李軍科， 戴 明， 吳建軍

(1.江蘇省無線傳感系統(tǒng)應(yīng)用工程技術(shù)開發(fā)中心，江蘇 無錫214153，2. 無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子系，江蘇 無錫214153)

0 引 言

在工業(yè)自動化控制中，經(jīng)常會有關(guān)于單軸運動控制的問題.目前解決此類問題的方案一般有用工控機(jī)、單片機(jī)或?qū)Ｓ玫膯屋S控制器做控制單元。工控機(jī)與專用單軸控制器成本較高。

單片機(jī)速度較慢，無法實現(xiàn)復(fù)雜算法控制［1-2］。數(shù)字信號控制器DSC 則集成傳統(tǒng)數(shù)字信號處理器DSP和控制器的優(yōu)點，目前已成為運動控制領(lǐng)域的核心控制單元，其突出特點就是系統(tǒng)軟件化，在硬件不做任何改動情況下，通過改變軟件就可以實現(xiàn)各種不同的控制功能［3］。

基于省大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新大賽實踐，在相關(guān)專業(yè)教師與學(xué)生創(chuàng)新團(tuán)隊的共同參與下，共同完成了DSC 平臺(TMS320F2806)的單軸運動控制教學(xué)平臺設(shè)計。上位機(jī)、驅(qū)動器、控制器、運動單元模塊化設(shè)計使得單軸控制器平臺在課程教學(xué)與工業(yè)應(yīng)用之間得到很好的平衡。有助于創(chuàng)新性人才培養(yǎng)和校企合作項目的開發(fā)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

驅(qū)動系統(tǒng)主控制芯片選擇TMS320F2806 處理器，這是一顆基于TMS320C2xx 內(nèi)核的定點DSP，是集成度較高、性能較強的運動控制系列器件。F2806 相比F2812 提供了增強型外設(shè)模塊ePWM、eCAP 和SCI［3］。內(nèi)核與I/O 電壓為1.8 V 與3.3 V，分別由+5 V 經(jīng)ASM117-1.8、AMS1117-3.3 提供。系統(tǒng)外部輸入+24 V 直流電源由LM2574 組成的BUCK 開關(guān)電路變換為+5 V 電壓提供TB6560 及相關(guān)隔離芯片。外部20 MHz 無源時鐘頻率經(jīng)內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻后可達(dá)100 MHz。片內(nèi)32 kB 的Flash 提供用戶存儲指令與數(shù)據(jù)。EPWM1/2/3 定義為TB6560 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片的脈沖、方向與使能信號。ECAP 則用來對限位傳感器信號捕獲。SCI 口采用RS232 串行通訊協(xié)議與上位機(jī)MSCOMM 控件接口。光藕隔離與邏輯變換電路主要完成F2806、TB6560 及其他器件之間電平轉(zhuǎn)換［5-6］。

圖1 基于F2806 與TB6560 芯片的單軸運動控制教學(xué)平臺

TB6560 是東芝公司推出的低功耗、高集成兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片，內(nèi)部集成雙全橋MOSFET 驅(qū)動;最高耐壓40 V，單相輸出最大電流3.5 A(峰值)?；诤懔鲾夭?qū)動原理，采用正弦波作為細(xì)分驅(qū)動的電流波形，具有整步、1/2、1/8、1/16 細(xì)分方式，能改善步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動低頻噪聲偏大，高速丟步的缺點。

運動單元采用主流高科技傳動器件—滾珠絲桿和直線導(dǎo)軌。滾珠絲杠包括螺桿、螺帽、循環(huán)系統(tǒng)及鋼珠，其功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為線性運動，具有高精度、高速度、可逆性等特點;直線導(dǎo)軌是一種滾動導(dǎo)引，由鋼珠在滑塊與滑軌之間作無限滾動循環(huán)，負(fù)載平臺能沿著滑軌輕易地以高精度做線性運動，與傳統(tǒng)的滑動導(dǎo)軌相比較，因滾動導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)可降至原來的1/50，由于起動的摩擦力大大減少，相對的無效運動較少，故能輕易地做到μm 級進(jìn)給和定位。

