开放式数控系统的设计与应用

赵明

(烟台汽车工程职业学院 机电工程系， 烟台 265500)

0 引言

开放式数控系统基于嵌入式技术，嵌入式技术具备高集成性且易于移植的优势，弥补了传统数控系统的封闭性、兼容性差等劣势，从而扩大了产品的使用范围，开放式数控系统实现了模块化、可重构、可扩充的功能，现阶段主要可分为两类：基于单片机的系统结构简单且开发技术相对成熟，在普通数控加工中较为实用，但其控制性能由于受到单片机技术屏障的限制而难以提高；基于运动控制卡的系统对运动轨迹的控制程度较好(开放程度较高)，但运动控制卡和操作系统间衔接度较差且拓展性差[1]。

1 开放式数控系统设计

根据开放式数控加工的基本原理，开放式数控控制系统主要由闭环控制、限位、电机驱动控制及通信四个模块构成，开放式数控系统的总体架构(其中1代表X-Y 平台，2、3分别代表电机1、电机2，4代表联轴器，5代表限位开关)如图1所示。

通过对脉冲个数进行控制电机控制模块实现对角位移量的控制，对于电机转动的速度和加速度的控制则通过对脉

图1 开放式数控系统总体架构

冲频率进行控制实现；采用光栅尺作为测量反馈装置，以数字脉冲的形式输出测量的信号，进而提升了响应速度；信号在其硬件电路间传输时，为降低电路干扰，其前端与负载完全隔离通过光电耦合器(TLP521)的使用实现，从而增加了系统的安全性。系统基于微处理器STM32FZET6(32位Core-tex-M3内核处理器，内置高速存储器，供电电压为 0～3.6 V)和步进电机(能将电脉冲转化为角位移)实现闭环控制，该微处理器具备丰富的GPIO端口，能够进行高速的数据传输，采用能够快速启停的步进电机驱动工作台作 X - Y 向的运动，具体通过挠性联轴器连接丝杠实现运动的传递，步进电机还能够精确步进，通过单片机的控制器实现控制过程[2]。

1 系统功能模块设计

本文所设计的开放式数控系统具体通过电机控制模块实现准确定位，达到调速和定位的最终目标，结合使用光栅尺作为测量反馈装置，以数字脉冲的形式输出测量的信号，提高检测范围和检测精度，实现闭环控制过程，为降低信号在其硬件电路间传输时时所产生的电路干扰，通过限位模块中限位开关的设置实现；通信模块的作用在于实现多点的实时双向通信。

1.1 电机控制模块

当脉冲信号被步进电机驱动器接收到后，按设定的方向，步进电机在其驱动下以一个固定的角度θ(步距角)转动运行，步进电机的驱动控制信号表示为±CW(±PLS)、±CCW(±DIR)，为做到准确定位，达到调速和定位的最终目标，通过对脉冲个数进行控制电机控制模块实现对角位移量的控制，对于电机转动的速度和加速度的控制则通过对脉冲频率进行控制实现，步进驱动器实际采用的输入方式为单脉冲，此种方式的时序图如图2所示。

图2 单脉冲输入方式时序图

PLS每输入一个脉冲后(此时DIR输入为正)电机旋转一个步级(朝CW方向)；PLS每输入一个脉冲后(此时DIR输入为零)电机旋转一个步级(朝CCW方向)。电机转速同其两端电压成正比，电机转速同占空比城正比[3]。

通过挠性联轴器(使主动轴与从动轴的角速度相等)和丝杠(将角位移转化成线位移)的使用实现运动在电机同运动平台间的传递，传动比为1，丝杠的导程由P表示，由mc表示PWM信号脉冲数，由θ表示步进电机的步距角，细分数为4，电机转速由n表示，占空比由α表示，由v1表示平台运动速度，由l1表示运动位移，具体表达式如下：

v1=n·p

l1=(θ/4)·(P/360)·mc

脉冲PLS(PB6)的产生通过单片机的定时器4在PWM模式下工作完成，DIR(方向控制信号)的产生则使用PB5实现，单片机的定时器2精确计数PLS(以计数器方式)，由N1表示计数脉冲记，定时器2的计数输入端PA0连接定时器4脉冲输出端PB6。

1.2 闭环控制模块

为提高检测范围和检测精度，本文利用光栅的光学原理完成电机控制的反馈环节，具体采用光栅尺作为测量反馈装置，以数字脉冲的形式输出测量的信号，进而提升了响应速度，对于电子细分与判向功能，则通过将4个光电器件在一个莫尔条纹宽度内按照一定间隔放置实现；考虑到位移的矢量性，在检测过程中需对位移的大小和方向进行检测，这就需要两路不同相位的光电信号，采用差分放大器(由低漂移运放构成)以降低共模干扰、直流分量等的影响，分别传送4路光电信号(由四个细分数为4的光敏器件获取)至2只差分放大器的输入端，从此处输出的两路信号相位差为π/2，接下来对这两路信号进行调整(整形为1∶1占空比的方波)以获取判向和计数脉冲，判别比较方波的相位后即可获取光栅尺的移动方向，最终光栅尺的位移和速度的获取则通过对方波脉冲进行计数实现[4]。

