基于PSoC的數(shù)控運(yùn)動(dòng)控制器

摘 要： 采用PSoC可編程片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)控運(yùn)動(dòng)控制器，由于PSoC具有靈活的可自由配置的模擬、數(shù)字資源和輸入輸出接口以及對(duì)多種通信接口的支持，該運(yùn)動(dòng)控制器具有良好的可擴(kuò)展性和可移植性。介紹了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、控制器的硬件模塊設(shè)計(jì)以及直線、圓弧、Nurbs曲線插補(bǔ)方式和速度控制方案的軟件實(shí)現(xiàn)，使用該控制器控制一臺(tái)三軸雕刻機(jī)進(jìn)行雕刻，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的性能。
關(guān)鍵詞： PSoC；數(shù)控系統(tǒng)；插補(bǔ)；運(yùn)動(dòng)控制器

目前廣泛使用的數(shù)控運(yùn)動(dòng)控制器的功能和性能已趨于完善，例如固高控制器、PMAC控制器等。但這些控制器大多還是屬于封閉式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)難以進(jìn)行擴(kuò)展和移植。同時(shí)，用戶也不能根據(jù)實(shí)際需求自由地配置輸入輸出接口或改變系統(tǒng)內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的通信方式也比較單一，難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化[1-2]。
Cypress公司的PSoC(Programmable System on Chip)可編程片上系統(tǒng)將32 bit微控制器、可編程模擬資源、可編程數(shù)字陣列集成在一個(gè)芯片上，可以自由配置模擬、數(shù)字、通信等功能，并且可以在線編程。模擬資源和數(shù)字陣列可以通過(guò)PSoC Creator編程軟件進(jìn)行方便的增減和修改，有70個(gè)可自由配置的I/O口，可方便地配置為多種類(lèi)型的模擬/數(shù)字輸入或輸出接口，用來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)和信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和控制，是一個(gè)開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)，具有良好的并行性和可擴(kuò)展性。另外還支持包括USB、I2C、SPI、等多種通信接口，具有完善的可移植性[3]。鑒于數(shù)控運(yùn)動(dòng)控制器的發(fā)展現(xiàn)狀以及PSoC芯片的諸多優(yōu)勢(shì)，本文將以PSoC芯片CY8C5588(一款第五代PSoC芯片)為基礎(chǔ)，構(gòu)建一套數(shù)控運(yùn)動(dòng)控制器，用來(lái)控制三軸雕刻機(jī)的工作。
1 系統(tǒng)整體架構(gòu)
以目前已經(jīng)完成的三軸聯(lián)動(dòng)的雕刻機(jī)控制器為例，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括計(jì)算機(jī)、以PSoC為核心的控制器、驅(qū)動(dòng)電路和雕刻機(jī)。
上位機(jī)程序采用C#語(yǔ)言編寫(xiě)，采用網(wǎng)絡(luò)編程的套接字技術(shù)，作用是供用戶輸入或從文件導(dǎo)入指令，并將其傳輸給PSoC進(jìn)行解析和計(jì)算，控制雕刻機(jī)按照所預(yù)想的方式運(yùn)行。PSoC控制器主要實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)的通信、指令的解析插補(bǔ)、電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。驅(qū)動(dòng)電路對(duì)PSoC輸出的信號(hào)進(jìn)行反相和放大，信號(hào)輸出給雕刻機(jī)的電控箱，控制雕刻機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
在可編程片上系統(tǒng)PSoC中所使用的端口和元件示意圖如圖2所示，共采用了4個(gè)PWM模塊，3個(gè)Counter(計(jì)數(shù)器)，一個(gè)SPI，一個(gè)UART以及若干輸入輸出接口。 SPI模塊和UART模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。PWM_0、PWM_1、PWM_2和PWM_3分別用作主軸和三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸輸出脈沖發(fā)生器，用來(lái)控制主軸的轉(zhuǎn)速和三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)速度。Counter_1、Counter_2和Counter_3則分別對(duì)三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軸位移的控制。數(shù)字輸出端口輸出三個(gè)軸的使能、方向信號(hào)和整個(gè)系統(tǒng)的急停信號(hào)。輸出電平的高低通過(guò)軟件編程控制。在這些信號(hào)控制三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸工作的同時(shí)，系統(tǒng)可以進(jìn)行計(jì)算、插補(bǔ)、狀態(tài)查詢(xún)、指令傳輸?shù)热魏纹渌墓ぷ?，整個(gè)系統(tǒng)具有良好的并行性。另外，這些信號(hào)可以根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行修改，使得運(yùn)動(dòng)軸改變運(yùn)動(dòng)速度或方向，系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性。
同時(shí)，PSoC芯片支持DMA（直接內(nèi)存訪問(wèn)）技術(shù)，由DMA控制器完成。DMA是一種存儲(chǔ)器之間以及存儲(chǔ)器與外部設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒āＴ贒MA中，由硬件設(shè)備接管了總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸工作，節(jié)省了主程序調(diào)用API函數(shù)所占用的CPU時(shí)間，提高了系統(tǒng)的并行性，可以縮短插補(bǔ)周期，大大改善了控制器的性能。雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)軌跡控制通過(guò)軟件控制以上各個(gè)硬件部分協(xié)作完成，可以實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)以及Nurbs插補(bǔ)。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 插補(bǔ)方案
3.1.1 直線插補(bǔ)
對(duì)于一條直線，首先將其在X、Y、Z三個(gè)軸上進(jìn)行投影，根據(jù)要求的進(jìn)給速度和進(jìn)給量分別設(shè)置三個(gè)軸的PWM元件參數(shù)和對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器，并對(duì)三個(gè)軸的使能信號(hào)和方向信號(hào)進(jìn)行配置。在插補(bǔ)過(guò)程中，速度的實(shí)時(shí)改變也是通過(guò)軟件修改PWM元件參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3.1.2 圓弧插補(bǔ)
圓弧插補(bǔ)的基本思想是在滿足運(yùn)動(dòng)精度的前提下，用微直線段代替圓弧線進(jìn)行進(jìn)給，即使用直線來(lái)逼近圓弧。本文采用的圓弧插補(bǔ)算法為改進(jìn)的二階近似DDA插補(bǔ)算法，使用圓的內(nèi)接弦來(lái)逼近圓弧。算法如下（以第一象限為標(biāo)準(zhǔn)）[4]：