2 TB6560 驅(qū)動電路設(shè)計

考慮性價比與教學(xué)要求，本系統(tǒng)設(shè)計了基于東芝公司TB6560 芯片的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路，如圖2 所示。F2806 主控制器EPWM 模塊送出的脈沖、方向與使能信號由74HC245 作3.3 ～5 V 的電平轉(zhuǎn)換。光耦隔離電路設(shè)計采用TLP2531 和PC817 芯片。TLP2531 是一款用于兩通道的高速光耦合器，由光敏二極管、高增益線性運放及肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成，具有溫度補償、電流和電壓補償、高的輸入輸出隔離等功能，用來隔離CLK 和CW 信號。TLP521 是普通光耦隔離器，用來隔離ENABLE 信號。針對步進(jìn)電機(jī)工作時的振動大、噪聲大等缺點，可采用電流的細(xì)分、衰減模式的設(shè)置來改善。細(xì)分的原理本質(zhì)是通過控制步進(jìn)電機(jī)勵磁繞組中電流使步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部合成磁場為均勻的圓形磁場，從而實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分。通過繞組中電流的細(xì)分改善了步進(jìn)電機(jī)低頻運行時振動大的缺點。不同衰減模式設(shè)置則減少了步進(jìn)電機(jī)運行時產(chǎn)生的高頻噪聲，改善了系統(tǒng)性能［7］。

圖2 TB6560 兩相四線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

TB6560 提供了整步、半步、1/8、1/16 微細(xì)分設(shè)置。NFA/B 管腳外接無感電阻對輸出電流控制，I =1/NFR，阻值大小分別為1. 2 Ω、330 mΩ、500 mΩ。M0、Protect 管腳用做工作狀態(tài)與保護(hù)指示;Reset 為復(fù)位管腳，低電平有效;OSC 管腳所接電容大小決定斬波頻率大小。推薦100 ～1 000 pF 對應(yīng)斬波頻率40 ～400 kHz。DCY1/DCY2 外接撥碼開關(guān)設(shè)置電流衰減模式為0，25%，50%，100%。

為了減小電機(jī)發(fā)熱，在電機(jī)正常工作時設(shè)置輸出電流最大，不工作時電流減半或更小。設(shè)置步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)“自動半流”功能。選擇單穩(wěn)態(tài)可重復(fù)觸發(fā)芯片74HC123 檢測CLK 信號。TQ2 接74HC123 反向輸出。當(dāng)電機(jī)正常工作時TQ2 是低電平，電流維持在NFA/B 管腳設(shè)定值100%。無脈沖輸入時，TQ2 是高電平。TQ1 與TQ2 不同狀態(tài)決定當(dāng)前工作電流大小。外接電壓為不超過40 V，推薦+24 V。輸入端加保險絲與壓敏電阻保護(hù)與濾波。電流大小、衰減模式以及自動半流設(shè)置可通過試驗板撥碼開關(guān)實現(xiàn)，見表1、2。

表1 撥碼開關(guān)設(shè)置

表2 電流開關(guān)設(shè)置

3 串行通訊與E2PROM 掉電存儲電路

系統(tǒng)設(shè)計MAX3232 串行通訊電路作為控制器與上位PC 機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，見圖3。MAX3232 收發(fā)器采用專有的低壓差發(fā)送器輸出級。利用雙電荷泵在3 ～5 V 電源供電時能夠?qū)崿F(xiàn)真正的RS232 性能。器件外部僅需要4 個0.1UF 小尺寸電荷泵電容，可以確保在120 kb/s 數(shù)據(jù)傳輸速率下維持RS232 輸出電平。MAX3232 引腳、封裝和功能與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MAX232 兼容。F2806 提供了SCI-A/B 兩路串行通訊接口可以實現(xiàn)DSP 與PC 機(jī)數(shù)據(jù)交換。圖3 中232TX、232RX 分別連接SCITXD、SCIRXD。T1、R1 與試驗板載DB9 母頭的發(fā)送、接收管腳相連［8］。

圖3 MAX3232 串行通訊電路

另外，考慮運動控制單元在工作過程中掉電或意外發(fā)生時電機(jī)當(dāng)前運動位置記錄問題，系統(tǒng)設(shè)計了AT24C256 掉電存儲保護(hù)電路。AT24C256 是I2C 總線接口的E2PROM，其存儲容量為256 kB，按字節(jié)方式組成了32 kByte 的內(nèi)部存儲空間。通過SCL、SDA 與F2806 處理器的I2C 接口。

