架