3.2 速度控制方案
對(duì)于一個(gè)實(shí)際的電機(jī)，啟停時(shí)的速度變化需要有加速和減速的過(guò)程，在雕刻機(jī)的運(yùn)行中，進(jìn)給方向改變時(shí)同樣需要一個(gè)減速再加速的過(guò)程，以緩解對(duì)電機(jī)的沖擊力，延長(zhǎng)雕刻機(jī)的使用壽命。加減速的主要方式有梯形加減速和S型加減速兩種，如圖4所示。

在梯形加減速中，速度的變化是均勻的；在S型加減速中，加速度也是變化的，從0逐漸變大再減小為0。S型加減速對(duì)系統(tǒng)具有更小的沖擊性，但是運(yùn)算的復(fù)雜度更高，時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)更大。本文采用了自適應(yīng)的速度控制方案，對(duì)于運(yùn)動(dòng)軌跡上拐角比較大且插補(bǔ)速度比較高的點(diǎn)使用S型加減速，對(duì)于比較平緩的插補(bǔ)和軌跡交接則使用梯形加減速。另外，系統(tǒng)還引入速度前瞻控制方案，在插補(bǔ)一段軌跡時(shí)，根據(jù)下一段軌跡的長(zhǎng)度和方向來(lái)決定進(jìn)給速度的趨勢(shì)。綜合兩段軌跡的長(zhǎng)短和夾角，確定減速方案（減速點(diǎn)、加速度和末速度）。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及系統(tǒng)性能分析
4.1 雕刻結(jié)果展示
本文使用了一臺(tái)功率為300 W、型號(hào)為T(mén)S-2518b的三軸電動(dòng)雕刻機(jī)，圖5左是直線加圓弧插補(bǔ)雕刻結(jié)果。這是一組5條直線加四段圓?。ㄒ粋€(gè)象限是一段，四段是一個(gè)完整的圓弧）的簡(jiǎn)單圖案，直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)和速度控制方案均使用了前文提到的方式。Nurbs曲線插補(bǔ)雕刻結(jié)果如圖5右，這是一條完整的有10個(gè)控制頂點(diǎn)的二次Nurbs曲線。