4 加減速算法

在單軸的運動控制中，需要作頻繁的點位運動，若不作任何軌跡規(guī)劃處理，在很多場合是不理想的，達(dá)不到工藝加工的要求，其應(yīng)用將受到很大的限制。常見的步進(jìn)電機(jī)速度曲線有梯形曲線以及S 形曲線［9］。

梯形曲線給定3 個運動參數(shù):位置給定step 、最大速度speed 以及加速度accel/dccel。如圖4 所示，梯形曲線分為3 個階段:第1 階段。勻加速段，速度按照設(shè)定的加速度值accel 從零加速到最大速度speed;第二階段。勻速段，加速度值為零，速度保持已達(dá)到的最大速度運行;第三階段。勻減速段，按設(shè)定的加速度減速到零，同時到達(dá)目標(biāo)位置。

圖4 梯形加減速曲線

S 形曲線給定4 個運動參數(shù):位置給定P _ref、最大速度maxv、最大加速度maxa 以及加加速度Jerk。如圖5 所示，規(guī)則的S 形曲線分為7 個階段:前3 個階段為加速段，后3 個階段為減速段，加速段和減速段相互對稱，第4 個階段為勻速段。在第1 階段。加加速段，加速度從零開始，以設(shè)定的最大加速度maxa 為目標(biāo)，以加加速度Jerk 為增量遞增，直到達(dá)到最大加速度為止。在第2 階段。勻加速段，加加速度為零，以最大加速度加速到第3 段。在第3 階段。減加速段，按負(fù)的加加速度使加速度減為零值，同時使速度達(dá)到最大值maxv，至此完成加速段過程。在第4 階段勻速運行，加速度和加加速度都為零以最大值maxv 運行。第5、6、7 階段依次為加減速段、勻減速段和減減速段，降速過程與之前的加速過程完全對稱。

本系統(tǒng)采用在線梯形加減速算法［10-11］。設(shè)梯形曲線中脈沖時間間隔分別為c0tp，c1tp，c2tp，…。這里cn是按處理器片內(nèi)定時器確定的計數(shù)值，tp是計數(shù)器的周期，單位是s。下式給出了加速、減速階段脈沖間隔計算。其中:α 為步距角;加速度w－是常數(shù);初始

圖5 S 型加減速曲線

若設(shè)置電機(jī)啟動后2 s 加速到240 r/min，計數(shù)器計數(shù)頻率為100 MHz，固定電機(jī)為16 細(xì)分，則w－=4πrad/s2，a=2π/3200 rad，c0=1 767 766。

5 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

5.1 VB6.0 平臺上位機(jī)界面

上位PC 機(jī)的子程序用Visual Basic 語言編寫，功能是通過Mscomm 控件發(fā)送運動控制指令和接收位置信息數(shù)據(jù)，如圖6 所示。Mscomm 控件是Microsoft 公司提供串行通信編程的ActiveX 控件，它為應(yīng)用程序提供了通過串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡單方法。Mscomm控件提供了事件驅(qū)動處理通信的機(jī)制，類似一般程序的中斷方法，當(dāng)串口發(fā)生事件或錯誤時，Mscomm 控件觸發(fā)onComm 事件，應(yīng)用程序在捕獲事件后通過檢查Mscomm 控件的CommEvent 屬性獲得所發(fā)生的事件與方法［12］?，F(xiàn)給出Mscomm 控件發(fā)送與接收的部分代碼如下:

圖6 PC 機(jī)平臺運動控制界面

數(shù)據(jù)發(fā)送只需要向MSComm1.Output 寫入字符串即可。這里采用12 Byte 1 幀傳輸電機(jī)轉(zhuǎn)速、細(xì)分設(shè)置、方向、運動位移以及關(guān)鍵字參數(shù)，分別填寫對應(yīng)的文本框TEXT 屬性完成。

5.2 加減速與系統(tǒng)控制流程

下位機(jī)運動控制代碼在CCS2.0 編譯器完成。圖7 是采用梯形加減速算法流程圖。當(dāng)加減速度accel/decel、速度speed、步距角a、運動步數(shù)steps 給定，可計算出電機(jī)加速到設(shè)定轉(zhuǎn)速speed 的步數(shù)max_lim 和由加減速度、step 約束的accel_lim，流程圖中符號①處要求對max_lim 與accel_lim 判斷。若max_lim ＞accel_lim，說明沒有加速到設(shè)定速度電機(jī)便進(jìn)入了減速狀態(tài)，不存在勻速段(status =2);反之，整個升降速控制為完整梯型速度曲線。計算減速階段電機(jī)步數(shù)dec_val 和decel_start。圖8 給出了在Matlab7.0 環(huán)境下梯形加減速算法在不同加速度下速度曲線。由式(1)計算加速與減速時2 個相鄰脈沖時間間隔Cn 更新ePWM1 模塊EPwm1Regs.TBPRD 寄存器的值，實現(xiàn)不同頻率脈沖對步進(jìn)電機(jī)控制。方向信號可以通過對AQCSFRC.bit.CSFB 位操作使得ePWM1B 管腳信號強制高或低控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)［13］。