连接光栅尺与单片机时采用193可逆计数器，在光栅尺中由N表示细分数，光栅传感器栅距为d，f表示输出信号频率，则运动平台速度(光栅尺表征)表达式如下：

v2=d·f/N

闭环控制过程的实现：方波信号(由光栅尺输出)的传输路径为从193可逆计数器到单片机(STM32FZET6)的PA1口，计数方波脉冲记为N2，通过在单片机中对N1、N2和v1、v2进行比较完成对电机驱动参数的调整。

1.3 限位模块和通信模块

该模块的主要功能在于保护机械结构，信号在其硬件电路间传输时，为降低电路干扰，其前端与负载完全隔离通过光电耦合器(TLP521)的使用实现，从而增加了系统的安全性，将4个限位开关(X、Y方向各有2个)设置在运动平台的导轨上，用作起点设置和末位保护。

各单元分布于系统的不同位置，需实现多点的实时双向通信，本系统选用了RS-485标准，使系统内的通信通过平衡发送和差分接收方式的使用来实现，考虑到PC机常用的通信接口为RS-232标准串行口，需通过跳线的设置完成RS-232/RS-485间的转换，进而实现RS-485串口通信，单片机集成了串口1和串口2作为通信串口(支持RS-232/RS-485)。

2 系统的实现

(1) 软件设计

MDK作为专业嵌入式开发工具，面向不同层次的开发者，操作简便，本文主要基于RealViewMDK (ARM公司)编译环境完成系统的软件设计，MDK基于ARM微控制器并且支持Cortex-M3处理器(ARM公司推出)，其所提供的解决方案具备高性能和低成本优势，能够有效满足微控制应用需求，通过初始化程序、主程序和中断服务程序完成系统软件处理过程，复位后即执行初始化程序，检测初始状态后系统执行中断服务程序(需满足中断条件)包括启停控制、速度控制、位置控制及运行控制，直到系统重新复位[5]。

(2) 驱动模块软件设计

单片机定时器控制着PWM的周期及占空比，通过GPIO口的配置实现PWM信号的输出，步进电机的驱动通过产生的PWM信号实现，具体流程如下。

选择通用定时器TIM4，设置一个更新事件，初始化定时器，TIM采用向上计数的工作模式，时钟频率为72 MHz，载入TIM_Period(预装载值)和TIM_Prescaler(预分频值，作为 TIMx 时钟频率除数)，时钟分割设置为TDTS=TCK_tim=0，TIM4工作的频率定义为：

TTIM4频率=TIM4CLK/[(TIM4_eriod)·TIM4_rescaler]

将PWM信号的输出引脚设置为复用输出功能，输出TIM4部分重映射的PWM脉冲波形；将占空比分为10个阶级(从0～100%)以便对占空比进行控制，pp和num表示具体的控制参数，由按键控制num，定时器进入一次中断pp加1[6]。

(3) 闭环控制软件设计

运动平台的实时速度和位移(l、v)的获取通过使用光栅尺实现，分别传输四路光电信号(经4个光敏元件获得)至2只差分放大器输入端后，再通过PI对所输出两路信号的电流进行调节后，再经电流矢量控制环节整形为占空比为1∶1的方波，完成两相电流Ia和Ib的输出，接下来对移动方向的判别则根据两相方波的相位即可实现，光栅尺位移和速度的获取则通过计数方波脉冲实现，闭环控制过程如图3所示。

图3 闭环控制方框图

3 系统仿真测试

为检测本文所收集的开放式数控系统的实用性和稳定性，对步进电机闭环系统进行仿真测试，步进电机采用二相混合式，转矩与速度在开始阶段表现出短暂的波动，随后便趋于稳定状态，抗负载干扰能力强，继续在实验台上进行调试，具体参数如表1所示。

表1 仿真实验参数设置

使用挠性联轴器和滚珠丝杠实现传动过程，步进电机在发送的N1个脉冲的驱动下开始运行(每发一个脉冲丝杠移动2.5 μm)，采用光电编码器通过十字联轴节与伺服电动机组装在一起构成闭环伺服系统，采用RENISHAWRG2(由RGS钢带光栅和读数头组成)读取光栅尺位移和速度，检测结果表明光栅传感器能够对信号进行有效反馈，通过计数方波脉冲闭环获取光栅尺位移和速度后，控制系统通过对这些反馈回的信号完成计数过程(由N2表示)，在比较N1、N2后完成偏差命令的发送，完成对步进电机的实时修正使其达到预定位置(同实际计算结果吻合)，证明该系统能够有效的实现控制功能，具备良好的稳定性和动态响应性能。

4 总结

本文主要对开放式数控系统进行研究，在开放式数控平台中应用嵌入式技术，控制器采用STM32FZET6，通过PWM控制技术及PID控制算法的使用对两相式混合步进电机进行控制，完成了闭环控制系统的构建，速度和位置反馈信息由光栅尺提供，在此基础上完成控制系统数学模型的建立，通过仿真实验证明了系统具备较高的控制精度和良好的稳定性，所设计开放式数控系统具有较高的实际应用价值。