圖9 是單軸運動控制系統(tǒng)的主流程圖。上電后系統(tǒng)倍頻、使能外設(shè)時鐘。再對ePWM1、SCIA、eCAP1 完成中斷初始設(shè)置。其中ePWM1 中斷服務(wù)程序主要運行加減速代碼負(fù)責(zé)產(chǎn)生指令脈沖信號。eCAP1 捕獲中斷則檢測近電機(jī)側(cè)槽型光電開關(guān)信號上升沿以確定運動控制的零位置。由于直線導(dǎo)軌滑塊到達(dá)零位時，開關(guān)信號由低電平向高電平跳變存在30 ～40 個抖動以致零位不準(zhǔn)。解決問題的辦法是在第一個上升沿觸發(fā)捕獲中斷后，在中斷服務(wù)程序內(nèi)部設(shè)置eCAP1 為通用I/O，0.001 s 后再確認(rèn)是否為高電平，以此為依據(jù)確定每次運動的零點。單軸運動控制提供回零、相對位移、絕對位移、立即停止操作。上位機(jī)每條有效指令信息用12 Byte 數(shù)據(jù)編碼。SCIA 采用FIFO 中斷接收或發(fā)送上位機(jī)速度、細(xì)分、位移及方向等運動信息［14-15］。可給出FIFO 中斷與接收的部分寄存器代碼:

圖7 梯形加減速曲線Matlab 仿真

圖8 梯形加減速流程

圖9 單軸運動控制主程序

F2806 的SCI 接收器與發(fā)送器各具有一個16 級深度的FIFO，這樣可減少空頭服務(wù)。采用NRZ 數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)位8 位。16 位波特率寄存器BRR =0x0144=324，計算實際傳輸速率為LSPCLK/(8* (BRR +1))=9 615 bit/s。與上位機(jī)9 600 bit/s 發(fā)送速率匹配。當(dāng)接收FIFO 中滿12 Byte 長幀信息時，產(chǎn)生中斷接收。使能FIFO 中斷發(fā)送，運動單元位置信息可寫入SciaRegs.SCITXBUF 寄存器可供上位機(jī)接收查詢。

6 驅(qū)動器性能測試

用所設(shè)計的驅(qū)動系統(tǒng)對42BYG250A 步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行實驗，觀察電流波形與噪聲。電機(jī)參數(shù):步距角1.8，工作電壓9 ～30 V，繞組電阻1. 3 Ω，繞組電感2. 1 mH，保持力矩0.23 N·m。S-350-24 型開關(guān)電源提供驅(qū)動器測試工作電壓24 V，采用Tektronix TDS1012B雙通道示波器作波形測試。

為了清楚觀察電機(jī)繞組電流正弦細(xì)分控制的波形，在A/B 相繞組輸出端串接0.5 Ω 無感電阻用示波器觀察，如圖10 所示。電流波形光滑，電機(jī)轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，噪聲小，正弦特征明顯。

圖10 繞組串接無感電阻測試兩相電流

在單軸運動控制教學(xué)平臺實物中。滾珠絲桿與直線導(dǎo)軌之間采用定制剛性件連接。電控單元與機(jī)械運動部分在740 ×600 mm 木板固定并做水平度校正。采用上位PC 機(jī)控制測試定位性能，效果良好。

7 結(jié) 語

本文基于TMS320F2806 與TB6560 芯片設(shè)計完成了單軸運動控制教學(xué)平臺軟硬件設(shè)計。重點解決了上位機(jī)控制軟件設(shè)計、RS232 通信底層SCI FIFO 中斷接收與發(fā)送、加減速在線實現(xiàn)及點位控制。目前，該單軸運動控制平臺已經(jīng)在大學(xué)生創(chuàng)新教學(xué)和校企合作項目開發(fā)中得到應(yīng)用。

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